基于高通滤波器的地面自动过分相的过电压抑制

吴强 陈赵曦 李圣清 吴丽然

摘要：因为机车在过电分相的过程中产生的过电压会对电气化铁路的安全造成很大的影响，为了研究抑制过电压的方法，建立了地面自动过分相的等效电气模型，并根据该模型以及机车过分相过程中的电压波形对过电压的产生原理进行分析研究。从而提出加装RLc装置，RLc装置不仅可以组成高通滤波器来抑制机车中的网侧变流器产生的谐波，其中的R和c还能组成阻容吸收器来抑制过电压。通过计算可得出该装置各个元件具体参数，然后以此建立仿真模型，通过仿真验证表明该方法正确有效。

关键词：过分相;过电压;谐波;仿真

0引言

在我国电气化铁路建设之初，采用的是27.5 kV单相工频交流供电制式为电力机车供电。但是机车如果仅从三相供电网中的某一相取电，这便会导致供电网产生大量负序电流。为解决上述问题，电气化铁道采用分段换相供电。同时，为防止不同相之间发生短路，电气化铁路依靠空气和绝缘器件将各相隔离，这便是我们所说的电分相。而关节式电分相因不存在机械硬点，使得机车在过分相时，可以平滑地进入或驶出中性段，所以，被广泛运用于电气化铁道中。

目前主流的自动过分相方案有两种，即机车断电自动过分相和地面自动过分相。而机车断电自动过分相因具备断电时间长，从而导致机车在过分相时速度损失大的缺点。所以，地面自动过分相必将成为电气化铁路的主要发展方向。但是在实际运行中，机车经过电分相时会产生过电压，这可能会导致机车放电间隙被击穿、牵引变电所跳匝等事故。因此，研究如何抑制机车在过电分相时产生的过电压对电气化铁路安全运营有着非常重要的意义。

所以，想要抑制机车过分相时产生的过电压，我们首先需要对接触网的结构特征有一定的了解。目前我国电气化铁路接触网主要采用六跨、七跨、八跨、九跨、十二跨、十六跨锚段关节式电分相。其中，十二跨、十六跨电分相主要运用于高速铁路，如秦沈线、武广线等。而在干线铁路中七跨关节式电分相得到了广泛的运用，如京广线、广深线等。如图1所示为七跨关节式电分相结构图，其由2个四跨锚段关节重叠构成，两跨之间约为90 m，A、B分别表示左右两侧供电臂。

其次我们还需要了解过电压的产生机理。因此本文对机车通过电分相的过程进行了仿真，并通过研究分相区牵引网的等效电气参数和数学模型来分析机车在过电分相时产生过电压的原因，从而提出相应的过电压抑制措施。

1地面自动过分相模型

为了能进一步分析地面自动过分相的电磁暂态过程，本文对地面自动过分相进行建模，然后利用实际参数对机车过分相的整个过程进行模拟。将理论分析与仿真结果结合起来，以便更好地研究出一直过电压的方案。

锚段关节式电分相左右两侧供电臂长为25 km，建立七跨关节式电分相的仿真模型，某高速铁路单线牵引网接触线采用CTMH250型号，承力索为JTMH220，钢轨型号为P60。将接触网各参数汇总如表1。

根据这些参数可建立如图2所示的机车过电分相时的牵引网等效电路模型。图2中机车模型由机车等效阻抗z9、机车变压器励磁阻抗z10、高压互感器z11以及受电弓对地电容C6组成。cB3、CB4、cB5模拟的是机车在过分相的过程中，受电弓在接触网上的不同的位置。

2过电压、谐波产生原理

2.1操作过电压产生原理

机车在过分相过程中，受电弓与接触网接触位置的时刻变化，致使牵引供电系统内部电路结构发生变化，从而发生电磁能量的突变引起过电压。机车在过分相的过程中可分为3个阶段，各阶段电压变化如下。

1）在进入中性段之前，机车在供电臂A上运行并由其供电。当机车即将进入中性段时，中性段与供电臂A相连，使机车能带电过分相。此时电压如图3所示。当CB1闭合时，中性段电压由感应电压变为牵引变压器电压，此时电压值明显变大。

2）当机车进入中性段一段时间后，CB1打开，中性段与供电臂A断开连接。供电臂A停止给机车供电。此时，机车上的感性负载的能量将逐渐转移到中性段对地电容上，形成1个强烈的二阶振荡，中性段上产生截流过电压。

CB1断开后，在经过1个短时间的延时后CB2闭合。由于电机是感性负载，所以在这个短时间的延时过程中，机车上仍然存在电流，这个电流在流过机车主变压器的二次绕组时会耦合到一次侧，并在中性线产生电压。因为此时机车处于中性段，该电压与中性线感应电压叠加产生中性线残压。在CB2闭合后，如果中性线残压与供电臂上电压源UB存在瞬态压差，那么中性线对地电容和接触网上阻抗之间将产生1个振荡过程，该过程中，当各点响应的暂态分量和稳态分量相位相同时，两分量将会叠加从而产生合闸过电压。中性段上电压如图4所示。

3）机车离开中性段后CB2断开，中性段与供电臂B断开连接，机车完成过分相。

2.2谐波

交流电力机车是牵引供电系统中最主要的谐波源，主要由网侧变流器中PWM控制中开关元件高频切换引起的。根据文献[7]可知当机车处于牵引网不同位置时，其两侧牵引网将呈现出不同阻抗特性，当两侧阻抗可分别等效为容性阻抗和感性阻抗且两侧阻抗参数发生并联谐振匹配时，谐振将引起机车压严重畸变，从而威胁到牵引网的安全性与稳定性。

3抑制方法

机车产生的谐波可能在电网中引起并联谐振，此时谐波电流将会急剧加大，同时叠加在基波电压上的谐波电压也会急剧加大，从而引起过电压，导致机车空间间隙被击穿、变电所跳匝等事故，从而影响铁路的安全运行。所以，要解决这个问题不仅要抑制机车过分相时产生的操作过电压，还要滤除网侧变流器产生的谐波。

其中抑制操作过电压可采用以下几种方法：①使用IGBT等可控制通断时间的器件来改变通断时电压电流的相角;②在线路上加装保护装置，如阻容吸收裝置、氧化锌避雷器（MOA）等。

根据文献[8]可知抑制谐波有两种方法：①针对机车上的网侧变流器进行治理，即针对其控制方法和拓扑结构提出抑制谐波的方法;②加装滤波装置。

而RLC装置不仅可以组成1个高通滤波器来滤除机车网侧变流器产生的谐波，同时该装置中的电阻R、电容c还可组成阻容吸收器来抑制操作过电压。因此本文提出在中性段加装RLC装置来解决过电压问题。

3.1过电压抑制原理

RLC装置抑制过电压的原理如图7所示，其中，电阻R可用来消耗高频振荡的能量;而电感L因具有通低频阻高频的特性，所以流向R的工频电流将会减少，从而降低工频电流的消耗;而电容c则是因为其具有电压不能突变的特性，过电压上升速度将会得到减缓。

又因为机车网侧变流器产生的37～43次谐波频率可能与牵引网谐振频率重合，从而产生谐振，危及牵引网及设备安全。因此，RLC装置的阻抗在37～43 HzB寸呈现低阻抗。

因此，根据公式（9）～（13）可求出RLC装置中各器件取值，电阻R可取20Ω，电感L可取300 uH，电容c可取21uf。

建立仿真模型，模拟中性段加装RLC装置以后，机车过分相过程中中性段上的电压如图9所示，已基本抑制过电压和滤除谐波。

4结论

本文通过搭建锚段关节式电分相和机车的模型，对机车通过地面自动过分相的过程进行了仿真模拟，然后对地面开关的开合闸的瞬态过程进行了研究，分析了截流过电压、合闸过电压以及谐波的产生原理，并阐明了其带来的危害，最后提出在中性段上加装RLC装置从而达到抑制操作过电压和滤除谐波的效果。仿真结果表明理论分析正确有效，该方法有效地解决了过电压问题。