董廷超

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列車(chē)過(guò)分相引起過(guò)電壓的分析及治理

董廷超

時(shí)速200 km以上電氣化鐵路接觸網(wǎng)采用關(guān)節(jié)式電分相，列車(chē)通過(guò)電分相時(shí)引起的過(guò)電壓會(huì)造成機(jī)車(chē)放電間隙擊穿或受電弓燒蝕等事故，危及電氣化鐵路的運(yùn)營(yíng)安全。本文在介紹3種列車(chē)自動(dòng)過(guò)電分相方式的基礎(chǔ)上，根據(jù)過(guò)分相時(shí)受電弓位置的變化建立列車(chē)通過(guò)關(guān)節(jié)式電分相的模型，對(duì)過(guò)分相不同階段的過(guò)電壓進(jìn)行分析，并采用阻容保護(hù)措施對(duì)過(guò)分相過(guò)電壓進(jìn)行抑制，效果良好。

關(guān)節(jié)式電分相；過(guò)電壓；諧振

0 引言

長(zhǎng)期的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，電力機(jī)車(chē)或動(dòng)車(chē)組（以下簡(jiǎn)稱(chēng)列車(chē)）過(guò)分相時(shí)引起過(guò)電壓是造成變電所跳閘的主要原因之一。當(dāng)列車(chē)雙弓或多弓運(yùn)行，且受電弓間距不符合要求時(shí)，會(huì)發(fā)生異相短路，使常規(guī)保護(hù)識(shí)別更加困難[1，2]。列車(chē)過(guò)分相引起的過(guò)電壓不僅會(huì)造成受電弓及線索燒損，甚至造成接觸網(wǎng)斷線，中斷供電和運(yùn)輸，頻繁的近端短路，數(shù)千安的大電流沖擊，還直接威脅牽引變電所主變壓器等設(shè)備的安全和電氣化鐵路的運(yùn)營(yíng)安全。

1 自動(dòng)過(guò)電分相技術(shù)

1.1 關(guān)節(jié)式電分相

鐵路牽引供電系統(tǒng)作為電力系統(tǒng)的特殊用戶(hù)，為了保證三相負(fù)荷平衡，需要在牽引變電所間進(jìn)行三相輪換[3，4]。牽引變電所的2個(gè)供電臂為異相供電，為了避免相間短路，要求在變電所處對(duì)其2個(gè)供電臂進(jìn)行電氣隔離，實(shí)現(xiàn)該功能的裝置即為電分相。電分相分為器件式電分相和錨段關(guān)節(jié)式電分相。時(shí)速200 km以上電氣化鐵路接觸網(wǎng)的電分相均采用帶中性段的絕緣錨段關(guān)節(jié)式電分相。圖1為帶中性段的七跨錨段關(guān)節(jié)式電分相示意圖。

圖1 帶中性段的七跨錨段關(guān)節(jié)式電分相

1.2 機(jī)車(chē)自動(dòng)過(guò)電分相方式

1.2.1 柱上開(kāi)關(guān)自動(dòng)斷電過(guò)分相

柱上開(kāi)關(guān)自動(dòng)斷電過(guò)分相如圖2所示。當(dāng)列車(chē)行駛到a—b段時(shí)，A的線圈1帶電，A閉合，c區(qū)段帶電；行駛到c—d段時(shí)，A的線圈1失電，A斷開(kāi)；行駛到f區(qū)段時(shí)，B的線圈2帶電，B閉合；駛過(guò)g區(qū)段時(shí)，B的線圈2失電，B斷開(kāi)。

圖2 柱上開(kāi)關(guān)自動(dòng)斷電過(guò)分相

1.2.2 地面開(kāi)關(guān)自動(dòng)轉(zhuǎn)換方式過(guò)分相

地面開(kāi)關(guān)自動(dòng)轉(zhuǎn)換方式過(guò)分相如圖3所示。列車(chē)到達(dá)CG1點(diǎn)，傳感器發(fā)出信號(hào)，將QF1閉合，中性段由A相供電，列車(chē)帶電通過(guò)第1個(gè)空氣間隙；列車(chē)到達(dá)CG3，斷開(kāi)QF1后閉合QF2，中性段與B相連接，列車(chē)可以順利通過(guò)第2個(gè)空氣間隙。斷電時(shí)長(zhǎng)為QF1和QF2切換時(shí)間間隔，約為0.1～0.15 s。

圖3 地面開(kāi)關(guān)自動(dòng)轉(zhuǎn)換方式過(guò)分相

1.2.3 車(chē)載自動(dòng)控制斷電過(guò)分相

車(chē)載自動(dòng)控制斷電過(guò)分相如圖4所示。列車(chē)駛近電分相，地面?zhèn)鞲衅鳎ù盆F感應(yīng)或檢測(cè)輪對(duì)數(shù)計(jì)數(shù)）給列車(chē)發(fā)送預(yù)告信號(hào)，列車(chē)收到預(yù)告信號(hào)并延時(shí)確認(rèn)后，自動(dòng)完成列車(chē)退級(jí)、關(guān)輔助機(jī)組、斷主斷路器的操作；列車(chē)通過(guò)電分相后，安裝在主斷路器前的檢測(cè)裝置可以判斷列車(chē)是否通過(guò)電分相，繼而進(jìn)行自動(dòng)合閘動(dòng)作。

圖4 車(chē)載自動(dòng)控制斷電過(guò)分相

1.2.4 3種自動(dòng)過(guò)電分相方式比較

地面開(kāi)關(guān)自動(dòng)轉(zhuǎn)換過(guò)分相方式自動(dòng)化程度高，對(duì)列車(chē)速度影響最小，綜合性能最好，且與機(jī)車(chē)類(lèi)型無(wú)關(guān)，但對(duì)控制器件精度和耐壓水平要求較高，在達(dá)到其技術(shù)水平或建設(shè)更高速度等級(jí)高速鐵路時(shí)可以采用該方式。

柱上開(kāi)關(guān)自動(dòng)斷電過(guò)分相方式是對(duì)器件式過(guò)分相方式的改良，能夠在一定程度上減少弓網(wǎng)電弧，但不能完全消除硬點(diǎn)。該方式的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且由于線路中電感的存在，在通過(guò)分相時(shí)會(huì)產(chǎn)生諧振過(guò)電壓，不符合高速鐵路發(fā)展的要求。

車(chē)載自動(dòng)斷電過(guò)分相方式與地面開(kāi)關(guān)自動(dòng)轉(zhuǎn)換和柱上開(kāi)關(guān)自動(dòng)控制斷電方式比較，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，投資少，可靠性高，便于維護(hù)檢修，為目前較符合我國(guó)高速鐵路發(fā)展要求的自動(dòng)過(guò)分相方式。

2 列車(chē)過(guò)分相過(guò)電壓分析

2.1 列車(chē)受電弓位置變化關(guān)系

列車(chē)過(guò)分相過(guò)程可以分解為列車(chē)進(jìn)入中性段（包括受電弓與中性段接觸時(shí)，受電弓離開(kāi)供電臂時(shí)），列車(chē)在中性段上運(yùn)行和列車(chē)離開(kāi)中性段（包括受電弓與供電臂接觸時(shí)、受電弓與中性線分離時(shí)）3個(gè)部分。列車(chē)過(guò)分相時(shí)受電弓位置變化如圖5所示。

圖5 列車(chē)過(guò)分相時(shí)受電弓位置變化

2.2 變電所出口處關(guān)節(jié)式電分相分析模型

關(guān)節(jié)式電分相模型如圖6所示。

圖6 關(guān)節(jié)式電分相模型

通過(guò)開(kāi)關(guān)S1、S2、S3的切換分析列車(chē)過(guò)分相時(shí)的轉(zhuǎn)換過(guò)程：（1）將開(kāi)關(guān)S1閉合，列車(chē)在過(guò)分相前受電弓與接觸線接觸；（2）將開(kāi)關(guān)S2閉合，受電弓第1次跨接接觸線和中性線；（3）斷開(kāi)開(kāi)關(guān)S1，S2仍然保持閉合狀態(tài)，受電弓與接觸線分離，僅與中性線接觸；（4）將開(kāi)關(guān)S2和S3同時(shí)閉合，受電弓第2次同時(shí)接觸接觸線和中性線；（5）將開(kāi)關(guān)S3閉合，開(kāi)關(guān)S2斷開(kāi)，受電弓僅與另外一相接觸線接觸，完成過(guò)分相過(guò)程。

2.3 仿真結(jié)果及分析

（1）受電弓第1次跨接中性線與接觸線瞬間。

按照合閘空載線路過(guò)電壓的計(jì)算方法，最大中性線瞬時(shí)對(duì)地電壓為

代入相關(guān)數(shù)據(jù)可得其最大幅值為

受電弓跨接接觸線和中性線發(fā)生在線路電流過(guò)零之前，產(chǎn)生的電弧可以保持兩線相連通。因?yàn)殡娀‰娮栎^小，此時(shí)接觸線和中性線之間的電壓近似相等，不會(huì)產(chǎn)生新的合閘過(guò)電壓。但如果受電弓跨接接觸線和中性線時(shí)，線路電流剛好過(guò)零，此時(shí)電弧熄滅后尚未重燃，等值電路阻抗為容性，電壓和電流相差90°，電壓的幅值為最大值，相當(dāng)于二次合閘，過(guò)電壓后果嚴(yán)重。

（2）受電弓第1次離開(kāi)中性線與接觸線同時(shí)接觸的瞬間。

受電弓第1次離開(kāi)接觸線與中性線同時(shí)接觸的暫態(tài)過(guò)程與受電弓進(jìn)入電分相的過(guò)程相似，此時(shí)中性線對(duì)地電容上的瞬時(shí)電壓表達(dá)式為

如果受電弓與接觸線斷開(kāi)時(shí)電源電壓為峰值，此時(shí)電流為容性，相位超前于電源電壓，由于此時(shí)電流為零，不會(huì)產(chǎn)生電弧。斷開(kāi)之后，列車(chē)和接觸線之間端口的電壓差越來(lái)越大，如果電源電壓經(jīng)過(guò)半個(gè)周期恢復(fù)到峰值，就會(huì)將空氣間隙擊穿，在牽引回路中產(chǎn)生振蕩電壓。理論上二次電弧合閘過(guò)電壓幅值的最大值為

C= -?-2m-m?

= -?-2×1.414×27.5-1.414×27.5?= -116.7kV

（3）受電弓第2次跨接中性線與接觸線。

在此期間，車(chē)頂互感器產(chǎn)生的電壓突變?nèi)菀自斐苫ジ衅饔苛鞯某霈F(xiàn)，該涌流使鐵磁線圈趨于飽和，電路中等效電感減小，將與回路中等效電容值接近，滿足鐵磁諧振條件，出現(xiàn)諧振過(guò)電壓。

3 過(guò)分相過(guò)電壓阻容保護(hù)及效果分析

列車(chē)過(guò)分相時(shí)電氣參數(shù)發(fā)生改變，當(dāng)滿足電路諧振條件時(shí)，電路中出現(xiàn)過(guò)渡過(guò)程，從而引發(fā)嚴(yán)重的過(guò)電壓。對(duì)于該過(guò)電壓的治理，可以通過(guò)加裝阻容保護(hù)裝置，改變電路中的自然諧振頻率，抑制高頻過(guò)渡過(guò)程，從而減小過(guò)分相過(guò)電壓。對(duì)于關(guān)節(jié)式電分相，可以在第3根支柱的田野側(cè)安裝阻容保護(hù)裝置，如圖7所示。該裝置的高壓出線連接到中性線上，過(guò)電壓釋放輸出線連接到回流線上，形成分相過(guò)電壓的釋放閉合回路。

分相阻容保護(hù)裝置投入前后的網(wǎng)壓波形如圖8所示?？梢钥闯?，安裝分相阻容保護(hù)裝置后，列車(chē)正線正常行駛時(shí)的網(wǎng)壓穩(wěn)定在接觸網(wǎng)額定電壓 25 kV左右；當(dāng)列車(chē)進(jìn)入關(guān)節(jié)式電分相時(shí)，電壓值迅速降低并逐漸減小，并使感應(yīng)電壓維持在3 kV左右；當(dāng)列車(chē)駛離電分相時(shí)，接觸網(wǎng)電壓又恢復(fù)到正常網(wǎng)壓25 kV左右。

圖7 阻容保護(hù)裝置安裝示意

圖8 阻容保護(hù)投入前后網(wǎng)壓波形比較

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，列車(chē)過(guò)分相的4個(gè)階段均會(huì)產(chǎn)生過(guò)電壓及電弧。在受電弓與接觸線、中性線跨接時(shí)會(huì)產(chǎn)生幅值較大的過(guò)電壓，而在受電弓與接觸線、中性線分離時(shí)過(guò)電壓的幅值不會(huì)很大，但電弧的重燃會(huì)使弓網(wǎng)跨接或分離的振蕩過(guò)電壓的幅值增大很多，可能將放電間隙擊穿，引起變電所跳閘。

針對(duì)列車(chē)過(guò)分相時(shí)產(chǎn)生過(guò)電壓引起變電所跳閘及放電間隙擊穿問(wèn)題，建議做好以下幾方面工作：（1）在接觸網(wǎng)電分相處設(shè)置過(guò)電壓保護(hù)裝置，并保證其狀態(tài)良好；（2）全面啟用過(guò)分相自動(dòng)斷電裝置，改人控為機(jī)控，并增設(shè)機(jī)車(chē)電器和受電弓過(guò)分相時(shí)過(guò)渡過(guò)程的數(shù)據(jù)（電壓、電流、電?。┍O(jiān)控裝置，通過(guò)科技手段確保安全；（3）將列車(chē)過(guò)分相斷、合電信號(hào)納入運(yùn)營(yíng)計(jì)劃管理，便于故障分析和改進(jìn)；（4）組織機(jī)車(chē)專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員對(duì)機(jī)車(chē)電路進(jìn)行系統(tǒng)分析，掌握過(guò)電壓機(jī)理，制訂相應(yīng)防范措施；（5）組織電磁方面的專(zhuān)家對(duì)過(guò)渡過(guò)程的電磁變化進(jìn)行分析并提出解決方案。

[1] 劉明光，路延安，魏宏偉，等. 關(guān)節(jié)式電分相過(guò)電壓試驗(yàn)研究[J]. 電氣化鐵道，2007（4）：15-17.

[2] 周福林，李群湛，賀建閩，等. 基于概率的機(jī)車(chē)過(guò)分相過(guò)電壓仿真實(shí)測(cè)及其機(jī)理研究[J]. 機(jī)車(chē)電傳動(dòng)，2012（6）：85-88.

[3] 李群湛，賀建閩. 牽引供電系統(tǒng)分析[M]. 成都：西南交通大學(xué)出版社，2015.

[4] 張寶奇，賈明漢. 錨段關(guān)節(jié)式電分相引起接觸網(wǎng)跳閘原因的探討[J]. 鐵道機(jī)車(chē)車(chē)輛，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.中鐵武漢電氣化局集團(tuán)有限公司北京分公司，工程師。