动车组高压系统过电压及其抑制技术研究

郭衍龙

（中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东青岛 266111）

0 引言

动车作业环境复杂，在面临高度污染、浓雾或冰雪的情况下，可能会出现高压电气设备的击穿闪络问题，也可能会烧毁齿轮箱温度传感器。据分析，导致该问题的原因有两方面，一是内部结构以及牵引网的故障，二是外部因素也会导致故障。本文根据动车组过电压的具体情况，利用措施对于过电压幅值进行控制，以确保作业安全。

1 高速动车组

我国的高速铁路技术发展起步时间较晚，相关技术依赖于国外的发展，在对于不同设备进行引入时，由于不同国家对于不同设备具有在不同的标准，因此我国所使用的设备标准并不统一，无法形成完美的绝缘配合。根据对于动车组高压设备的标准进行分析可以发现，目前我国所使用的相关系统标准包括3 个部分，分别是铁路技术管理规定、铁道行业标准以及标准。本文针对不同型号的动车组高压系统设备结构高度，电气间隙以及爬电距离执行标准进行了简单列示。其中，表1 依据的标准是TB/T 3077.1—2006《电力机车车顶绝缘子》；表2 依据的是《铁路技术管理规程》（要求间隙超过300 mm），IEC 60077-1—1999《铁路应用—机车车辆电气设备第1 部分 一般使用条件和通用规则》（要求间隙超过230 mm）和TB/T 1333.1—2002《铁路应用 机车车辆电气设备 第1 部分：一般使用条件和通用规则》（超过间隙230 mm）；表3 依据的标准是IEC 60077-1—1999 和TB/T 1333.1—2002，分别要求距离超过775 mm 和超过1000 mm。根据相关数据可以得知，目前我国所使用的各种动车组高压设备，实际上并不与国际标准以及我国的内部标准相吻合，所以其在运行过程中可能会出现高压系统过电压问题。

表1 高压设备结构高度

表2 高压设备电气间隙

表3 高压设备爬电距离

2 过电压机理

根据其成因，可将其划分为内部过电压以及外部过电压，其中内部过电压又可以划分为升降工过电压、弓网离线过电压、车网谐振过电压以及分相过电压。雷电是导致外部过电压的主要因素，接触网导线的传播，会导致感应过电压。本文主要研究如何抑制其内部过电压。

2.1 升降弓过电压

在升弓状态下，接触网和受电弓之间的距离会逐步缩小，在其距离达到一定限度时会击穿其气体间隙、出现电弧。这种程序类似于容性电路正常合闸，受电弓在于接触网进行接触之后可以进行充电，从而出现谐振，最终产生电压。不仅如此，这一过程中弓网电弧也会出现电压，这个数值是额定电压的两倍。

在降弓状态下会断开主断路器，仅有电压互感器存在于高压回路，接触网会与电弓出现分离的情况，但是，依旧能够和电弧电进行连接，重燃以及熄灭的状态和多次开关切换类似，会改变回路的状态，充电和放电的过程会持续重复。

2.2 弓网离线过电压

接触网悬挂以及受电弓存在弹性，中心锚结线夹、定位线夹以及接头线夹都具有硬点，可能致使弓网离线：如果离线时间大于100 ms，则是大离线；如果离线时间小于100 ms 且大约10 ms，则是中离线；如果离线时间小于10 ms，则为小离线。

在出现分离状态时，会接触动车组负荷，接触网以及受电弓会出现多次分离以及接触，会严重影响系统的参数和状态，最终会振荡能量，出现过电压。在该系统内，感性设备包括电抗器，电压互感器以及变压器，正常情况下电容和电感不存在谐振，但出现频繁接触与分离时，将会多次重新组合或者是分断回路，改变其工作状态，最终导致振荡回路，在一定条件下就会发生谐振，最终会致使瞬态过电压。

2.3 分相过电压

现在我国大多数的动车组均采用车载自动过分相，其在运行时会根据预告信号进行牵引变流器脉冲的封锁，然后将断开主断路器、使其到达中性段，之后将主断路器合上，解锁牵引变流器脉，使其重回原速。

因为受电弓在其分相之前，只和接触网进行接触，而之后会和中性线以及接触网同时接触，达到无电区。之后，再从同时接触演变成为只和接触网接触，离开分相区。这一程序会产生两种过电压：在到达中性段时，会先出现过电压，中性线和受电弓的接触，会出现高频暂态振荡，出现过电压；从中性段离开之后，会产生过电压。

3 影响过电压的因素

影响我国电压的因素主要和动车组高压系统以及高速铁路牵引供电系统有关，主要包括6 种，分别是：接地系统、高压电缆电容以及动车组高压侧电压互感器励磁电感；各种系统的耦合；钢轨的接地、电感以及电阻；中性段过分相瞬间的相位、电感、电阻以及长度；接触网导线的对地电容、电感以及电阻；牵引变电所的电感以及电源内阻。

3.1 高压电缆以及电压互感器

在降弓以及升弓过程中会断开主断路，仅存在高压电缆以及互感器小负载，因为车体、高压电缆以及电压互感器励磁电感的分布，会导致其出现振荡，这种振荡的频率会直接影响过电压：一般情况下，过高的振荡频率会导致幅度较大的过电压，其持续时间不会太长；如果振荡频率较小，会引起较小的过电压，但是持续时间一般比较长。通常情况下动车组的内部结构以及电缆部件结构都可以对其产生影响，过电压主要影响因素是高压互感器的励磁电感，在对其进行调节时可以采用调节线圈匝数的方式增加励磁电感值，以降低其振荡频率。

3.2 接地系统

过分相以及弓网离线的过电压泄放通道主要是保护接地系统，一般情况下主要包括电阻接地、电感接地以及直接接地，在电压的冲击作用时，电阻接地以及电感接地导致的车体瞬态电压相对来说比较大，车体过电压在直接接地的作用下比较小，因此直接接地具有更优的抑制效果。

4 过电压抑制技术

通过对其产生的原因分析可以发现，正常作业会出现较多的随机性过电压，为进一步对其进行抑制、确保其正常行驶。本文在进一步研究其作用状态的基础上，进行了抑制技术的分析。

4.1 阻尼抑制技术理论

大多数的过电压的产生是因为高压系统在运行过程中出现的电磁能量振荡，在对其进行抑制的过程中，可以采用将RC 滤波器并联到电缆前端的方式，加大系统阻尼，之后可以对于暂态过电压进行吸收。RC 滤波器可以：滤除谐波；通过电阻消耗能量形成阻尼振荡，快速衰减电压；通过加大电容来降低振荡频率。

4.2 接地抑制技术

动车组运行过程中接地碳刷和车体进行接触，利用接地碳刷，能够释放车体过电压，车体浪涌电压会收到接地电阻器阻值的较大影响，所以，一般应尽可能地降低接地电阻阻值。这样可以利用接地碳刷数量增加的方式降低电阻，从而减小整个过电压。在对其进行处理的过程中，应首先对于以往的接地进行保护，关注之后的维修成本以及整个车体的费用，进行接地设备的增加。这种方式能够更加均匀地保护接地，防止其在运行过程中因为某一个轨道的故障而影响其整体运行。

在对其进行处理之后，通过过电压静态测试，对其闭合主断进行测试，主要测试车体对于转向架的冲击电压。在对其进行测试之后可以得知，在主断闭合之后会明显降低冲击电压，从而对于过电压进行抑制。之后测试其实际运行情况，利用正线测试对于改进后的过电压进行测试。对布线进行测试的过程中，连接转向架轴和接线，之后引入电压隔离探头。根据对于两个分相区数据的分析，车体会对转向架进行一次的最高冲击电压。经过分析，在利用接地方案对其进行改进后，其会以较低的冲击电压及较低的电势冲击转向架轴端，动车组不会由于电磁的作用而致使设备的坏损或通信错误，这种方式能明显抑制过电压。

5 结论

动车组在作业时，会因外部环境及其自身设备原因而导致弓网离线过电压，升降弓过电压以及分相过电压。过电压具有不可避免性以及随机性，在实际运行中为了对其进行抑制，从根本上能够利用并联RC 滤波器的方式以及对于接地数量进行增加的方式，来抑制过电压的峰值。截止目前，利用并联RC 滤波器抑制过电压的方式仍需要进一步的实验检测，而利用接地数量增加来抑制过电压的方式已经通过相应的测试，具有良好作用，但仍需要进一步分析其对于动车组电磁兼容的影响作用。