基于ATP-EMTP的电力机车过分相暂态过程研究

谢曲天 盛义发 李永胜 张楷翼 范 波

（南华大学电气工程学院，湖南 衡阳 421001）

电力机车通过锚段关节式分相区的过程中，其等效电路的拓扑结构不断发生变化，加之电路中有大量的储能元件，将会形成暂态过电压，从而击穿机车放电间隙，严重影响电力机车的安全运行。因此，电力机车过电分相暂态过程的问题是学者与工程技术人员一直研究的热点之一。但是大多都是从理论上分析暂态过程，研究的电路模型也通过理想简化的[1-2]。基于此，本文在分析电力机车过分相过程的数学机理的基础上，将锚段关节式过分相分成过渡区和无电区两部分建模，基于ATP-EMTP 仿真分析电力机车过分相过程的暂态过程，采用RC 保护装置抑制暂态，以达到消除或减小电力机车过分相暂态过程的目的。

1 电力机车过分相的过程机理

1.1 电力机车分相区暂态过程界定

电力机车过分相时，受电弓与接触线、中性线频繁的接触和分离，电力机车和牵引网形成的等效电路拓扑结构也不断发生变化，当电路拓扑结构从一种形式变换为另一种形式时，将会出现暂态过程。电力机车高速运行平滑通过分相区时采用锚段关节式车载断电自动过分相，其七跨度锚段关节式过分相如图1所示[3]。

图1 七跨度锚段关节式过分相

电力机车在即将进入分相区时，机车主电路断电。电力机车只有受电弓、高压互感器和车顶高压引线与牵引网连接。在整个通过分相区过程中将经历4 个暂态过程[4]。

1）当机车运行到b 处时，此时中性线与供电臂α 相距的距离小于受电弓的宽度。受电弓开始同时与中性线和供电臂α 接触。在受电弓刚刚接触中性线的瞬间，等效电路拓扑结构发生变化将经历第一次暂态过程。

2）当机车到达c 处时，此时受电弓间与供电臂α 分离，等效电路拓扑结构再次发生变化，进入第二次暂态过程。

3）当机车到达f 处时，受电弓将又同时接触中性线和供电臂β，等效电路的拓扑结构发生变化，出线第三次暂态过程。

4）当电力机车运行到g 出时，受电弓与中性线分离只与供电臂β 接触，运行到h 处后出分相区合上机车主电路，机车在供电臂β 上运行。

电力机车在过程1）和过程3）中运行时，其暂态过程的性质相同可等效为空载合闸过电压过程。同样在过程2）和过程4）中运行时的性质相同，可以放在一起分析研究。

1.2 电力机车过分相暂态过电压理论分析

电力机车在进入过分相前，分相区与供电臂之间是没有电气上的连接的。但是由于供电臂与分相区相距很近，分相区上将会有感应电压的产生。可根据基尔霍夫定理，列出节点电压方程如下[5-7]：

求解可得

式中，Un为中性线上的电压。电力机车进入电分相等效为RLC 串联电路根据基尔霍夫定律可得

根据电感，电容特性可列出电力机车进入过分相时的方程如式（1）至式（3）所示。

零输入响应：

零状态响应：

将式（4）求导求最大值，得出不同相角时的中性线上过电压的最大值与如图2所示。

图2 合闸相角与中性线过电压的关系曲线

从图2可以看出，电力机车进入分相区时，当电源的相角在110°或者290°附近时中性线上的过电压最小；然而，当电源电压的相角在10°或者190°附近时，中性线上的过电压最大。

2 基于ATP-EMTP 的电力机车过分相暂态过程仿真

2.1 系统建模

牵引网导线：承力索型号JTMH120，接触线型号CTMH150，钢轨型号P60。接触导线距轨顶高度6000mm，接触网结构高度1300mm，承力索弛度600mm。根据电力机车过分相的特点建立电力机车过分相区的模型，其中包括以下部分：①牵引网供电臂；②过分相过渡区；③过分相无电区；④电力机车。等效电路模型如图3所示。

图3 分相区等效电路

根据Carson 导线—地回线理论[5-6]求牵引网供电臂，过分相过渡区和过分相无电区的等效阻抗；根据对地电容和并联线路的电容公式求各段的电容。Rs，Ls分别表示牵引变压器归算到低压侧的等值电阻和电感；RT1，RT2，LT1，LT2表示供电臂α，β 与过分相的中性线过渡区的等值电阻和电感；Rn，Ln表示过分相中性线无电区的等值电阻和电感。CT1=CT2表示过分相中性线无电区的等值电阻和电感。CEN表示中性线与供电臂过渡区的等值对地电容；CN表示中性线无电区的对地电容。由于电力机车主电路断开，只有高压电压互感器和高压导线通过受电弓与牵引网相连，所以电力机车模型等效成R、L和C的混联电路。

2.2 仿真分析

分相区空载时，由于供电臂与中性线相距很近，在两导线之间存在线间电容，所以在分相区中性线上将存在感应电压。通过ATP-EMTP[7-8]仿真研究可知中性线上的感应电压为12.15kV 与计算结果相差不大。

电力机车进入分相区，受电弓与分相区中性线和供电臂α同时接触时，暂态过程可以看成操作过电压和谐振过电压的共同作用。与电力机车进入分相区性质相同的是电力机车从无电段驶出时，此时可看成受电弓与分相区中性线和供电臂β 同时接触，暂态过程与电力机车进入分相区的过程相同。如图4所示电力机车在牵引网电源相角为10°进入过分相时的中性线暂态过电压波形。

图4 机车进入分相区的中性线过电压

电力机车进入分相区的无电段和电力机车离开分相区的过程性质相同，以电力机车进入分相区无电区为例，电力机车受电弓和供电臂分离，此时受电弓也没有接触到另一供电臂上，所以电力机车进入了一个无电惰行的状态。如图5所示电力机车进入无电段的中性线上的电压波形。

图5 机车受电弓脱离供电臂的中性线电压

从图4和图5可以看出在电力机车通过过分相过程中在进入过分相时存在操作过电压和谐振过电压，在电力机车脱离供电臂时存在谐振，如果受电弓有拉弧时可能造成二次重合闸那么谐振可能带来更加严重的后果。

3 暂态过程的抑制措施

从以上的仿真过程中可以出，电力机车通过分相区时的暂态过程主要由操作过电压和铁磁谐振过电压组成，RC 保护装置是电力系统中最常用的一种抑制暂态过程的方法。将RC 保护装置并联在线路中，装置中的电容可以补偿原系统中的铁磁谐振，电阻则能增加线路中的阻尼，使得暂态过程能更快的衰减。图6反映的是以电源电压相角为10°时，电力机车进入电分相为例，在中性线上并联电阻为200Ω，电容为0.5 μF 的RC 保护装置时的中性线电压波形。

图6 安装有RC 保护装置的中性线电压

对比图4和图6可以明显发现中性线上的操作过电压和铁磁谐振过电压明显降低，在图4中中性线过电压最大值值达到额定电压值的2.14 倍，而如图6在中性线上加装RC 保护装置后，其中性线过电压的最大值只有额定电压的1.2 倍。综上分析，RC 保护装置对于消除电力机车过分相的暂态过程具有一定的作用。

4 结论

本文以七跨度锚段关节式过分相为研究对象，通过数学推导得出过分相的相角与过电压的关系。并运用ATP-EMTP 电磁暂态分析软件对电力机车过分相的过程进行仿真研究。得出以下结论：

1）电力机车过分相时，机车与供电臂与中性线接触时，电源的相角决定了暂态过程的大小，所以进入分相区的相角对于机车过分相很重要。

2）电力机车过分相过程的暂态过程集中在机车与中性线和供电臂同时接触时的瞬间。有比较明显的谐振过电压和操作过电压。

3）ATP-EMTP 仿真分析比较直观的得出电力机车过分相过程中的暂态过程的情况。RC 保护装置通过仿真可知对于抑制电力机车过分相的暂态过程有比较明显的效果。

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