高速列车带载断电暂态特性研究

潘登麟

摘要：高速列车运行途中，可能遇到因为外部环境造成带载断电的工况。本文通过建立简化电路模型，分析列额定功率分闸所产生的电磁暂态过程的机理，并通过建立精确电路模型仿真分析，进一步研究额定功率分闸时的电磁暂态特性。仿真结果表明，带载分闸过程中，可产生相比空载合闸更为强烈的暂态过程，高压电缆外层耦合电压最高可达近20000V，持续约40μs时间，瞬态电缆电流可达2000A。在列车整车电气系统的设计过程中，可采取提高系统阻尼或是吸收暂态电能的方式，来提升整车电气系统性能。

关键词：高速列车;分闸;电磁暂态

0  引言

和各类高压电气系统一样，高速列车设置有切除全列负载的高压断路器。根据操作要求，需要在切除主负载的情况下，再进行分闸断电操作。但特殊情况下，受外部环境影响，也会因保护逻辑启动带载断电。当前国内外，对高速列车空载分合闸时产生的操作过电压研究较多。文献[1]对通过对列车空载合断的机械及电磁特性进行分析，指出了变压器对地电容是操作过电压的重要影响因素，并提出了采用RC装置滤波的方式减小操作过电压。文献[2]通过对车载真空断路器空载合闸电磁暂态过程的仿真分析，对合闸角和过电压之间的关联性进行研究。尽管对高速列车操作过电压的研究已取得一系列成果，但对带载断电工况研究仍然较少。鉴于该工况有着不亚于操作过电压的影响，本文选取国内某型号高速列车为代表，对高速列车带载断电的电磁暂态特性进行研究。

1  高速列车带载断电机理分析

高速列车的高压供电系统由受电弓、高压电缆及高压断路器组成。当列车额定功率运行时，单是输出的牵引功率就可达近9000kW。列车按要求切断负载后再分闸操作时，不会造成电网波动或是浪涌冲击。但当列车遭遇外部环境变化如电网波动导致高压断路器断开时，由于列车系统的感性效应，将产生感应电流并需经过高压部件及车体、接地电阻进行释放。现建立高速列车额定功率分闸的简化电路模型，分析其暂态过程产生机理。

根据我国高速铁路典型供电方式，由牵引变电所提供25kV单相交流电，经由接触网为高速列车提供电能。高速列车额定功率分闸可简化为图1所示的电路。各电气元件均视为集中参数元件，其含义如图中标注。

分闸即K断开时，列微分方程求解uc（t）及i（t），得

其中K、λ、α、β由简化电路中的各元件参数决定。上式可知，i（t）、uC（t）均为震荡衰减，峰值与列车自身参数及供电电源相位角相关。

对于变压器侧，由于高压断路器的灭弧功能，可吸收大量的暂态电能，涉及的暂态过程可予以忽略。

2  高速列车带载断电仿真分析

进一步建立精确电路模型并仿真。首先建立图2所示的分闸等效电路，各元件符号及参数[3-4]如图中标注。

使用Matlab/Simulink软件，令时间t=0.01s，K由合变为断进行仿真，可得各车车体耦合电压及高压电缆内部暂态电流波形。根据仿真结果，各车顶耦合电压峰值由小到大依次为01≈07≈08≈0V<02<04=05=06<03≈20000V，选取最高电压的图3进行分析。可以看出，电压峰值为近20000V，约40μs衰减完毕，电缆瞬态电流达2000A。整个暂态过程中，因各车车顶电势的差异，可能形成暂态的局部环流，验证可能对弱电系统造成影响。综合分析，列车分闸后，由于牵引网、车体电路的感性效应，和高压电缆对车顶的电容效应，将在牵引网、高压电缆和高压电缆对屏蔽层间形成震荡，震荡频率取决于系统中1/的大小，衰减时间取决于振荡电路中综合输入参数RLC的大小。

3  结论

通过机理及仿真分析，可知高速列车带载断电时，将在高压电缆及各车顶产生相比操作过电压更为强烈的暂态过程。分闸后，高压电缆瞬态电流可达2000A，通过屏蔽层耦合到车顶的最大电压为近20000V，约40μs衰减完毕。在高压电缆设计及运用检修中，需考虑长期尖峰电流冲击对高压电缆、电缆终端的绝缘性能造成的影响。根据影响因素分析，可考虑增大系统输入感抗來抑制浪涌，或是设计浪涌吸收电路吸收浪涌，从而提高列车弱电控制系统的可靠性。

参考文献：

[1]欧阳乐成，吴广宁，高国强，李天鸷.车载真空断路器操作过电压及其保护研究[J].电工电能新技术，2013，32（02）：87-91.

[2]陈佳.牵引供电系统操作过电压研究[D].北京交通大学，2016.

[3]董文哲.高速铁路牵引供电系统电气参数与仿真研究[D].中国铁道科学研究院，2019.

[4]聂颖，胡学永.高速动车组升弓浪涌过电压研究[J].机车电传动，2013（04）：9-11.