机车通过关节式电分相过电压研究

梁朝阳

0 引言

因关节式电分相能满足高速列车运行要求，在国内电气化铁路区段得到广泛应用。但在实际运行中发现韶山7 型电力机车通过关节式电分相时常常产生过电压引起跳闸。频繁的跳闸不但中断供电、干扰运输，而且短路电流易对牵引供电设备造成危害[1]。电力机车特别是韶山7 型电力机车通过关节式电分相产生过电压已严重威胁电气化铁路的安全运行。

1 过关节式电分相过电压分析

1.1 过电分相的机械过程

铁路技术规程规定，电力机车通过电分相时必须断电通过。相对应的机车受电弓运行过程描述是：（1）受电弓逐步靠近并最终接通中性线，同时逐步脱离后方接触线。（2）受电弓逐步靠近并最终接通前方接触线，同时逐步脱离中性线。现场观测发现，在电力机车进出关节式电分相的整个过程中，受电弓与接触线和中性线间均产生电弧。

1.2 过电分相过电压原因分析

韶山7 型电力机车车顶主断路器前采用了放电间隙，当电力机车断电通过电分相时，与接触网有电气连接的只有受电弓、车顶高压互感器和放电间隙。因此，从电路角度看，电力机车通过关节式电分相的过程，实际上相当于将电分相中性线瞬间接入电路，然后又从电路中断开的过程。在该暂态过程中，电分相中性线上的原有电压与电力机车通过时的电源电压叠加就有可能产生过电压。当该过电压大于车顶放电间隙所能承受的最大电压时，放电间隙击穿，引起牵引变电所开关跳闸[2]。

2 过关节式电分相过电压暂态仿真

2.1 等效简化仿真电路模型

根据电力机车断电后通过关节式电分相的物理过程，可以建立电力机车通过关节式电分相时的简化等效电路Matlab7.0/Sim Power Systems 仿真模型如图1 所示[3～5]。图1 a 和图1 b 分别为电力机车进入、驶出电分相时仿真模型。简化电路仿真模型由4 部分组成，即电源部分、接触网部分、关节式电分相部分和电力机车高压侧车顶部分组成。

图1 电力机车通过关节式电分相简化等效Matlab 仿真电路图

本文仿真电路参数的具体数值以陇海线西安—宝鸡区段牵引供电设备为样本计算得到。

电源部分采用理想电压源串联变压器等值阻抗的方式来代替，经计算Rs1= Rs2= 0.098 Ω，Ls1=Ls2= 0.005 1 H。

接触网部分采用电阻串联电感的简化等值电路代替。图1 中的RL1、LL1和RL2、LL2分别表示电分相左右两侧接触网的等效电阻和电感。经计算，LL1= LL2= 0.011 6 H，RL1= RL2= 2.685 Ω。

中性线采用T 形等值电路。图1 中C2表示中性线等效对地电容，RL3、LL3和RL4、LL4分别表示中性线等效电阻和电感。C3和C4分别表示中性线与左右两侧接触线间的等效耦合电容。经计算，C2= 1.735×10-9F，RL3= RL4= 0.022 4 Ω， LL3=LL4= 7.06×10-5H，C3= C4= 1.992×10-9F。

电力机车车顶部分主要考虑受电弓对地电容以及电压互感器的等效电感，图1 中C1表示受电弓对地等效电容，L1表示电压互感器的等效电感。经计算，C1= 2.36×10-10F，L1= 99 471.61 H。

2.2 过关节式电分相时暂态仿真分析

2.2.1 受电弓接通中性线时的暂态仿真

电力机车进入电分相时受电弓逐步靠近中性线并在某一瞬间受电弓与中性线之间空气间隙击穿，中性线通过电弧接入电路。该暂态过程的仿真相当于图1 a 中在K1闭合情况下K2瞬时闭合。

仿真表明，受电弓接通中性线的瞬间将产生过电压。其大小与电源电压相位角有关，当电压相位角φ为100°时，中性线上将产生70.58 kV的过电压。

2.2.2 受电弓脱离后方接触线时的暂态仿真

电力机车受电弓在脱离后方接触线时将产生电弧，电弧一般在电流过零时熄灭。此时受电弓继续向前滑行，若某一时刻受电弓与后方接触线之间的空气绝缘强度小于其击穿电压时将重新发生一次击穿，即电弧重燃。电弧重燃情况下中性线将产生较大的过电压。仅考虑最严重的情况，假设受电弓与后方接触线在中性线上电压（电容C2两端电压）为正的峰值时脱离，由于容性电流超前电压90°，这时线路上工频电流过零，不产生电弧，然后考虑在不同电压相位角下受电弓与后方接触线间发生一次电弧重燃时中性线上产生的过电压。该暂态过程的仿真相当于图1 a 中K1、K2在闭合情况下K1在电容C2两端电压为正的峰值时打开，然后K1延时闭合，以此来模拟电弧重燃情况下中性线上最大过电压。

仿真结果表明，发生一次电弧重燃时，中性线上将产生较大的过电压。当电压相位角φ = 280°时，中性线上产生的最大过电压为102.39 kV。韶山7型电力机车车顶放电间隙为110 mm，其击穿电压约为90 kV，如此大的过电压将直接击穿车顶放电间隙引起跳闸。电压相位角φ = 280°时的过电压暂态仿真波形如图2 所示。

图2 φ = 280°时中性线过电压波形图

2.2.3 受电弓接通前方接触线时的暂态仿真

电力机车驶出电分相时，受电弓与前方接触线之间的空气间隙逐步缩小并在某一瞬间击穿，中性线通过电弧接入电路。该过程的暂态仿真相当于图1 b 中K3闭合情况下K4突然闭合。

仿真表明，受电弓接通前方接触线时产生过电压的大小也与电压相位角有关。在电压相位角φ 为280°时，中性线上将产生71.19 kV 的过电压。

2.2.4 受电弓脱离中性线时的暂态仿真

受电弓脱离中性线时同样考虑电力机车驶出电分相时受电弓与中性线之间在最严重的情况下发生一次电弧重燃。暂态仿真相当于图1 b 中在K3、K4闭合情况下，K3在中性线上电压为正的峰值时突然打开，然后K3延时闭合，模拟不同电压相位角下中性线上产生的最大过电压。

仿真结果表明，在电压相位角φ 为280°时，中性线上将产生高达103.79 kV 的过电压。该过电压也将直接击穿韶山7 型电力机车车顶放电间隙引起跳闸。

3 关节式电分相过电压抑制研究

3.1 阻容保护装置抑制过电压

电力机车过关节式电分相产生过电压的原因是电路参数的突然变化引起电路振荡产生过电压，而电弧的重燃加大了过电压的数值。可以考虑在中性线上加装阻容保护装置，抑制电力机车通过时产生的过电压。本文参考文献[6]的方法选取电阻R =152 Ω，电容C = 3.86 μF。加装阻容保护装置后暂态仿真波形如图3，过电压最大值降为48.19 kV，已在电力机车车顶设备和关节式电分相装置绝缘允许范围之内。

图3 加装阻容保护装置后过电压暂态仿真波形图

3.2 金属氧化锌避雷器抑制过电压

金属氧化锌具有良好的非线性伏安特性。可以考虑将车顶放电间隙改造为氧化锌避雷器，用来抑制过电压。本文选用电气化铁道常用的Y5WT-42/114 型避雷器对抑制电压效果进行仿真。仿真表明，采用氧化锌避雷器后的最大过电压降为69.12 kV，比未采用时的最大过电压102.39 kV 下降了32.49%。其暂态仿真图形如图4。

图4 加装氧化锌避雷器后过电压暂态仿真波形图

4 结论

（1）电力机车通过关节式电分相时中性线上过电压的大小与发生暂态过程时电源电压相位角有关，因此关节式电分相过电压具有随机性。

（2）韶山7 型电力机车更容易引起跳闸的原因在于其车顶主断路器前采用了放电间隙。建议将放电间隙改造为氧化锌避雷器。

（3）阻容保护装置、氧化锌避雷器保护均可以降低过电压。氧化锌避雷器对其他类型的过电压也能起到保护作用。与阻容保护装置相比，氧化锌避雷器保护仅能减小过电压幅值，不能降低振荡电路的频率。

[1] 张宝齐，贾明汉.锚段关节式电分相引起接触网跳闸原因的探讨[J].铁道电力机车车辆，2008，28（2）：73-75.

[2] 刘明光，路延安，魏宏伟，等.关节式电分相过电压试验研究[J].电气化铁道，2007（4）：15-17.

[3] Gilbert S, Hoang LH.Digital Simulation of Power Systems and Power Electronics using the MATLAB/Simulink Power System Blockset[R].IEEE Power Engineering Society-Winter Meeting 2000:31-35.

[4] Hoang LH.Modeling and Simulation of Electrical Drives using MATLAB/Simulink and Power System Blockset[J].IEEE , 2001:41-48.

[5] Ismail I, Nadarajah S.Simulation of Power System &Machines of an Industrial Plant using the MATLAB/Simulink Power System Blockset(PSB) [J].IEEE , 2002:58-64.

[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].高压电器，1997，33（6）：38-43.