关节式电分相过电压的分析与研究

刘孟恺，武文星，张永祥

0 引言

国内电气化铁道采用单相工频交流牵引供电系统。为了平衡电力系统的A、B、C三相的负荷，牵引变电所对接触网一般要实行α、β相轮流供电，为了防止相间短路，α、β相之间要进行分开，即称之为电分相。机车在通过分相段时，要经历一个从有电到无电，再到有电的过程，在一系列操作中不可避免地将出现一系列操作过电压。过电压多次导致车顶保护间隙被击穿、车载微机系统死机、关节式电分相中性线和承力索烧损、车顶支持绝缘子和避雷器外绝缘烧毁、甚至牵引变电所跳闸，给铁路部门造成了巨大损失，严重影响到电气化铁道的安全运营。

在现阶段，自动过分相结构仍然是主要的过分相方式，锚段关节式电分相结构是近年来采取的主要形式，具有硬点小，通过平滑等优点。因此，本文重点研究锚段关节式电分相过电压。

1 关节式电分相结构与过分相过程

采用 2个锚段关节间的空气介质进行电气隔离的装置称为绝缘锚段关节式电分相。锚段关节式电分相的结构及其行车标志如图1所示。支柱b和支柱 c之间，接触线和中性线平行悬挂，间隔为500 mm，该处受电弓同时跨接2条线，一段时间后将过渡到只与中性线接触的状态，所以称为过渡区。同样，支柱f和支柱g之间也称为过渡区。支柱c和支柱f之间，由于没有任何电气连接，处于非带电状态，称为无电区。机车在整个电分相区域完全依靠惯性滑行。

图1 七跨绝缘锚段关节式电分相示意图

机车在进入中性段之前，将进行禁止双弓、断主断路器等一系列的准备工作，由于机车主断路器在过分相之前已经断开，整个过分相过程与机车主电路没有联系，只与受电弓及互感器有联系。

在图1中b处附近受电弓与中性段连接，并仍然与左供电臂的接触网连接，在该过程中将形成一个操作过电压；随着接触网的逐渐抬升，机车将离开接触网，而只与中性段连接，该时机车失电，在该过程中，将产生一个因开断感性负载引起的操作过电压，并可能激发谐振。经过几秒钟的滑行，进入右供电臂，该过程刚好与左侧相反，先在图1中g处附近与右供电臂连接，然后随着中性线的抬升而离开中性线。以上一系列操作过程引发的过电压过电流问题成为危害机车安全运行和供电系统可靠运行的主要因素之一，特别是在高速铁路中，过分相环节是整个供电系统的薄弱环节。

2 过电压的分析及仿真

2.1 过分相过程的数学模型

电力机车断电之后进入关节式电分相之前的简化电路模型如图2所示。

图2 电力机车通过关节式电分相等效电路图

电路中各参数意义如下：Ua和Ub为供电变压器电压；Rs和Ls分别为牵引变压器按戴维南电路等值折算后的电阻和电感；R1和L1分别为线路等效电阻和电感；R2和L2分别为中性段等效电阻和电感；C为受电弓对地电容；C2为中性段对地电容；C12和C22为带电接触网与中性段间的部分电容；L和R分别为高压电压互感器的电感和电阻。

根据电路原理列电压回路方程

（1）零输入响应。

求解得：

其中，ω为电源角频率；为电路的衰减系数；为电路的谐振角频率；U0为牵引网在中性线上的感应电压，中性段上感应电压有效值为11.79 kV，仅相位角不同。

（2）零状态响应。

其中，φ为电源电压的初相角，求解得：

由叠加原理可得电压的表达式：

对式（5）利用导数求最大值，可得中性线电压最大值与电力机车入分相时的相角关系，如表1所示。

表1 中性线电压最大值与相角关系表

中性线上电压最大值与击穿时接触网电压相位角关系曲线如图3所示。

图3 中性线电压最大值随相位角关系曲线图

2.2 过分相过程的仿真

利用MATLAB/Simulink仿真软件对电力机车过关节式电分相的暂态过程进行仿真，结果表明，接触网电压相位角φ= 100°和φ= 280°时，中性段上的电压出现最大值，电压波形如图4和图5所示。

图4 φ = 100°时中性段电压波形图

图5 φ = 280°时中性段电压波形图

由图 4看出，仿真结果与数学模型结果相符合，中性段的电压值与电力机车进入中性段时的接触网电压相位角有关，当φ= 100°和φ= 280°时，中性段的电压最大，最大值为66.25 kV，由于牵引供电接触网额定电压有效值为 27.5 kV，最大值为38.891 kV，该时中性段上过电压达到牵引供电接触网电压峰值的1.71倍，额定电压的2.41倍。若考虑大于接触网正常峰值电压的1.5倍即60 kV的电压为过电压，则相位角φ在70°～120°以及250°～300°两范围时，中性段上发生谐振，关节式电分相结构中性段上会产生过电压。

3 过电压抑制方法

由以上分析可知，避免产生过高的操作过电压的根本措施在于抑制谐振，或者释放中性段上的能量。通过在中性段安装阻容保护器，改变电路的结构参数，让振荡电路变成无振荡电路，能够有效地抑制电力机车通过关节式电分相时产生的过电压。当保护装置未接入时，这是一个欠阻尼振荡频率很高的电路，当加入了保护电路以后，整个电路参数发生了改变，如果保护电路的电容取值较大，则电路的振荡频率将会下降，同时由于加入了电阻，电路将由欠阻尼状态变为临界阻尼或者过阻尼状态，电路的过电压将会变小或者不产生过电压。

4 结论

本文以七跨绝缘锚段关节式电分相为例，分析了电力机车过电分相产生过电压的原因，对过电分相的暂态过程进行了计算，并使用MATLAB软件对该过程进行了仿真。分析表明：仿真结果与理论分析计算相吻合。最后提出了限制电力机车过电分相过电压的保护措施。

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