电气化铁道关节式电分相过电压抑制研究

彭道文，陈 丹

0 引言

交流牵引供电系统中，电力机车的负载为单相负载，接触网供电方式为换相供电，应在换相处加装电分相装置[1]。由于以空气断口为核心的锚段关节式电分相可以减少接触网的硬点，实现锚段和2个供电臂之间的平滑过渡，因此，锚段关节式电分相逐步取代了器件式电分相，在电气化铁道中得以广泛应用。但锚段关节式电分相也存在着不足，目前普遍采用的电分相为七跨锚段关节式电分相[2]，机车在通过锚段关节式电分相时会发生过电压现象，陇海线、大包线、兰新线均出现多起短时间内连续机车断电过关节式电分相时，过电压击穿车顶放电间隙，烧毁吊弦，导致变电所跳闸等事故，严重影响了电气化铁道的运营安全。因此，研究电力机车过关节式电分相过电压的机理及其抑制措施具有非常重要的理论意义和实际价值。

1 电力机车过关节式电分相过程

七跨锚段关节式电分相结构如图1 所示。

目前，电力机车通常采用车载断电自动转换过电分相装置。在电力机车通过关节式电分相结构时，电力机车主断路器断开，机车主断路器以后的电力机车主电路都不与接触网相连接，整个电力机车只有受电弓以及机车高压互感器与接触网和关节式电分相结构相连[3]。当机车从接触网供电臂驶入电分相过程中，受电弓在连接供电臂导线的同时，逐渐与中性段接近，并最终与其相连；然后受电弓逐渐离开供电臂导线，仅与电分相的中性段相连；机车离开中性段进入另一供电臂工作支的过程中，受电弓与中性段相连的同时，逐渐与另一供电臂接触网接近，并最终与接触网导线相连，然后逐渐离开中性段，最终仅与接触网相连。

图1 七跨锚段关节式电分相示意图

2 关节式电分相过电压产生的机理

机车过电分相的过程中，不断地出现接触网—电力机车—电分相系统的电气参数改变，该系统不断地从一个状态变化到另一个状态，伴随着暂态过程的发生，而暂态过程中会不断出现操作过电压、暂时过电压等情况。

由于机车受电弓进出关节式电分相断口时，牵引供电系统中的电容、电感等储能元件的工作状态发生了变化，产生电磁能量振荡的过渡过程。该过程电感元件储存的磁能会在某一瞬间转变为电场能储存在电容之中，电容元件储存的电场能也会在某一瞬间转变为磁能储存在电感之中，产生数倍于电源电压的过电压，称为操作过电压。该操作过电压是因机车进出电分相断口的操作引起的，具有瞬时峰值高、持续时间短等特点。

此外，机车运行在中性段时，机车高压互感器存在磁饱和现象，当高压互感器饱和到一定程度，即电感减小到某数值时，L-C 振荡回路的频率等于或者接近于牵引网电源频率的倍频或次频，并满足其他铁磁谐振的“激发”条件，形成铁磁谐振过电压[4]。该谐振过电压是在操作过电压完毕后出现的稳态性质的谐振现象，也称为暂时过电压。该暂时过电压具有一定的稳定性，持续时间较长。

对呼和浩特局大包线过分相过电压进行实测，发现实测波形与理论分析一致，主要有操作过电压和暂时过电压2 种形式。假如大包线机车采用SS4重载机车，部分实测过电压波形如图2、图3 所示。

图2 机车过电分相完整过程实测电压波形图

图3 机车过电分相实测过电压展开波形图

图2 、图3 给出了机车过电分相同时发生操作过电压和暂时过电压的波形。从实测波形可以看出，在关节式电分相进出等高点处都发生了过电压，进出等高点处产生的操作过电压峰值最大可达175 kV，中性段谐振过电压峰值最大可达53 kV。

3 过电压的抑制措施

根据上述分析可知，电力机车通过关节式电分相产生过电压的原因是机车通过关节式电分相时会引起等值电路的参数发生变化，电路发生振荡，产生过电压[5]，因此可以通过改变电气结构及其参数缩小或消除过电压的影响，同时结合现场实际情况，认为对关节式电分相过电压的治理可采用自控式阻容吸收过电压抑制装置，通过在关节式电分相中加装RC 阻容电路[6]，改变电路的工作状态将振荡电路变成无振荡电路，降低过电压的幅值与陡度，并对高频振荡起阻尼作用，以此来抑制过电压。防护装置结构如图4 所示。

图4 过电压抑制装置结构图

该过电压抑制装置安装在靠近等高点的供电臂上，其主要部分是非线性电阻串联阻容吸收器构成的单元，其中阻容吸收器为自愈式干式薄膜电容和线性电阻串联组成的支路。正常运行情况下，自控式非线性电阻呈兆欧级的高阻态，使电分相与接触网隔离；当机车过分相时，在过电压的作用下，非线性电阻迅速转变为低阻态，将抑制装置接入接触网，从而限制操作过电压在一定的幅值范围内，减缓操作过电压对电容单元的冲击。阻容吸收器用来改变电路的结构参数，将振荡电路变成无振荡电路[5]，抑制操作过电压，吸收谐振过电压；电容可减缓操作过电压的峰值，电阻起阻尼振动的作用。同时，为保护电容，在阻容吸收装置旁边并联一个空气间隙，当空气间隙两端的压降超过一定值时，空气间隙被击穿，将阻容单元短接，从而保护阻容吸收器不被破坏。此外，在抑制装置前段安装一个避雷器，以防止雷击电流对装置造成损坏。

装设过电压抑制装置后，分别读取进、出电分相等高点处的数据，部分实测过电压波形如图5、图6 所示。

图5 装设抑制装置后电分相电压波形（进等高点处）图

图6 装设抑制装置后电分相电压波形（出等高点处）图

由实测波形可以看出，装设抑制装置与未加抑制装置相比，操作过电压衰减迅速，峰值限定在80 kV 以下，中性段感应电压可降低到接近0 V，消除谐振过电压，过电压治理效果较好。此时的电压将不会对电力机车、接触网、关节式电分相结构及牵引变电所产生威胁。

4 结论

通过对锚段关节式电分相过电压的分析研究，设计了自控式阻容吸收过电压抑制装置，该装置可有效降低操作过电压的振荡频率，抑制其瞬时峰值，同时可消除机车过关节式电分相引起的暂态过电压，使电力机车以零电压的方式接入中性线，实现接触网与中性段的电压软过渡，从而减小过电压对机车高压绝缘设备的冲击，消除电力机车的误报警率，提高接触网供电、电力机车运行的可靠性，提高锚段关节式电分相的应用价值。

[1] 李银生.关节式分相过电压机理分析[D].西南交通大学，2006.

[2] 于万聚.高速电气化铁路接触网[M].成都：西南交通大学出版社，2003.

[3] 秦晓灵.电力机车过关节式电分相过电压分析与防护[D].北京交通大学，2007.

[4] Jacobson, DAN.Examples of ferroresonance in a high voltage power system[J].Power Engineering Society General Meeting.IEEE.2003，（2）.

[5] 宫衍圣.电力机车过关节式电分相过电压研究[J].铁道学报，2008，（4）.

[6] 谢书勇.真空断路器操作过电压的保护装置-阻容保护器[J].高电压电器，1997，（6）.