电力机车关节式电分相过电压分析与抑制研究

张 远，黄彦全，张 培，唐诗光，芦思为



电力机车关节式电分相过电压分析与抑制研究

张 远，黄彦全，张 培，唐诗光，芦思为

电力机车通过关节式电分相时，经常发生过电压现象，导致牵引变电所跳闸，对接触网和牵引变电所的安全运行构成严重影响。电力机车通过关节式电分相时，入分相的受电弓与中性线接触、受电弓与接触网分离、出分相的受电弓与牵引网接触、受电弓离开中性线4个过程中容易产生过电压。本文使用Matlab/Sim Power Systems对上述过程进行建模仿真，分析中性段产生过电压的原因，提出抑制过电压措施。仿真结果表明，阻容保护器可有效抑制电力机车通过关节式电分相时在中性段产生的过电压。

电力机车；关节式电分相；过电压

0 引言

为确保电力机车高速、安全的运行，国内铁路牵引供电系统中广泛采用锚段关节式电分相。但是电力机车在通过关节式电分相时，往往会产生过电压，严重时会危及牵引变电所中的设备安全，影响接触网和牵引变电所的安全运行。因此，研究机车过关节式电分相过电压的抑制方法对电气化铁路安全运营有着非常重要的意义，它既能够保障牵引供电系统安全，又能够让电力机车更安全的运行。

1 关节式电分相过电压问题研究

1.1 过电压问题的提出

兰州铁路局兰州供电段武—嘉区段在电力机车通过关节式电分相时多次发生过电压现象[1]。机车过电分相产生的过电压主要有3个特征：（1）出现过电压的频率高。现场试验测试统计：上行过程电压幅值超过60 kV，共发生了11次，出现1.5倍以上过电压的频率为30.3%；下行过程电压幅值超过60 kV，共发生了10次，全程出现1.5倍以上过电压的频率为33.3%。（2）机车过电分相时产生的电压幅值比较高，出现过电压现象的随机性比较大。对上行线进行现场试验，测得的电压最大幅值是70.1 kV，是牵引网标称电压峰值的1.8倍；对下行线现场试验，测得的电压最大幅值是86.3 kV，是牵引网标称电压峰值的2.5倍。（3）电力机车过电分相时产生的过电压时间比较长，形成振荡的电压波形。

1.2 过电压机理分析

电力机车通过关节式电分相是一个过渡过程，在它的等效电路中，牵引网和中性线的接触和分开是突然进行的，等效电路中电容和电感是储能元件，电容电压和电感电流不能瞬间改变，从而导致等效电路需要一定的时间达到新的稳定状态，达到新稳定状态的过程就叫做过渡过程。在这个过程中等效电路中的电压和电流既有固有电源频率的强制振荡，又产生一个随时间而衰减的暂态分量，过渡过程电压和电流的实际值就是这2个分量叠加而产生的值。但是在电力机车通过电分相的时候，接触网电压所处的相位是随机的，2个分量叠加的值可能会比正常电压值高出许多倍，从而出现过电压[2]。

2 机车过分相系统建模和过电压抑制措施

2.1 机车过电分相的系统建模

电力机车过关节式电分相主要有4个过渡过程，即：入分相时的受电弓与中性线接触、受电弓与接触网分离、出分相时的受电弓与牵引网接触、受电弓离开中性线。在这4个过渡过程中等效电路的参数会发生变化，图1是电力机车通过电分相时的原理图。

图1 机车通过锚段关节式电分相原理图

机车从A变电所向B变电所行驶过程中，段机车受电弓只连接了牵引网，到了点机车的受电弓把牵引网和中性线连通，而段机车受电弓始终保持牵引网和中性线连接，机车依然取流于牵引网。机车在段只连接了中性线，段和段相似，段受电弓又只与接触网接触。由于机车通过锚段关节式电分相时常常会发生过电压问题，一些铁路局组织进行了相关的现场试验。在试验中得出，电力机车通过图1中的、、、点时均多次发生过电压现象[3]。

可以把机车通过锚段关节式电分相的过程简化成一个等效电路，而等效电路的元件就是电阻、电感和电容。图2是机车进入关节式电分相时的等效电路图。

AC1、AC2为供电变压器；K1和K2为延时开关；RS1、RS2和LS1、LS2分别为牵引变压器按戴维南电路等值折算后的电阻和电感；R1、R3和L1、L3分别为线路等效电阻和电感；R2和L2分别为中性段等效电阻和电感；C1为受电弓对地电容；C2为中性段对地电容；C3、C4为带电接触网与中性段间的部分电容；L0和R0分别为高压电压互感器TV1的电感和电阻。

电压源AC1和AC2的电压有效值为27.5 kV。根据工程计算得到：电阻RS1、RS2的值为 0.197 6W；电阻R1、R3的值为2.79W；电感LS1、LS2的值为0.008 08 H；电感L1、L3的值为 0.012 9 H；电容C1的值为2.41×10-10F；电容C2的值为4.34×10-9F；电容C3、C4的值为5.6× 10-9F；电阻R2的值为0.024W；电感L2的值为7.06×10-5H；电阻R0的值为5.37W，电感L0的值为99 471.61 H。

图2 机车进入锚段关节式电分相等效电路图

图1中电力机车通过点的状态即为图2中在K1长期闭合的情况下，K2突然闭合，受电弓把接触网和中性段接通。点状态为图2中的K1、K2在闭合的情况下，K1突然断开，然后再延时闭合。此时受电弓与接触网分离只与中性段接触。图3是机车离开锚段关节式电分相时的等效电路图。

图3 机车离开锚段关节式电分相等效电路图

图1中电力机车通过点的状态即为图3中的K3在闭合情况下K4突然闭合，受电弓再一次把接触网和中性段接通。点状态为图3中K3、K4在闭合的情况下，K3突然断开，然后再延时闭合。

2.2 保护措施

电力机车在过分相时产生过电压是由于等效电路中参数变化引起的，所以在电路中加入RC装置来改变电路的电气结构。RC装置通过改变等效电路的工作状态来降低电压幅值从而把过电压幅值降低到电力机车控制系统绝缘强度允许范围以内。图4为加入保护装置后的等效电路图。

图4 加入保护装置后机车过分相等效电路图

3 机车过分相过电压暂态仿真与治理结果

3.1 入分相受电弓刚与中性线接触过渡过程仿真

电力机车过关节式电分相的第1个过渡过程，即电力机车处在图1中的点位置时，在点之前受电弓只与接触网接触，到了点受电弓把接触网与中性线连接，等效电路图中的电气参数发生变化，相当于图2中的K1在长期闭合的情况下K2突然闭合，此时利用Matlab/Sim Power Systems软件[4]搭建出等效电路图的仿真模型，进行暂态仿真，得出牵引网电压在相位角为30°、60°、90°、120°、150°、180°时，中性线段电压的最大值分别为54.13、66.19、72.19、60.42、46.78、41.04 kV。

对点仿真数据进行统计和比较得出：牵引网电压在相位角为100°时，中性线段电压出现最大值。其波形如图5所示。

在图5上可以看出，中性线段上电压的最大值为74.16 kV，是牵引网电压额定值的2.7倍，是牵引网电压峰值的1.91倍。电压幅值达到了机车车顶保护间隙允许范围临界点。

在中性线段加入RC保护装置以后，根据参考文献[5]的方法选取电阻= 152 Ω，电容= 3.86 F。再利用Matlab/Sim Power Systems软件搭建出等效电路的仿真模型，进行暂态仿真，得出牵引网电压在相位角为30°、60°、90°、120°、150°、180°时，中性线段电压的最大值分别为39.03、39.24、40.07、39.04、39.02、39.03 kV。

图5 机车通过C点(j= 100°)时中性线段上的电压波形图

加入RC保护电路后，牵引网电压在相位角为100°时，点中性线段出现电压最大值，其波形如图6所示。可以看出，电压降到了39.78 kV，电压幅值已经降低到了机车车顶保护间隙允许范围内。

图6 加入RC装置后机车通过C点(j= 100°)时中性线段上的电压波形图

3.2 入分相受电弓刚与接触网分离过渡过程仿真

这个过程电力机车处在图1中的点，在点之前受电弓同时与接触网和中性线接触，到了点受电弓与接触网分离，此时只与中性线连接，等效电路图中的电气参数发生变化，相当于图2中的K1、K2在长期闭合的情况下K1突然断开，然后再延时闭合。此时利用仿真软件搭建出等效电路图的仿真模型，进行暂态仿真，得出牵引网电压在相位角为30°、60°、90°、120°、150°、180°时，中性线段电压的最大值分别为75.35、90.3、102.5、76.15、49.84、60.27 kV。

对点测出的仿真数据进行统计和比较得出：牵引网电压在相位角为90°时，中性线段电压出现最大值。其波形如图7所示。

在图7上可以看出，中性线段上电压的最大值为103.4 kV，是牵引网电压额定值的3.76倍，是牵引网电压峰值的2.66倍。电压已经超出了机车车顶保护间隙允许范围。

图7 机车通过D点(j= 90°)时中性线段上的电压波形图

在中性线段加入RC保护装置后，进行暂态仿真，得出牵引网电压在相位角为30°、60°、90°、120°、150°、180°时，中性线段电压的最大值分别为40.36、41.26、42.07、39.04、39.02、39.03 kV。

在得出的数据中，牵引网电压在相位角为90°时中性线电压出现最大值，其波形如图8所示。可以看出，中性线电压最大值为42.07 kV，电压幅值降低到了机车车顶保护间隙允许范围内。

图8 加入RC装置后机车通过D点(j= 90°)时中性线段上的电压波形图

3.3 出分相受电弓刚与接触网接触过渡过程仿真

相比于机车入分相，出分相时模型中机车位置已经发生改变，此时机车处在图1中的点，在点受电弓重新把中性线与接触网接通，等效电路中的参数再次发生变化，相当于图3中K3闭合的情况下K4突然闭合，通过仿真得出点牵引网电压在相位角为30°、60°、90°、120°、150°、180°时，中性线段电压的最大值分别为53.95、66.30、72.13、60.42、42.16、41.04 kV。

对点仿真数据进行统计和比较得出：牵引网电压在相位角为80°时，中性线段电压出现最大值。其对应波形如图9所示。

在图9上可以看出，中性线段上电压的最大值为75.65 kV，是牵引网电压额定值的2.75倍，是牵引网电压峰值的1.95倍。电压已经达到了机车车顶保护间隙允许范围的临界点。

图9 机车通过E点(j= 80°)时中性线段上的电压波形图

在中性线段加入RC保护装置后，进行暂态仿真，得出牵引网电压在相位角为30°、60°、90°、120°、150°、180°时，中性线段电压的最大值分别为39.23、40.01、40.76、39.04、38.85、38.91 kV。

在得出的数据中，牵引网电压在相位角为80°时，其对应的波形如图10所示。可以看出，中性线电压最大值为41.93 kV，电压幅值降低到了机车车顶保护间隙允许范围内。

图10 加入RC装置后机车通过E点(j= 80°)时中性线段上的电压波形图

3.4 出分相时受电弓与中性线分离过渡过程仿真

这个过程机车在图1中的点，受电弓刚刚离开中性线，只与牵引网接触。这个阶段相当于图3中K3、K4在闭合的情况下，K3突然断开，然后再延时闭合。对该过程暂态进行仿真，得出牵引网电压在相位角为30°、60°、90°、120°、150°、180°时，中性线段电压的最大值分别为75.65、90.04、96.08、41.07、47.99、60.08 kV。

对点仿真数据进行统计和比较得出：牵引网电压在相位角为90°时，中性线段电压出现最大值，其对应波形如图11所示。

图11 机车通过F点(j= 90°)时中性线段上的电压波形图

在图11上可以看出，中性线电压的最大值为96.08 kV，是牵引网电压额定值的3.49倍，是牵引网电压峰值的2.47倍。电压已经超出了机车车顶保护间隙允许范围。

在中性线段加入RC保护装置后，进行暂态仿真，得出牵引网电压相位角为30°、60°、90°、120°、150°、180°时，中性线段电压的最大值分别为39.04、39.45、40.80、38.88、39.01、39.21 kV。

加入RC保护电路后，牵引网电压在相位角为90°时，其对应的波形为图12所示。可以看出，中性线电压最大值为40.80 kV，电压幅值降低到了机车车顶保护间隙允许范围内。

图12 加入RC装置后机车通过F点(j= 90°)时中性线段上的电压波形图

4 结论

综上所述，可以得出如下结论：

（1）根据仿真结果，电力机车在、、、处均有可能出现过电压，这与实际情况相吻合。

（2）当机车在过关节式电分相的时侯，过渡过程中等效电路元件状态会改变，从而使电路电压幅值增大，而且牵引网电压相位角对电压幅值有着很大影响。

（3）RC保护装置的原理是通过改变电路的电气结构和参数来改变电路的工作状态。它主要的作用有3点：a.扩增等效电路的电容，抑制电路振荡频率；b.利用电阻吸收能量，阻尼整个电路的振荡，减小电压幅值；c.使锚段关节式电分相中性线上的感应电压降至允许范围内。

[1] 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.

[2] 梁朝阳.机车通过关节式电分相过电压研究[J].电气化铁道，2012. 34-37.

[2] 宫衍圣.电力机车过关节式电分相过电压研究[J].铁道学报，2008：23-26.

[4] 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.

[5] 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.

The overvoltage occurs frequently as the electric locomotive is passing over the articulated phase break that will lead to tripping of traction substation and cause severe impact to safety operation of overhead contact system and traction substation. As the electric locomotive is passing through the articulated phase break, the overvoltage is liable to occur under the following 4 processes: contact between pantograph and neutral line, separation between pantograph and overhead contact system when pantograph is running into the neutral section, and contact between pantograph and traction network, separation between pantograph and neutral line when the pantograph is leaving off the neutral section. The Matlab/Sim Power Systems is used for simulation of above-mentioned processes on the basis of establishment of a model, and over-voltage suppression measures have been put forward on the basis of analyzing the causes of overvoltage at neutral section. The simulation results show that resistance-capacitance protector is able to suppress over-voltage generation effectively at neutral section as the electric locomotive passing through the articulated phase break.

Electric locomotive; articulated phase break; over-voltage

U225.4

B

1007-936X(2017)02-0040-05

张 远.西南交通大学电气工程学院，硕士研究生，电话：15928491889；黄彦全.西南交通大学电气工程学院，教授；张 培，唐诗光，芦思为.西南交通大学电气工程学院，硕士研究生。

2016-05-19