魏曉娟，王洪濤，吳羽生

0 引言

為了平衡電網(wǎng)三相電流，國內(nèi)電氣化鐵道采取了分相分段供電的方式。為了防止相間短路，接觸網(wǎng)上每隔25～30 km 就必須裝設(shè)一組錨段關(guān)節(jié)式電分相裝置[1]。隨著鐵路速度的提升，在建高速和改造的線路都采用了自動過分相裝置，以保證列車能夠順利通過電分相。然而，在列車實(shí)際運(yùn)營中發(fā)現(xiàn)，電力機(jī)車在通過關(guān)節(jié)式電分相時，仍然多次發(fā)生過電壓現(xiàn)象，其可靠性和穩(wěn)定性都存在一定問題，一旦出現(xiàn)機(jī)車帶電闖過電分相的事故，將會使受電弓、分相裝置受損，嚴(yán)重時將造成接觸網(wǎng)燒損、中斷鐵路運(yùn)輸，給鐵路安全運(yùn)行帶來嚴(yán)重的后果。因此，研究穩(wěn)定、可靠的自動過分相方案仍然是現(xiàn)在學(xué)者迫在眉睫的工作。

1 問題的提出

國內(nèi)外研究過的自動過分相方案主要有3 種：（1）柱上開關(guān)自動斷電過分相方案；（2）車載自動控制斷電過分相方案；（3）地面開關(guān)自動切換過分相方案。根據(jù)國內(nèi)情況，方案（1）在國內(nèi)并沒有推廣，相比于車載過分相方案，地面開關(guān)自動切換過分相方案不需要分?jǐn)嘀鲾嗦菲鳎瑹o供電死區(qū)，列車速度損失小，是最理想的一種方案[2]，然而，該方案最大的缺點(diǎn)是采用真空斷路器作為切換開關(guān)會產(chǎn)生較高合閘過電壓，影響鐵路的安全運(yùn)行。若能解決真空斷路器切換帶來的過電壓問題，那么地面開關(guān)自動過分相方案將會更加滿足國內(nèi)鐵路高速發(fā)展的需要。文獻(xiàn)[2]和文獻(xiàn)[3]曾研究過一種采用變壓器升壓-降壓式的地面自動過分相方案，但該方案引入了3 臺變壓器，系統(tǒng)復(fù)雜，投資成本大，維修不方便。因此，本文提出一種改進(jìn)簡單、維修方便的地面自動過分相方案，以解決真空開關(guān)切換帶來的過電壓等暫態(tài)問題。

2 地面自動過分相方案研究

2.1 地面自動過分相方案原理

地面開關(guān)自動切換過分相裝置主要組成部分有：地面?zhèn)鞲衅?、車頭感應(yīng)器、室內(nèi)控制器和切換開關(guān)。其方案示意圖如圖1 所示，其中K1、K2為真空負(fù)荷開關(guān)。假設(shè)列車L 從α 相駛來到CG1處時，K1閉合，中性段由α 相供電。列車駛?cè)胫行远蔚竭_(dá)CG3處時，K1斷開，然后K2迅速閉合，此時中性段由β 相供電，機(jī)車不做任何操作通過過渡區(qū)。待機(jī)車駛離CG4處時，K2斷開，裝置恢復(fù)原始狀態(tài)，為下一列機(jī)車過分相做好準(zhǔn)備，這樣該列車完成自動過分相過程。

圖1 地面自動過分相方案示意圖

2.2 真空開關(guān)操作過電壓

真空開關(guān)在開斷時，其動靜觸頭間將出現(xiàn)真空電弧，當(dāng)電弧熄滅后，真空間隙成為絕緣介質(zhì)后，開關(guān)開斷完成。該過程中，電弧由導(dǎo)體轉(zhuǎn)為絕緣體的過渡過程稱為介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)過程，如果介質(zhì)強(qiáng)度大于恢復(fù)電壓，則電弧熄滅，開斷成功，反之，如果介質(zhì)強(qiáng)度小于恢復(fù)電壓，則真空間隙擊穿，電弧重燃，產(chǎn)生二次重合閘過電壓[4]。

地面自動過分相方案產(chǎn)生過電壓的根本原因是由于真空負(fù)荷開關(guān)帶負(fù)荷操作產(chǎn)生的過電壓：（1）列車行駛到CG1時，K1閉合，此時，將中性線連接到接觸網(wǎng)上，相當(dāng)于空載線路合閘的過程，中性線對地電容與列車高壓互感器電感參數(shù)匹配產(chǎn)生振蕩電壓疊加在工頻電壓上引起過電壓。（2）列車到CG3處時，K1斷開，K2閉合，產(chǎn)生類似于變壓器空載合閘的過電壓現(xiàn)象。

2.3 過分相過電壓暫態(tài)分析

列車過電分相等效電路圖見圖2（開關(guān)K1閉合）。其中US為牽引供電電壓源，RS、LS分別為牽引變壓器等效電阻和電感，R1、L1分別為接觸網(wǎng)的等效電阻和電感，RZ、LZ分別為中性段的等效電阻和電感，CZ為中性線對地等效電容，C1Z為中性線和接觸網(wǎng)之間的等效電容，Cm為受電弓對地等效電容，Lm為高壓互感器等效電感。

圖2 列車過電分相等效電路圖

根據(jù)計算，易知Lm很大，Cm遠(yuǎn)小于CZ，因此忽略Lm和Cm，若令L = LS1+ L1+ LZ；R= RS1+R1+ RZ；C = C2，可得回路方程：

根據(jù)電路知識，常系數(shù)的二階線性非齊次微分方程式的全響應(yīng)可以由零輸入響應(yīng)和零狀態(tài)響應(yīng)疊加得到。

（1）零輸入響應(yīng)：即輸入電源為零，得方程式解特征根得

式中，U0為中性段感應(yīng)電壓，牽引變壓器為Ynd11或V/v 接線方式（兩相電壓相位差120°）時，；為平衡變壓器接線方式（兩相電壓相位差90°）時，。

（2）零狀態(tài)響應(yīng)：設(shè)牽引供電電壓源uS=Umsin(ωt + φ)，ω為電源角頻率，φ為電源的初相角，得方程式

求解可得零狀態(tài)響應(yīng)解為

其中

（3）全響應(yīng)：將式（3）與式（5）相加，可得式（1）的全響應(yīng)解為

從式（6）可以看出，中性線上過電壓uC(t)與列車進(jìn)入中性段時，牽引供電電源初相角φ和中性線上感應(yīng)電壓U0有關(guān)。由于列車過分相時刻是隨機(jī)的，因此φ的取值也是不確定的，不同的φ值，將產(chǎn)生不同的過渡過程。

3 開關(guān)并聯(lián)電阻地面自動過分相方案

為了限制真空斷路器切換引起的過電壓，本文提出一種開關(guān)并聯(lián)電阻地面自動過分相方案，如圖3 所示。

圖3 開關(guān)并聯(lián)電阻地面自動過分相方案示意圖

在開關(guān)中增加一個并聯(lián)電阻R 和一對輔助觸頭，使開關(guān)的合閘分為2 個階段：若要合開關(guān)K1，則首先將觸頭K12先接通，將并聯(lián)電阻R 串入回路，經(jīng)過一個短暫時間后再將主觸頭K11閉合，將并聯(lián)電阻短接，完成合閘的操作。由于電阻的阻尼作用，可以加速振蕩過程的衰減，使過電壓幅值減小，得到有效的抑制。

關(guān)于R 取值的大小，需要分析2 個方面，一方面合上K12時，將R 串入回路，R 應(yīng)越大，這樣，振蕩電路的衰減就越快，過電壓越小，R = 0 時，相當(dāng)于無并聯(lián)電阻合閘，最大過電壓為Um。另一方面，合上K11時，R 越大，過電壓也越大，R→∞時，相當(dāng)于無并聯(lián)電阻合閘，其最大過電壓也為Um。由此得到圖4 所示的曲線圖，R 取其交點(diǎn)α處附近值，過電壓最低，抑制效果最好。

圖4 并聯(lián)電阻R 曲線圖

4 開關(guān)并聯(lián)電阻地面自動過分相方案仿真

列車過分相過程有2 個階段。第1 階段：列車由接觸網(wǎng)“帶電”狀態(tài)過渡到中性段“無電”狀態(tài)；第2 階段：列車離開中性段時刻，列車由中性段“無電”狀態(tài)過渡到接觸網(wǎng)“帶電”狀態(tài)。第2 階段與第1 階段的分析方法相同，僅僅是列車位置有所改變，由于篇幅原因，本文僅對列車進(jìn)中性段時刻的暫態(tài)過電壓進(jìn)行分析，列車出電分相時刻的研究方法由此類推。根據(jù)圖2 所示的等效電路圖，選取電分相位置兩端牽引變壓器為Ynd11 或V/v 接線方式（左右供電臂電壓相位差φ = 120°）為例，運(yùn)用Matlab/Simulink 仿真軟件進(jìn)行分析，得出結(jié)果：機(jī)車進(jìn)入中性段時，在牽引供電電源初相角φ = 90°和φ = 270°時，中性線電壓UC幅值最大，其仿真研究如下。

（1）牽引供電電源初相角φ = 90°，列車進(jìn)入中性段時，采用真空負(fù)荷開關(guān)和開關(guān)并聯(lián)電阻地面自動過分相方案，中性線電壓波形如圖5 和圖6 所示。

圖5 φ = 90°真空負(fù)荷開關(guān)過分相中性線電壓波形圖

圖6 φ = 90°開關(guān)并聯(lián)電阻過分相中性線電壓波形圖

（2）牽引供電電源初相角φ = 270°時，電力機(jī)車進(jìn)入中性段時，采用真空負(fù)荷開關(guān)和開關(guān)并聯(lián)電阻地面自動過分相方案，中性線電壓波形如圖7 和圖8 所示。

圖7 φ = 270°真空負(fù)荷開關(guān)過分相中性線電壓波形圖

圖8 φ = 270°開關(guān)并聯(lián)電阻過分相中性線電壓波形圖

從圖5～圖8 的仿真波形比較中，可以看出，開關(guān)并聯(lián)電阻地面自動過分相方案，由于引入了并聯(lián)電阻R，利用電阻的阻尼作用，可以有效地限制開關(guān)合閘過電壓，保證列車安全穩(wěn)定地過電分相。

5 結(jié)論

本文通過對地面自動過分相方案的分析，提出了一種開關(guān)并聯(lián)電阻地面自動過分相方案，通過Matlab/Simulink 仿真軟件分析，該方案能夠很好地抑制開關(guān)切換帶來的暫態(tài)過電壓問題，可以保證列車順利通過電分相。此外，該方案僅需要對真空負(fù)荷開關(guān)部分進(jìn)行改進(jìn)，其余列車控制和感應(yīng)裝置等部分不需要任何改動，投資成本低，易于實(shí)現(xiàn)。

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