列车过分相引起过电压的分析及治理

董廷超



列车过分相引起过电压的分析及治理

董廷超

时速200 km以上电气化铁路接触网采用关节式电分相，列车通过电分相时引起的过电压会造成机车放电间隙击穿或受电弓烧蚀等事故，危及电气化铁路的运营安全。本文在介绍3种列车自动过电分相方式的基础上，根据过分相时受电弓位置的变化建立列车通过关节式电分相的模型，对过分相不同阶段的过电压进行分析，并采用阻容保护措施对过分相过电压进行抑制，效果良好。

关节式电分相；过电压；谐振

0 引言

长期的运行经验表明，电力机车或动车组（以下简称列车）过分相时引起过电压是造成变电所跳闸的主要原因之一。当列车双弓或多弓运行，且受电弓间距不符合要求时，会发生异相短路，使常规保护识别更加困难[1，2]。列车过分相引起的过电压不仅会造成受电弓及线索烧损，甚至造成接触网断线，中断供电和运输，频繁的近端短路，数千安的大电流冲击，还直接威胁牵引变电所主变压器等设备的安全和电气化铁路的运营安全。

1 自动过电分相技术

1.1 关节式电分相

铁路牵引供电系统作为电力系统的特殊用户，为了保证三相负荷平衡，需要在牵引变电所间进行三相轮换[3，4]。牵引变电所的2个供电臂为异相供电，为了避免相间短路，要求在变电所处对其2个供电臂进行电气隔离，实现该功能的装置即为电分相。电分相分为器件式电分相和锚段关节式电分相。时速200 km以上电气化铁路接触网的电分相均采用带中性段的绝缘锚段关节式电分相。图1为带中性段的七跨锚段关节式电分相示意图。

图1 带中性段的七跨锚段关节式电分相

1.2 机车自动过电分相方式

1.2.1 柱上开关自动断电过分相

柱上开关自动断电过分相如图2所示。当列车行驶到a—b段时，A的线圈1带电，A闭合，c区段带电；行驶到c—d段时，A的线圈1失电，A断开；行驶到f区段时，B的线圈2带电，B闭合；驶过g区段时，B的线圈2失电，B断开。

图2 柱上开关自动断电过分相

1.2.2 地面开关自动转换方式过分相

地面开关自动转换方式过分相如图3所示。列车到达CG1点，传感器发出信号，将QF1闭合，中性段由A相供电，列车带电通过第1个空气间隙；列车到达CG3，断开QF1后闭合QF2，中性段与B相连接，列车可以顺利通过第2个空气间隙。断电时长为QF1和QF2切换时间间隔，约为0.1～0.15 s。

图3 地面开关自动转换方式过分相

1.2.3 车载自动控制断电过分相

车载自动控制断电过分相如图4所示。列车驶近电分相，地面传感器（磁铁感应或检测轮对数计数）给列车发送预告信号，列车收到预告信号并延时确认后，自动完成列车退级、关辅助机组、断主断路器的操作；列车通过电分相后，安装在主断路器前的检测装置可以判断列车是否通过电分相，继而进行自动合闸动作。

图4 车载自动控制断电过分相

1.2.4 3种自动过电分相方式比较

地面开关自动转换过分相方式自动化程度高，对列车速度影响最小，综合性能最好，且与机车类型无关，但对控制器件精度和耐压水平要求较高，在达到其技术水平或建设更高速度等级高速铁路时可以采用该方式。

柱上开关自动断电过分相方式是对器件式过分相方式的改良，能够在一定程度上减少弓网电弧，但不能完全消除硬点。该方式的结构复杂，且由于线路中电感的存在，在通过分相时会产生谐振过电压，不符合高速铁路发展的要求。

车载自动断电过分相方式与地面开关自动转换和柱上开关自动控制断电方式比较，结构简单，投资少，可靠性高，便于维护检修，为目前较符合我国高速铁路发展要求的自动过分相方式。

2 列车过分相过电压分析

2.1 列车受电弓位置变化关系

列车过分相过程可以分解为列车进入中性段（包括受电弓与中性段接触时，受电弓离开供电臂时），列车在中性段上运行和列车离开中性段（包括受电弓与供电臂接触时、受电弓与中性线分离时）3个部分。列车过分相时受电弓位置变化如图5所示。

图5 列车过分相时受电弓位置变化

2.2 变电所出口处关节式电分相分析模型

关节式电分相模型如图6所示。

图6 关节式电分相模型

通过开关S1、S2、S3的切换分析列车过分相时的转换过程：（1）将开关S1闭合，列车在过分相前受电弓与接触线接触；（2）将开关S2闭合，受电弓第1次跨接接触线和中性线；（3）断开开关S1，S2仍然保持闭合状态，受电弓与接触线分离，仅与中性线接触；（4）将开关S2和S3同时闭合，受电弓第2次同时接触接触线和中性线；（5）将开关S3闭合，开关S2断开，受电弓仅与另外一相接触线接触，完成过分相过程。

2.3 仿真结果及分析

（1）受电弓第1次跨接中性线与接触线瞬间。

按照合闸空载线路过电压的计算方法，最大中性线瞬时对地电压为

代入相关数据可得其最大幅值为

受电弓跨接接触线和中性线发生在线路电流过零之前，产生的电弧可以保持两线相连通。因为电弧电阻较小，此时接触线和中性线之间的电压近似相等，不会产生新的合闸过电压。但如果受电弓跨接接触线和中性线时，线路电流刚好过零，此时电弧熄灭后尚未重燃，等值电路阻抗为容性，电压和电流相差90°，电压的幅值为最大值，相当于二次合闸，过电压后果严重。

（2）受电弓第1次离开中性线与接触线同时接触的瞬间。

受电弓第1次离开接触线与中性线同时接触的暂态过程与受电弓进入电分相的过程相似，此时中性线对地电容上的瞬时电压表达式为

如果受电弓与接触线断开时电源电压为峰值，此时电流为容性，相位超前于电源电压，由于此时电流为零，不会产生电弧。断开之后，列车和接触线之间端口的电压差越来越大，如果电源电压经过半个周期恢复到峰值，就会将空气间隙击穿，在牵引回路中产生振荡电压。理论上二次电弧合闸过电压幅值的最大值为

C= -½-2m-m½

= -½-2×1.414×27.5-1.414×27.5½= -116.7kV

（3）受电弓第2次跨接中性线与接触线。

在此期间，车顶互感器产生的电压突变容易造成互感器涌流的出现，该涌流使铁磁线圈趋于饱和，电路中等效电感减小，将与回路中等效电容值接近，满足铁磁谐振条件，出现谐振过电压。

3 过分相过电压阻容保护及效果分析

列车过分相时电气参数发生改变，当满足电路谐振条件时，电路中出现过渡过程，从而引发严重的过电压。对于该过电压的治理，可以通过加装阻容保护装置，改变电路中的自然谐振频率，抑制高频过渡过程，从而减小过分相过电压。对于关节式电分相，可以在第3根支柱的田野侧安装阻容保护装置，如图7所示。该装置的高压出线连接到中性线上，过电压释放输出线连接到回流线上，形成分相过电压的释放闭合回路。

分相阻容保护装置投入前后的网压波形如图8所示。可以看出，安装分相阻容保护装置后，列车正线正常行驶时的网压稳定在接触网额定电压 25 kV左右；当列车进入关节式电分相时，电压值迅速降低并逐渐减小，并使感应电压维持在3 kV左右；当列车驶离电分相时，接触网电压又恢复到正常网压25 kV左右。

图7 阻容保护装置安装示意

图8 阻容保护投入前后网压波形比较

4 结语

综上所述，列车过分相的4个阶段均会产生过电压及电弧。在受电弓与接触线、中性线跨接时会产生幅值较大的过电压，而在受电弓与接触线、中性线分离时过电压的幅值不会很大，但电弧的重燃会使弓网跨接或分离的振荡过电压的幅值增大很多，可能将放电间隙击穿，引起变电所跳闸。

针对列车过分相时产生过电压引起变电所跳闸及放电间隙击穿问题，建议做好以下几方面工作：（1）在接触网电分相处设置过电压保护装置，并保证其状态良好；（2）全面启用过分相自动断电装置，改人控为机控，并增设机车电器和受电弓过分相时过渡过程的数据（电压、电流、电弧）监控装置，通过科技手段确保安全；（3）将列车过分相断、合电信号纳入运营计划管理，便于故障分析和改进；（4）组织机车专业技术人员对机车电路进行系统分析，掌握过电压机理，制订相应防范措施；（5）组织电磁方面的专家对过渡过程的电磁变化进行分析并提出解决方案。

[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] 周福林，李群湛，贺建闽，等. 基于概率的机车过分相过电压仿真实测及其机理研究[J]. 机车电传动，2012（6）：85-88.

[3] 李群湛，贺建闽. 牵引供电系统分析[M]. 成都：西南交通大学出版社，2015.

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

Phase break with overlap is adopted for electrified railway under speed over 120 km, the overvoltage caused by the train passing through the phase break induces the accidents of puncture of locomotive discharging gap or burning of pantograph, endangers the safe operation of electrified railways. By illustration of three modes of train’s passing through the phase break, by establishing of model for passing through phase break with overlap depending on variation of pantograph positions during phase breaking, the paper analyzes the overvoltage occurred at different phases. It shows that the resistance-capacitance protection measures taken for suppression of overvoltage caused by the passing through the phase break are effective.

Phase break with overlap; overvoltage; resonance

U225.4

B

1007-936X(2018)02-0039-03

2017-05-05

10.19587/j.cnki.1007-936x.2018.02.009

董廷超.中铁武汉电气化局集团有限公司北京分公司，工程师。