交直流雙制式列車過分相暫態過程仿真研究*

劉衛東 胥 偉 劉 飛 謝崇豪

(1. 中鐵二院工程集團有限責任公司， 610031， 成都；2. 西南交通大學電氣工程學院， 610031， 成都∥第一作者， 高級工程師)

我國干線鐵路普遍采用交流供電制式，城市軌道交通主要采用直流供電制式。交直流雙制式(以下簡稱“雙制式”)作為一種新型的牽引供電系統技術，能夠實現列車在鐵路和城市軌道交通兩種系統間的快速通行，滿足互聯互通的運營需求[1-2]。

雙制式列車過分相時會出現電磁暫態過程，產生各類過電壓，進而威脅牽引供電系統的正常運行。目前我國尚無雙制式牽引供電系統的運營案例，也鮮見雙制式列車過分相暫態過程的研究。文獻[3]介紹了雙制式牽引供電系統的構成，并對其主要設備選取等方面進行了研究。文獻[4]對傳統交流制式牽引供電系統過關節式電分相暫態過程進行了仿真研究，分析產生過電壓的原因，并提出了過電壓抑制措施。文獻[5-6]對雙制式電力列車供電模式切換過程的暫態特性進行了研究，分析了該類型列車牽引傳動系統在供電模式切換過程中產生的暫態電壓和電流沖擊對接觸網的影響，但并未考慮車-網耦合狀態下雙制式電力列車過分相過程對接觸網造成的沖擊。因此，研究雙制式列車過分相過程所產生的過電壓對交直流接觸網網壓造成的影響，優化雙制式牽引供電系統電分相的設計方案，對雙制式牽引供電系統的運維具有重要意義。

1 雙制式牽引供電系統結構分析

重慶市郊鐵路跳磴至江津線(以下簡稱“江跳線”)是我國首條采用雙制式的軌道交通線路。本文以江跳線為案例進行雙制式牽引系統的研究。該線位于重慶市的西南部，由東向西串聯重慶軌道交通5號線、5號線支線、7號線和17號線，是該市江津區與主城區連接的主要快速通道。

江跳線從起點(跳蹬站)至中梁山隧道前的區段為直流側，采用直流1 500 V架空接觸網供電方式。其余區段為交流側，采用單相工頻25 kV交流制式、帶回流線直接供電方式，并設有供列車交直流轉換的區域。雙制式牽引供電系統如圖1所示。

圖1 交直流雙制式牽引供電系統示意圖Fig.1 Schematic diagram of AC/DC dual-system traction power supply system

在設計近期，江跳線車輛采用雙流制As型車，列車為6節編組，設有2個牽引受電單元。如圖2所示，每個牽引受電單元裝有2個受電弓，弓間距為13 m，且與母線連通；非連通受電弓的最大間距為73 m。

圖2 交直流雙制式列車牽引受電單元示意圖Fig.2 Schematic diagram of AC/DC dual-system locomotive traction power receiving unit

2 雙制式列車過分相過程等值模型

雙制式列車在進入電分相之前，其主斷路器需確保處于斷開狀態，因此過分相過程只有受電弓和網壓互感器與牽引供電系統有電氣聯系。雙制式列車通過錨段關節式電分相、由交流段行駛至直流段的等值電路如圖3所示。

注：Uac——交流側電壓源；Udc——直流側電壓源；RS1、LS1——分別為交流變壓器的等值電阻和電感；R1、L1——分別為交流側接觸網的等值電阻和電感；R2、L2、C2——分別為無電區中性線的等值電阻、電感和對地電容；RS2、LS2——分別為直流變壓器的等值電阻和電感；R3、L3——分別為直流側接觸網的等值電阻和電感；Rc、Cc——分別為列車等效電阻和受電弓對地電容；C12——交流接觸網和無電區接觸網之間的等效電容；C23——直流接觸網和無電區接觸網之間的等效電容；K1、K2——為等效切換開關。圖3 雙制式列車通過錨段關節式電分相等值電路模型Fig.3 Equivalent circuit model of dual-system locomotive passing through anchor joint electrical separation phase

當雙制式列車受電弓短接中性線和交流接觸網時，等效于開關K1由斷開狀態轉為閉合狀態，如圖4所示。由圖4可知，此時列車過分相過程所產生的暫態電壓主要與交流接觸網電壓源、中性線上原有感應電壓及中性段電氣參數有關。

圖4 列車從交流段進入中性段時的等值電路模型Fig.4 Equivalent circuit model of train entering neutral section from AC section

當列車受電弓與交流接觸網斷開連接、僅與中性線接觸時，等效于開關K1由閉合狀態轉為斷開狀態，如圖5所示。由圖5可知，此時列車過分相過程所產生的暫態電壓主要與中性線上原有感應電壓和中性段電氣參數有關。

圖5 列車受電弓與交流段接觸線分離時的等值電路模型Fig.5 Equivalent circuit model of train pantograph and AC section contact line separation

當列車通過中性段后，受電弓從僅與中性線連接轉為短接中性線和直流段接觸線，等效于開關K2由斷開狀態轉為閉合狀態，如圖6所示。由圖6可知，此時列車過分相過程所產生的暫態電壓主要與中性線上原有感應電壓、中性段電氣參數及直流側接觸網電壓源有關。

圖6 受電弓短接中性線與直流段接觸線時的等值電路模型Fig.6 Equivalent circuit model of pantograph shorting neutral line and DC contact line

當列車駛出電分相，受電弓與中性線斷開連接，僅與直流段接觸線相連，等效于開關K2由閉合狀態轉為斷開狀態，如圖7所示。由圖7可知，此時列車駛入直流側與中性線斷開連接，由于直流側采用雙邊供電，等值電路難以發生振蕩。

圖7 受電弓僅與直流段接觸線連接時的等值電路模型Fig.7 Equivalent circuit model when the pantograph is only connected to the DC contact line

3 雙制式列車過分相仿真與分析

3.1 列車過分相暫態過程仿真與分析

根據上文的等值電路模型，本文建立了雙制式列車過錨段關節式電分相時的MATLAB/Simulink仿真模型，如圖8所示。

圖8 雙制式列車過錨段關節式電分相仿真模型Fig.8 Simulation model of dual-system locomotive passing through anchor joint electrical separation phase

利用開關的閉合與斷開狀態模擬雙制式列車進出錨段關節式電分相全過程，得到暫態過電壓波形如圖9～11所示。

圖9 受電弓短接交流接觸網與中性線時的暫態電壓Fig.9 Transient voltage of pantograph short-connected AC catenary and neutral line

圖10 受電弓與交流接觸網斷開時的暫態電壓Fig.10 Transient voltage of disconnection between pantograph and AC catenary

圖11 列車進入直流側時的暫態電壓Fig.11 Transient voltage of locomotive entering DC side

由圖9可知，當列車受電弓同時接觸交流接觸網與中性線時，將造成等值電路改變，從而引發振蕩，產生較大的暫態過電壓。由圖10可知，在受電弓與交流接觸網斷開時，過電壓現象不明顯，這主要是因為雙制式列車采用了電阻分壓式的網壓互感器。由圖11可知，在受電弓短接直流接觸網與中性線時，因等值電路的變化產生了劇烈的過電壓現象，對直流接觸網的安全運行造成極大威脅。但隨后在受電弓與中性線斷開連接時，由于直流側雙邊供電及中性線長度較短等原因，等值電路的變化未引起暫態振蕩。

3.2 列車過分相暫態過程的影響因素分析

3.2.1 接觸網電壓相位角

列車過關節式電分相暫態過程中，中性線上的電壓幅值與交流側供電電源相位有關。改變交流側電源的初始相位，得到該暫態過程暫態電壓峰值與交流接觸網電壓相位角的關系如圖12所示。由圖12可知，列車過分相時所產生的暫態過電壓幅值與交流接觸網電壓相位角有關，且存在一定的隨機性。當交流接觸網電壓相位角為90°時，交流側過電壓達到64.11 kV，為交流側額定電壓的2.56倍。此時直流側過電壓達到13.83 kV，為直流側額定電壓的9.22倍，存在一定的安全隱患。

圖12 不同交流接觸網電壓相位角下的暫態電壓仿真Fig.12 Transient voltage simulation diagram at different voltage phase angles of AC catenary

3.2.2 牽引網諧波

上述模型中使用的均為理想電壓源，但實際線路中由于非線性負載的接入，接觸網電壓含有一定的諧波電壓。本文以我國某城市軌道交通線路為案例，取該線路的實測數據作為電壓源進行仿真分析，得到的仿真結果如圖13～14所示。

圖13 諧波作用下受電弓短接交流接觸網與中性線時交流側的暫態電壓仿真Fig.13 AC side transient voltage simulation of pantograph short-connected AC catenary and neutral line under harmonic action

圖14 諧波作用下受電弓短接直流接觸網與中性線時直流側的暫態電壓仿真Fig.14 DC side transient voltage simulation of pantograph short-connected DC catenary and neutral line under harmonic action

由圖13～14可知，當接觸網電壓含有一定的諧波分量時，雙制式列車過分相過電壓現象將加劇。在諧波作用下，列車受電弓短接交流接觸網與中性線時的過電壓可達91.84 kV，短接直流接觸網與中性線時的過電壓可達19.13 kV。為保障雙制式牽引供電系統的正常運行，建議在軌道交通線路設計時加裝過分相暫態過電壓抑制裝置。

4 雙制式列車過分相設計的優化方案

在牽引供電系統中，阻容保護器裝置常用于抑制列車過關節式電分相時產生的暫態過電壓。其原理是通過改變中性段的電氣結構，使列車過分相過程的等值電路不發生振蕩，進而有效控制暫態過電壓。

在雙制式牽引供電系統中，阻容保護器電阻值和電容值的選取不僅要保證列車進出交流側接觸網時能降低暫態電壓的峰值，還要保證列車進出直流側接觸網時的短時最高暫態電壓和最低暫態電壓均不超標。為此結合文獻[7]，本文確定阻容保護器的電容值為0.12 μF，電阻值為150 Ω。

本文對交流接觸網電源初始相位角為90°時列車受電弓短接交流接觸網與中性線、受電弓短接直流接觸網與中性線兩種工況下的暫態過程進行仿真，得到加裝阻容保護器裝置后暫態電壓的波形如圖15～16所示。

圖15 安裝阻容保護器后受電弓短接交流接觸網與中性線時的暫態過電壓Fig.15 Transient overvoltage of pantograph short-connected AC catenary and neutral line after installing RC protector

圖16 安裝阻容保護器后列車進入直流側時的暫態過電壓Fig.16 Transient overvoltage of the locomotive entering DC side after installing the RC protector

由圖15～16可知，阻容保護器裝置對抑制列車通過關節式電分相時所產生的過電壓效果明顯：受電弓短接交流接觸網與中性線時，暫態過電壓降至48.43 kV；受電弓短接直流接觸網與中性線時，短時最高電壓降至1 667 V，短時最低電壓升至1 636 V，符合GB/T 1402—2010《軌道交通 牽引供電系統電壓》的規定。

5 結論

本文建立了雙制式列車通過錨段關節式電分相過程的暫態模型，對列車過分相各個階段進行了仿真分析，并提出了抑制過電壓的設計優化方案。通過對以重慶市郊鐵路江跳線為案例進行仿真，得到結論如下：

1) 雙制式列車在通過錨段關節式電分相時，在交流接觸網產生了64.11 kV的過電壓，在直流接觸網產生了13.83 kV的沖擊電壓。這對于列車和相關電氣設備而言，均存在一定的安全隱患。

2) 交流接觸網電壓相位角使得過電壓現象的發生存在隨機性，而諧波電壓將導致過電壓現象加劇。

3) 加裝阻容保護器裝置能夠改變中性段的電氣結構，從而有效地抑制列車通過關節式電分相時所產生的過電壓。