高速鐵路電分相中性段網(wǎng)壓抬升機(jī)理及抑制措施研究

孫鏡堤

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 陜西西安 710043)

1 引言

我國高速鐵路牽引供電系統(tǒng)采用分段異相供電，在牽引變電所出口處及牽引變電所間需設(shè)置電分相。電分相是牽引供電系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)，影響高速、重載列車速度提升和運(yùn)行安全。電分相中性段在正常運(yùn)行時(shí)，由于電磁感應(yīng)會(huì)產(chǎn)生較高的感應(yīng)電壓，且列車通過電分相中性段時(shí)，由于車-網(wǎng)電氣拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)瞬變可能會(huì)激發(fā)鐵磁諧振過電壓，引起中性段網(wǎng)壓進(jìn)一步抬升，網(wǎng)壓過高容易發(fā)生中性段停車事故，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成電壓互感器燒損，危害列車及車內(nèi)人員的安全[1-3]。國內(nèi)列車過分相時(shí)多次發(fā)生車頂電壓互感器鐵磁諧振現(xiàn)象，對(duì)列車高壓電器以及接觸網(wǎng)分相設(shè)備安全運(yùn)行構(gòu)成嚴(yán)重威脅。

目前，學(xué)術(shù)上對(duì)電磁感應(yīng)及鐵磁諧振的研究很多，但結(jié)合電分相中性段網(wǎng)壓抬升研究的文獻(xiàn)較少。有學(xué)者研究了電力系統(tǒng)中同塔雙回線路感應(yīng)電壓和電流的計(jì)算[4]，也有研究高速鐵路對(duì)電力電纜的電磁干擾特性并提出降低感應(yīng)電壓的措施[5]；有學(xué)者對(duì)電氣化鐵路過分相、弓網(wǎng)離線和升降弓過程中的車網(wǎng)匹配問題進(jìn)行研究[6]；部分學(xué)術(shù)論文通過建立仿真模型，對(duì)車網(wǎng)鐵磁諧振原理進(jìn)行分析[7-8]；也有學(xué)者使用混沌理論把鐵磁諧振中的周期振蕩、準(zhǔn)周期振蕩和混沌現(xiàn)象區(qū)分開來[9]。

本文從電分相中性段網(wǎng)壓抬升現(xiàn)象出發(fā)，從電磁感應(yīng)和鐵磁諧振兩方面分析網(wǎng)壓抬升機(jī)理，提出抑制措施并進(jìn)行仿真驗(yàn)證，為研究電分相中性段網(wǎng)壓抬升機(jī)理及工程解決措施提供理論支撐。

2 電分相中性段感應(yīng)電壓分析

2.1 中性段感應(yīng)電壓理論分析

2.1.1 容性耦合

當(dāng)不帶電的B導(dǎo)體與帶電的A導(dǎo)體接近時(shí)，B導(dǎo)體上會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電荷，且在遠(yuǎn)離A導(dǎo)體的一端與A導(dǎo)體的電荷極性相同，在接近A導(dǎo)體的一端與A導(dǎo)體的電荷極性相反，這種靜電感應(yīng)現(xiàn)象即容性耦合。接觸網(wǎng)電分相兩端的供電臂與中性段之間存在寄生電容，電分相兩端供電臂上的能量會(huì)通過寄生電容耦合到中性段等其他線索上，產(chǎn)生靜電感應(yīng)電壓。接觸網(wǎng)與電分相中性段的容性耦合原理圖如圖1所示。

圖1 容性耦合原理示意

圖1中，導(dǎo)體A為接觸網(wǎng)供電臂，導(dǎo)體B為電分相中性段；C12為接觸網(wǎng)供電臂與中性段間的寄生電容；C22為中性段與大地間的寄生電容；當(dāng)接觸線電壓為Vt時(shí)，中性段和大地之間的電壓為Vs，則中性段的容性耦合電壓Vs和接觸線電壓Vt的關(guān)系為:

設(shè)高速鐵路AT供電系統(tǒng)與中性段有n條平行且有重合段的導(dǎo)線，所有導(dǎo)線在電分相中性段產(chǎn)生的容性耦合電壓為:

2.1.2 感性耦合

感性耦合影響是高速鐵路牽引供電系統(tǒng)各導(dǎo)線通過電流時(shí)，在其導(dǎo)線周圍產(chǎn)生交變的磁場(chǎng)，磁場(chǎng)與電分相中性段的金屬導(dǎo)體交鏈產(chǎn)生的縱向感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。感性耦合影響原理示意如圖2所示。圖2中，l為電分相中性段感應(yīng)電壓，1為接觸網(wǎng)負(fù)荷電流，Ml1為電分相供電臂與中性段之間的互感系數(shù)，l為中性段和高速鐵路牽引供電系統(tǒng)平行長度，d為電分相供電臂與中性段之間的距離。

圖2 感性耦合原理示意

根據(jù)牽引電流分布[10]、電磁感應(yīng)原理和疊加定理，AT牽引供電系統(tǒng)在電分相中性段處產(chǎn)生的感性耦合電壓計(jì)算公式為[11]:

由式(3)可得感性耦合電壓與導(dǎo)線間的平行長度、距離、接觸網(wǎng)電流以及互感系數(shù)有關(guān)。由于供電臂末端分相處無取流，因此供電臂末端電分相中性段沒有感性耦合電壓。變電所出口處分相，列車通過時(shí)可能存在其他列車取流，存在一定的感性耦合電壓。算例:中性段與接觸網(wǎng)的互感系數(shù)約為0.207 μH/m[12]，設(shè)中性段長200 m且鋼軌屏蔽系數(shù)為1，根據(jù)式(3)可得感性耦合電壓約為0.013 1I，則正常運(yùn)行時(shí)中性段上感性耦合電壓約為十幾伏，其對(duì)中性段感應(yīng)電壓影響較小。

2.2 中性段感應(yīng)電壓仿真研究

由上節(jié)理論分析，中性段與兩端供電臂間存在電磁耦合，中性段感應(yīng)電壓受多種因素影響。本節(jié)以十三跨電分相為例進(jìn)行仿真計(jì)算，研究兩端供電臂相位差、列車位置和牽引電流對(duì)電分相中性段感應(yīng)電壓的影響規(guī)律，運(yùn)用CDEGS仿真軟件建立模型，如圖3所示。

圖3 電分相CDEGS仿真模型

2.2.1 兩端供電臂相位差

為分析電分相兩端供電臂相位差對(duì)中性段感應(yīng)電壓的影響，將其分為 0°、30°、60°、90°、120°、150°和180°七種情況進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖4所示。

圖4 電分相兩端供電臂相位差對(duì)中性段感應(yīng)電壓的影響

由圖4可得，兩端接觸網(wǎng)相位差從0°至180°的變化范圍中，其感應(yīng)電壓隨著相位差的增大逐漸減小，兩端接觸網(wǎng)同相時(shí)感應(yīng)電壓最大。

2.2.2 列車位置

為分析列車位置對(duì)中性段感應(yīng)電壓的影響，將列車距離中性段 200 m、400 m、600 m、800 m 和1 000 m五種情況進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖5所示。

圖5 列車與中性段距離對(duì)中性段感應(yīng)電壓的影響

由圖5得，隨著列車與中性段距離的增大，中性段的感應(yīng)電壓有微小波動(dòng)但變化不大。因此，列車位置對(duì)中性段感應(yīng)電壓影響較小。

2.2.3 列車電流

為分析列車電流對(duì)中性段感應(yīng)電壓的影響，將列車電流分為200 A、400 A、600 A、800 A和1 000 A五種情況進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖6所示。

圖6 列車負(fù)荷電流對(duì)中性段感應(yīng)電壓的影響

由圖6得，在列車負(fù)荷電流增大過程中，中性段感應(yīng)電壓幾乎不變，可得列車負(fù)荷電流對(duì)中性段感應(yīng)電壓幾乎無影響。

綜上可得，電分相正常運(yùn)行時(shí)，其中性段感應(yīng)電壓在8 kV以下范圍內(nèi)波動(dòng)，隨著兩端供電臂相位差的增大逐漸減小，且列車取流位置、負(fù)荷電流大小對(duì)中性段感應(yīng)電壓影響不大，中性段感應(yīng)電壓呈現(xiàn)明顯的容性耦合特征。

3 列車過電分相鐵磁諧振分析

3.1 過電分相鐵磁諧振理論分析

由于中性段感應(yīng)電壓處于幾千伏到十幾千伏之間，未達(dá)到導(dǎo)致列車主斷路器跳閘的電壓等級(jí)。本節(jié)從車-網(wǎng)諧振的角度考慮，列車從一側(cè)供電臂駛?cè)胫行远蔚倪^程中，在受電弓跨接在供電臂和中性段的瞬間，供電臂向中性段傳遞能量易發(fā)生過電壓，在一定參數(shù)范圍內(nèi)和高壓激勵(lì)下車頂電壓互感器鐵芯易飽和，呈非線性電感特征；當(dāng)列車駛?cè)胫行远螣o電區(qū)時(shí)，在中性段諧波殘壓作用下，中性段電氣參數(shù)與列車電氣參數(shù)易形成震蕩電路導(dǎo)致電壓激增，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成電壓互感器燒損，導(dǎo)致列車主斷路器跳閘，影響行車安全。

由于主斷路器在過分相前已斷開，其后的暫態(tài)過程與列車負(fù)載無關(guān)，除接觸網(wǎng)外，與車頂電壓互感器、受電弓、中性線及車頂對(duì)地分布電容有關(guān)。高速鐵路車-網(wǎng)鐵磁諧振的諧振回路由帶鐵芯的電感組件(電壓互感器等)和電容(接觸網(wǎng)對(duì)地電容等)組件組成。鐵磁諧振原理如圖7所示。

圖7 鐵磁諧振原理

圖7中，Us為電源；C1為兩端供電臂與中性區(qū)間的耦合電容；C2為中性區(qū)對(duì)地等效電容；Rm和Lm分別為電壓互感器的鐵損和勵(lì)磁電感。圖7b是由圖7a經(jīng)過戴維南等效而來的，則有:

則等效電路的微分方程為:

式中，iL為互感器勵(lì)磁電流(A)；ω為系統(tǒng)頻率(Hz)；設(shè)iL＝aψ+bψ3，ψ為磁鏈(Wb)，a取 3.42，b取0.41[13]。

磁鏈方程ψ＝LiL，則式(5)轉(zhuǎn)化為:

在式(6)中，p＝ωU為激勵(lì)因子，p值越大越容易發(fā)生鐵磁諧振；q＝1/RC為阻尼因子，q值越大越能抑制鐵磁諧振。

3.2 過電分相鐵磁諧振仿真研究

為了研究列車過分相時(shí)車-網(wǎng)鐵磁諧振特性，本節(jié)建立仿真模型進(jìn)行分析，列車過中性段仿真模型如圖8所示。

圖8 列車過中性段仿真模型

設(shè)置列車在0.5 s時(shí)刻從一邊供電臂進(jìn)入電分相中性段，其中性段電壓變化如圖9所示。

圖9 電分相中性段鐵磁諧振電壓

由圖9得，在列車進(jìn)入中性段前，中性段自身感應(yīng)電壓峰值處于10 kV左右；在0.5 s時(shí)刻，列車進(jìn)入中性段，由于發(fā)生鐵磁諧振，中性段電壓峰值激增至45 kV左右，遠(yuǎn)超列車主斷路器跳閘電壓。

為研究列車進(jìn)入電分相中性段的時(shí)刻對(duì)中性段鐵磁諧振過電壓的影響，對(duì)電分相兩端供電臂相位差處于0°～360°之間進(jìn)行仿真分析，結(jié)果如表1所示。

表1 不同供電臂相位差對(duì)中性段鐵磁諧振電壓影響

由表1可得，在電分相兩端供電臂相位差在0°～180°和180°～360°的變化過程中，其中性段電壓變化趨勢(shì)為先增大后減小，最大值處于90°和270°左右。

4 電分相中性段網(wǎng)壓抬升抑制措施

為解決車-網(wǎng)諧振引起的中性段電壓抬升，即破壞車和網(wǎng)之間的諧振參數(shù)，電氣參數(shù)易改變且受影響最小的獨(dú)立單元為車頂電壓互感器，可通過改變易發(fā)生諧振列車的電壓互感器參數(shù)，選用勵(lì)磁特性較好的電壓互感器而達(dá)到抑制中性段諧振電壓的目的。也可在電分相中性段并聯(lián)RLC保護(hù)裝置，通過吸收中性段上的振蕩能量，對(duì)整個(gè)諧振回路達(dá)到阻尼的作用，從而抑制鐵磁諧振電壓。并聯(lián)RLC保護(hù)裝置示意如圖10所示。

圖10 并聯(lián)RLC保護(hù)裝置

在上節(jié)仿真模型中并聯(lián)RLC保護(hù)裝置，得到仿真結(jié)果如圖11所示。

圖11 鐵磁諧振抑制波形

由圖11可得，初始中性段網(wǎng)壓處于10 kV以下，列車在0.5 s時(shí)刻過分相進(jìn)入中性段產(chǎn)生較大鐵磁諧振過電壓，在0.6 s投入RLC保護(hù)裝置，中性段電壓以較快速度恢復(fù)正常值，且對(duì)中性段初始電壓有改善作用。因此，RLC保護(hù)裝置對(duì)過分相過電壓具有較好地抑制作用。

5 結(jié)論

(1)電分相正常運(yùn)行時(shí)，其中性段感應(yīng)電壓在幾千伏范圍內(nèi)波動(dòng)，隨著兩端供電臂相位差的增大逐漸減小，且列車取流位置、負(fù)荷電流大小對(duì)中性段感應(yīng)電壓影響不大，呈現(xiàn)明顯的容性耦合特征。

(2)車-網(wǎng)之間發(fā)生鐵磁諧振時(shí)，當(dāng)電分相兩端供電臂相位差在0°～180°和180°～360°范圍變化中，其中性段電壓變化趨勢(shì)為先增大后減小，最大值在90°和270°左右。

(3)破壞車-網(wǎng)之間的諧振參數(shù)為治理鐵磁諧振的關(guān)鍵點(diǎn)，可改變列車的電壓互感器參數(shù)，選用勵(lì)磁特性較好的電壓互感器從而抑制諧振過電壓。且在中性段并聯(lián)RLC保護(hù)裝置對(duì)中性段鐵磁諧振具有良好的抑制作用。