城市軌道交通裝備試驗線感應電壓抑制技術研究

張士奎

（中國鐵道科學研究院集團有限公司國家鐵道試驗中心，北京 100015）

0 引言

城市軌道交通裝備綜合試驗線（以下簡稱“城軌交通試驗線”）位于中國鐵道科學研究院集團有限公司國家鐵道試驗中心既有大環試驗線內側，為一條閉合曲線，北半環與大環試驗線并行，南半環位于小環試驗線南側并與小環試驗線等高并行，與北半環封閉成環狀（圖 1）。以往試驗中，平均交流牽引電流約 200 A，但現在高鐵動車牽引電流高達 900 A，短路時將會更大，所以機車正常運行或接觸網發生短路故障時感應電壓將增加幾倍甚至十幾倍。尤其在環線交流網試驗過程中有網壓波動、網壓中斷等工況時，感應電壓隨之波動。過高的感應電壓造成城軌直流試驗線接觸網與環線交流試驗線接觸網不能同時供電，嚴重影響了試驗效率。

圖1 交流試驗線與直流城軌試驗線示意圖

隨著我國城市軌道交通和城際鐵路的快速發展，運營現場將會會出現越來越多的交流鐵路線與城軌直流線并行或交叉工況。近距離下，交流 27.5 k V接觸網對鄰近接觸網上的較大感應電壓及設備、通信設施和人身安全都存在著一定的危害。雙線電氣化鐵路及并行的交直流輸電線路也同樣存在感應電壓的問題。

1 感應電壓數值仿真

1.1 接觸網空間位置分布

環線交流線的接觸網主要包括接觸線、承力索、鋼軌和保護線；城軌直流接觸網主要包括接觸線、承力索、輔助饋線、鋼軌和保護線。各接觸網導線空間分布位置如圖 2 所示。

圖2 接觸網空間位置（單位：mm）

1.2 牽引變電所參數計算

1.2.1 電源參數計算

考慮到高速動車組功率因數，計算電壓損失時電阻RS按 1/3 電抗XLS考慮，由關系式ZS=RS+jωXLS=1.125 +j3.376，可得到電源的電阻RS、電感LS為：

1.2.2 變壓器參數計算

根據表 1 變壓器銘牌，可計算得到變壓器參數如下。

表1 變壓器銘牌

一次繞組和二次繞組電抗XT1、XT2：

一次繞組與二次繞組的電感值LT1、LT2：

一次繞組與二次繞組電阻RT1、RT2：

變壓器電導GT和電納BT：

1.3 仿真計算

根據前述計算得到的牽引變電所參數，在MATLAB/Simulink 環境中搭建牽引網、電源、變壓器模型，并在牽引網流 1 000 A、系統短路等極端工況下進行仿真計算。仿真結果表明，靜電感應電壓峰值為 6 500 V，有效值為 4 596 V；隨列車位置變化和短路位置的不同，城軌接觸線上每公里的縱向感應電動勢變化曲線如圖 3 所示。

圖3 城軌線上的縱向感應電動勢變化曲線

2 環線交流網對城軌直流網電磁感應電壓測試

針對 25 kV 環線交流網對城軌直流網電磁感應影響，進行了有車和無車通過條件下直流城軌線無電時感應電壓大小測試，以及 25 kV 環線交流網饋線電壓和電流測試。測試分以下 4 種工況：①環線接觸網電壓為 25 kV，電流為 0 A；②大環線接觸網電壓為25 kV，電流不為 0 A；③網壓波動；④網壓突變。

感應電壓測試接線如圖 4 所示。圖 4 中，DC：6# 支柱側感應電壓V6，4# 支柱側感應電壓V4，鋼軌對地電壓Vg；AC：網壓U，網流I；5# 支柱、95# 支柱為接觸網分段處。

2.1 環線無車時感應電壓

表2 給出了不同工況時的感應電壓有效值。從表 2可以看出，當直流接觸網處于懸空狀態時，接觸網感應電壓可達 2 000 V（不超過 2 400 V），走行軌感應電壓較小，一般為 10 V 左右；當直流接觸網的一端接地時，對應接觸網感應電壓較小，不超過 30 V，此時走行軌感應電壓也會相應較小，一般在 5 V 以內。

圖4 感應電壓測試接線示意圖

表2 感應電壓有效值 V

2.2 環線有車時感應電壓

圖5 給出了某日測試時間內環線交流網網壓、網流有效值波形圖。從圖 5 中可以清晰地看到環線交流網網壓波動及網壓突變實驗情況。

表3 給出了環線交流網不同網壓時的感應電壓。直流接觸網兩端均懸空時，隨環線交流網不同網壓等級，感應電壓在 2 300～2 800 V 內波動；直流接觸網一端懸空一端接地時，隨交流網網壓等級變化，接地側感應電壓在 5～20 V內波動，懸空側感應電壓在 1 800～2 900 V內波動。

3 感應電壓抑制技術及其參數計算

3.1 感應電壓抑制裝置

通過上節環線交流網對城軌直流網電磁感應電壓測試可知，環線 25 kV 交流網對直流網感應電壓較大，在懸空狀態下感應電壓在 2 300～2 800 V，超過了 1 000～1 800 V 的允許值（DC1500V）。為降低環線交流網對直流網感應電壓的影響，研制了“無源型”交流濾波感應電壓抑制裝置，該裝置由電力電容器、電抗器（常用空芯的）和電阻器組成，其工作原理圖如圖 6 所示。

圖5 交流網網壓、網流有效值波形圖

表3 不同接地工況下感應電壓值（最大值）

圖6 感應電壓抑制裝置原理圖

感應電壓抑制裝置主要抑制靜電感應電壓和電磁感應電壓（縱向感應電動勢），其中靜電感應電壓主要為工頻 50 Hz，電磁感應電壓既有工頻又有高次諧波。靜電感應電壓盡管很高，但其對泄放支路電流能力要求并不高；電磁感應電壓由于和機車電流及頻率成正比，一旦試驗機車諧波電流較大時，可能會導致比較高的感應電壓值。為此，選擇額定通流能力為 6 A 的 50 Hz 單調諧濾波器和通流能力為 50 A 的高通濾波器。

3.2 感應電壓抑制裝置參數計算

3.2.1 單調諧濾波器電容電感計算

單調諧濾波器電容器 C1 需要長時間耐受 DC1500V 的直流電壓，由于直流網最大允許網壓為 1 800 V，考慮縱向感應電動勢的影響且留有一定裕量，選擇耐壓水平U1= 3 000 V 的電容器，容量QC1= 20 kVar，f= 50 Hz，由此可計算得到：

電容器 C1 的電容C1：

電抗器 L1 電感L1：

為防止感應電壓過大情況下，電容器、電抗器處于過流運行狀態，電抗器 L1 可設置 2 個抽頭。主抽頭選擇1 432 mH，與電容器 C1 構成工頻 50 Hz 串聯諧振，另外一個輔助抽頭設置為 1 750 mH。

3.2.2 二階高通濾波器電容電感計算

由于電力機車的不同，可能在直流牽引網中產生高次諧波，為消除高次諧波的影響，設計了二階高通濾波器。二階高通濾波器電容器 C2 的耐壓水平U1= 3 000 V，容量QC2= 100 kVar，截止頻率f0= 5f（f為 50 Hz），濾波器品質因數q=1，由此可計算得到：

電容器 C2 的電容C2：

電抗器 L2 電感L2：

3.2.3 放電電阻器 R1 阻值計算

放電電阻器 R1 作用是直流牽引網停電時對電容器C1 和 C2 進行放電。由于 R1 接于直流系統的正負母線之間，所以 R1 的阻值要求很大，同時考慮放電時間的影響，不能將 R1 設置為無窮大。根據放電規程，電容器電壓要在 5 min 之內降到 60 V 以下。UC（0+）為電容器的初始狀態電壓值，可選直

流電壓最大允許值1 800 V；UC（∞）為電容器的穩態電壓值；UC（t）為電容器放電時間為t時的電壓值。由電容放電公式可得：

由τ=R1C1=R1C2可得：

取R1= 2 MΩ 時，可以滿足電容 C1 和 C2 放電時間要求。

3.3 感應電壓抑制效果仿真分析

為了理論驗證上述感應電壓抑制裝置參數的可行性和感應電壓抑制效果，采用 MATLAB 軟件進行了仿真分析。仿真分析分為 a 空載、b 只投入工頻濾波器支路、c 只投入高通濾波器支路、d 感應電壓抑制裝置完全投入以及 e 直流電源加入等 5 種工況。圖 7 為 5 種工況下的電路拓撲圖，圖 8 為系統總體仿真電路圖。仿真參數按前述計算參數，5種工況下的感應電壓基波仿真有效值見表 4。表 4 仿真結果表明，感應電壓抑制裝置在未投入工況下，感應電壓基波有效值為 2 400 V，在完全投入且上直流電的情況下，感應電壓基波為 0 V。可見，感應電壓參數選取合理有效。

圖7 仿真分析工況

圖8 系統總體仿真電路圖

表4 5 種工況下感應電壓基波仿真有效值 V

4 感應電壓抑制效果試驗驗證

感應電壓抑制效果試驗驗證包含 5 種試驗工況：工況 1，感應電壓抑制裝置空載；工況 2，只投入工頻濾波器支路；工況 3，只投入高通濾波器支路；工況 4，感應電壓抑制裝置全部投入；工況 5，直流電供電條件下感應電壓抑制裝置全部投入。現場測試接線見圖 9。本文只對典型工況 1、工況 4、工況 5 進行論述。

圖9 感應電壓抑制裝置試驗驗證現場接線圖

4.1 感應電壓抑制裝置空載（工況 1）

選取某日 15∶06∶25—15∶07∶50 時的波形進行分析，電壓有效值曲線和電壓諧波次數及含量百分比如圖10、圖 11 所示。由圖 10、圖11 可見，空載情況下電壓的有效值在 2 400～2 500 V 范圍內波動，電壓諧波含量較少，各次諧波所占百分比也較小。

圖10 工況 1 電壓有效值曲線

圖11 工況 1 電壓諧波次數及含量百分比

4.2 感應電壓抑制裝置全部投入（工況 4）

選取某日15∶19∶00—15∶23∶20 時的波形進行分析，各通道有效值曲線如圖 12 所示。由圖 12 可見，投入工頻支路和高通支路的情況下，總電壓的有效值為22 V 左右，總電流的有效值在 0.24 A 左右。另外，高通支路電流有效值在 0.3 A 左右，工頻支路電流有效值在 0.35 A 左右。

圖12 工況 4 總電壓總電流有效值曲線

4.3 直流電供電條件下感應電壓抑制裝置全部投入（工況 5）

選取某日16∶14∶00—16∶17∶23 時的波形進行分析，各通道有效值和頻譜特性如圖 13、圖 14 所示。由圖 13、圖 14 可見，在高通支路與工頻支路都投入，且上直流電 1 650 V 的情況下，總電壓的有效值為 1 673 V，總電流的有效值在 0.172 A 左右；高通支路有效值在0.179 A 附近波動，工頻支路電流有效值為 0.073 A，電壓基本無諧波；總電流中諧波含量較多，諧波含量較高的多集中在 7 次、41 次附近，其中 2、5～8、12、18、23、24、33、35、37、41、43、45、63 次諧波含量均超過 50%，7 次諧波含量超過 300%。仿真與實測結果表明，濾波通路設計合理，濾波效果良好。

另外，5 種試驗工況數據的綜合比較見表 5。試驗結果表明，感應電壓抑制裝置對感應電壓的抑制效果明顯。

5 結論

（1）投入感應電壓抑制裝置后效果比較明顯，在投入之前感應電壓在 2 420 V 左右，投入裝置后感應電壓被抑制在 17.5～22 V。只投工頻支路時感應電壓被抑制在 69 V，并且電壓中含諧波較多，繼續投入高頻支路后電壓被抑制在 22 V，且電壓中基本無諧波。

圖13 工況 5 總電壓總電流有效值曲線

圖14 工況 5 總電壓總電流諧波次數及含量百分比

表5 5 種試驗工況數據綜合比較

（2）仿真結果與實測結果具有一致性。計算仿真分析與實測分析表明，感應電壓抑制裝置抑制效果明顯，通過安裝感應電壓抑制裝置可以有效抑制感應電壓的產生，減少高感應電壓所帶來的不利影響，使試驗中心大環線和城軌線可以同時進行試驗，提高了環形鐵道試驗能力。