陳明忠

（南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南京 210031）

電氣化鐵道供電系統(tǒng)幾種典型過(guò)電壓的分析與比較

陳明忠

（南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南京 210031）

牽引供電系統(tǒng)的過(guò)電壓?jiǎn)栴}是系統(tǒng)安全運(yùn)行的一個(gè)十分重要的問(wèn)題，供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與運(yùn)行方式有其特殊性，過(guò)電壓?jiǎn)栴}尤為突出。本文對(duì)牽引供電系統(tǒng)出現(xiàn)的幾種典型的過(guò)電壓進(jìn)行了比較與分析，提出相應(yīng)的安全保障措施和建議，對(duì)提高系統(tǒng)的安全性與可靠性具有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。

供電系統(tǒng)；安全；過(guò)電壓；分析

隨著高速電氣化鐵道技術(shù)的快速發(fā)展，牽引供電系統(tǒng)過(guò)電壓?jiǎn)栴}逐步突出。大氣過(guò)電壓曾一度使供電系統(tǒng)發(fā)生事故，中斷供電。此外，供電系統(tǒng)運(yùn)行中也會(huì)產(chǎn)生過(guò)電壓，這種來(lái)源于系統(tǒng)內(nèi)部的操作過(guò)電壓往往會(huì)導(dǎo)致設(shè)備故障，嚴(yán)重影響供電系統(tǒng)安全。不僅如此，受電弓在與接觸網(wǎng)耦合取流過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生暫態(tài)過(guò)電壓，會(huì)引起支柱絕緣子或母線絕緣子閃絡(luò)等故障，引起變電所斷路器動(dòng)作跳閘。本文對(duì)電氣化鐵道牽引供電系統(tǒng)出現(xiàn)的幾種典型過(guò)電壓出現(xiàn)的條件與物理過(guò)程進(jìn)行了分析，并對(duì)京滬線某段的過(guò)電壓進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，提出相應(yīng)的防護(hù)措施與建議，對(duì)理解和掌握供電系統(tǒng)過(guò)電壓規(guī)律，保障供電系統(tǒng)安全運(yùn)行有非常重要的意義。

1 幾種典型的過(guò)電壓

1.1 大氣過(guò)電壓

大氣過(guò)電壓有稱為系統(tǒng)外部過(guò)電壓，是由雷電作用于供電設(shè)備引起。接觸網(wǎng)設(shè)備一般露天布置在野外，容易遭受到雷擊而發(fā)生事故。架空地線和避雷器的使用在一定程度上減少雷擊概率是有幫助的，但雷害事故時(shí)有發(fā)生[1]。牽引變電所的露天設(shè)備雖然在避雷針的保護(hù)范圍內(nèi)，但現(xiàn)實(shí)的情況是避雷器在雷季動(dòng)作次數(shù)明顯偏多，高壓側(cè)一次設(shè)備遭受雷擊的事故也不鮮見(jiàn)[2]。大氣過(guò)電壓作為電氣化鐵道供電系統(tǒng)的一種典型的過(guò)電壓已經(jīng)越來(lái)越引起人們的重視。

雷電作用于供電設(shè)備有兩種形式，一種是雷直擊供電設(shè)備造成故障。另一種是雷擊設(shè)備附近（一般在65m以內(nèi)）使雷電通道鄰近設(shè)備遭受到感應(yīng)過(guò)電壓。當(dāng)有大氣過(guò)電壓出現(xiàn)時(shí)，通常容易出現(xiàn)的是絕緣閃絡(luò)故障，引起斷路器跳閘。大氣過(guò)電壓持續(xù)的時(shí)間相當(dāng)短，一般都在100以內(nèi)。如果設(shè)備絕緣介質(zhì)電氣強(qiáng)度得以恢復(fù)，工頻電弧在自動(dòng)重合閘動(dòng)啟動(dòng)前熄滅，則重合閘重合成功的概率將大為提高。

1.2 接觸網(wǎng)空載分閘過(guò)電壓

對(duì)于接觸網(wǎng)“天窗”檢修作業(yè)來(lái)說(shuō)，空載線路分閘幾乎在每次倒閘作業(yè)時(shí)都要發(fā)生。牽引變電所饋線斷路器一般都采用的是真空斷路器，如果斷路器在分?jǐn)嗫蛰d接觸網(wǎng)容性電流時(shí)發(fā)生了重?fù)舸?，則過(guò)電壓產(chǎn)生不可避免。對(duì)于一般普通三相電力線路來(lái)說(shuō)，真空斷路器發(fā)生重?fù)舸┑母怕试?%以內(nèi)[3]，對(duì)于空載切除接觸網(wǎng)重?fù)舸┑母怕誓壳斑€缺乏研究。但過(guò)電壓一旦發(fā)生在設(shè)備條件最不利的情況下，則可能釀成供電事故。接觸網(wǎng)空載分閘產(chǎn)生過(guò)電壓過(guò)程可以用如下圖1中電路進(jìn)行描述。在圖1中，接觸網(wǎng)線路的對(duì)地分布電容Cj與等效分布電感Lj，系統(tǒng)的電阻為R，電源電勢(shì)E，QF為真空斷路器。

圖1 接觸網(wǎng)空載分閘的等值電路

在斷路器分閘的 t0時(shí)刻，在最不利的情況下電流 ijc位于零點(diǎn)，即而此刻的弧隙電壓為27.5kV母線（E為電源電勢(shì)）電壓峰值。如果此刻真空斷路器發(fā)生了重?fù)舸?，電弧過(guò)零后重新燃燒的電弧將激發(fā)頻率較高的震蕩，震蕩頻率ω由線路的分布參數(shù)決定，通常Cj與Lj都很小且受接觸網(wǎng)布置方式與供電方式等因素影響較大。因此震蕩頻率ω?cái)?shù)值很高，可達(dá)到數(shù)千赫茲。仿真與計(jì)算表明，在大多數(shù)的情況下，高頻電弧電流過(guò)零后并不熄滅，而工頻電弧在下一個(gè)周期過(guò)零時(shí)刻熄滅。如圖2所示為某一次典型的接觸網(wǎng)空載分閘過(guò)電壓波形。在圖2中，t0時(shí)刻饋線真空斷路器分閘，工頻電弧電流ijc過(guò)零后重新燃燒，此刻產(chǎn)生了高頻震蕩過(guò)電壓。

圖2 接觸網(wǎng)空載分閘過(guò)電壓的波形

1.3 接觸網(wǎng)重合閘過(guò)電壓

對(duì)于接觸網(wǎng)空載合閘的情況，多發(fā)生在“天窗”作業(yè)結(jié)束消令送電時(shí)刻。但此時(shí)接觸網(wǎng)對(duì)地分布電容儲(chǔ)存電荷已在掛接地線時(shí)充分釋放，故空載合閘的充電過(guò)程一般不會(huì)產(chǎn)生過(guò)電壓。但如果自動(dòng)重合閘啟動(dòng)，則情況就會(huì)有很大的不同。無(wú)論是送合閘電，還是發(fā)生瞬時(shí)故障，當(dāng)饋線自動(dòng)重合閘動(dòng)作時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生過(guò)電壓。這也成為電氣化鐵路供電系統(tǒng)的一種典型的過(guò)電壓。這個(gè)過(guò)電壓一般不會(huì)危及供電系統(tǒng)的安全運(yùn)行，但當(dāng)系統(tǒng)的絕緣有缺陷或存在薄弱點(diǎn)時(shí)，則可能造成重合閘失敗，中斷供電。

由于接觸網(wǎng)線路上電容電荷的存在，接觸網(wǎng)上將有一個(gè)電壓U0，U0也可認(rèn)為是重合閘動(dòng)作前電源對(duì)線路的充電電壓。如果U0的方向和電源充電電壓方向此刻相同，則不會(huì)產(chǎn)生過(guò)電壓。但在最一般的情況下，U0與電源的充電電壓相位不同，此刻在合閘瞬間線路上會(huì)產(chǎn)生高頻震蕩的過(guò)電壓。

這個(gè)過(guò)電壓也是電氣化鐵路供電系統(tǒng)中的一種典型過(guò)電壓。在最嚴(yán)重的情況下，U0的方向與重合閘動(dòng)作時(shí)刻電源電壓的方向相反（相位角差π）且在線路空載時(shí)，這個(gè)過(guò)電壓的幅值將達(dá)到最大值。如果考慮到并聯(lián)無(wú)功補(bǔ)償裝置補(bǔ)償電容Cs和串聯(lián)電抗器 Ls的影響[4]，則過(guò)電壓產(chǎn)生的震蕩頻率會(huì)減小，同時(shí)過(guò)電壓產(chǎn)生的幅值要增大。

1.4 弓網(wǎng)離線瞬態(tài)過(guò)電壓

對(duì)于電氣化鐵路來(lái)說(shuō)，弓網(wǎng)之間的耦合關(guān)系是這個(gè)系統(tǒng)最重要的關(guān)系之一。在受電弓（取流器）與接觸導(dǎo)線機(jī)械摩擦取流的過(guò)程中，會(huì)由于各種原因（如受電弓通過(guò)分段絕緣器、接觸網(wǎng)彈性的突變點(diǎn)、設(shè)備施工與安裝中的硬點(diǎn)等）會(huì)出現(xiàn)間歇性的離線。在機(jī)車帶負(fù)荷運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生離線，這在運(yùn)行過(guò)程中幾乎不可避免。發(fā)生離線產(chǎn)生的高頻電弧電流，往往會(huì)引起機(jī)車與供電系統(tǒng)的過(guò)電壓[5]。這個(gè)過(guò)電壓不僅給供電系統(tǒng)造成直接威脅，還會(huì)使機(jī)車受電弓絕緣子閃絡(luò)，甚至造成機(jī)車內(nèi)部元件的損壞，因此這也是電氣化鐵路的一種典型的過(guò)電壓。這種過(guò)電壓形成的物理過(guò)程可以用圖3等效電路模型來(lái)說(shuō)明。

圖3中LM為電力機(jī)車等值電感，K表示機(jī)車受電弓與導(dǎo)線的接觸點(diǎn)，Ls與cs為無(wú)功補(bǔ)償裝置的電感與電容。當(dāng)K點(diǎn)有離線電弧產(chǎn)生時(shí)，負(fù)荷電流以高頻電弧電流的形式向機(jī)車等值電感LM供電。此刻電路的狀態(tài)可由下列狀態(tài)方程描述：

設(shè) t=0時(shí)刻發(fā)生了離線，式（1）的解式（2）的波形為如圖4所示。

圖4 弓網(wǎng)離線過(guò)電壓的波形

2 過(guò)電壓的分布

通過(guò)以上分析可知，電氣化鐵道供電系統(tǒng)在日常運(yùn)行中會(huì)經(jīng)常會(huì)有過(guò)電壓的情況發(fā)生。外部大氣過(guò)電壓（雷閃過(guò)電壓）發(fā)生主要與當(dāng)?shù)氐睦纂娏鞲怕史植枷嚓P(guān)，也和接觸網(wǎng)與變電所的布置方式有關(guān)。按照有關(guān)規(guī)程規(guī)范要求，在設(shè)計(jì)與施工安裝過(guò)程中應(yīng)充分考慮此類過(guò)電壓以減小雷電造成設(shè)備故障的概率。

以京滬線上海鐵路局 2011年全年統(tǒng)計(jì)的大氣過(guò)電壓71次，其中53次引起變電所跳閘，其分布情況如圖5所示。

圖5 大氣過(guò)電壓分布

由圖5可見(jiàn)，大氣過(guò)電壓的分布與當(dāng)?shù)乩纂娀顒?dòng)相關(guān)，在華東地區(qū)的春夏季節(jié)，發(fā)生雷擊供電系統(tǒng)設(shè)備的情況尤為突出。圖5的統(tǒng)計(jì)分布與當(dāng)?shù)貧庀蟛块T的記錄的相差較大，但季節(jié)相關(guān)特征是相似的。從目前的技術(shù)水平來(lái)看，主要根據(jù)避雷器動(dòng)作情況和雷擊設(shè)備故障情況統(tǒng)計(jì)供電系統(tǒng)的雷擊次數(shù)。對(duì)于每一次雷擊過(guò)程雷電流的幅值是無(wú)法得知的，只能由當(dāng)?shù)氐睦纂娏鞣植嫉母怕屎瘮?shù)來(lái)分析，這對(duì)于確定供電系統(tǒng)設(shè)備的耐雷水平非常重要。

對(duì)于其它類型的內(nèi)部過(guò)電壓，則需根據(jù)具體的設(shè)備條件與運(yùn)行方式結(jié)合運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)加以統(tǒng)計(jì)分析。以京滬線某段電氣化鐵路為例，對(duì) 2006年 2月至2009年 10月左右的典型過(guò)電壓進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，情況如圖6所示。

根據(jù)圖6的統(tǒng)計(jì)分布情況可得出，在供電系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中各種典型的過(guò)電壓都會(huì)出現(xiàn)，其幅值的標(biāo)幺值分布區(qū)間為1.1p.u至2.2p.u的較大范圍內(nèi)。另一方面，大多數(shù)的內(nèi)部典型過(guò)電壓分布在 1.3p.u中心附近。對(duì)于接觸網(wǎng)空載分閘與重合閘過(guò)電壓，在多數(shù)情況下不會(huì)大于 1.3p.u，而弓網(wǎng)離線過(guò)電壓則分布較分散，最大值可達(dá) 2.2p.u，可引起機(jī)車與變電所設(shè)備故障，應(yīng)予以重視。

3 結(jié)論

電氣化鐵道供電系統(tǒng)是結(jié)構(gòu)特殊的大電流接地系統(tǒng)，過(guò)電壓的產(chǎn)生也有其固有的特點(diǎn)，在運(yùn)行中各種典型的過(guò)電壓都會(huì)出現(xiàn)，幅值的大小和出現(xiàn)的概率分布都與整個(gè)供電系統(tǒng)內(nèi)外部的條件密切相關(guān)。通過(guò)本文對(duì)各種典型過(guò)電壓的比較與分析，應(yīng)該承認(rèn)過(guò)電壓是系統(tǒng)運(yùn)行中普遍存在的，但過(guò)電壓的發(fā)生并不一定導(dǎo)致供電系統(tǒng)故障。建議設(shè)計(jì)部門要根據(jù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與運(yùn)行特點(diǎn)充分考慮過(guò)電壓的相容性，在條件許可的情況下宜提高供電系統(tǒng)的絕緣水平和耐雷水平，這對(duì)于防止過(guò)電壓對(duì)系統(tǒng)造成危害十分重要。對(duì)于運(yùn)營(yíng)部門，則要保證供電設(shè)備處于良好的運(yùn)行狀態(tài)下，避免設(shè)備出現(xiàn)“不利條件組合”而發(fā)生過(guò)電壓事故。同時(shí)宜在變電所恰當(dāng)位置安裝過(guò)電壓在線監(jiān)測(cè)與記錄裝置，提高過(guò)電壓的安全管理技術(shù)水平。

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Comparison and Analysis of Several Typical Over-voltage for Electrified Railway Power Supply Systems

Chen Mingzhong
(Nanjing Institute of Railway Technology, Nanjing 210031)

The overvoltage problem of traction power supply system is a very important problem to the safe operation of the system. Overvoltage problem highlight its feature because of the power supply system’s particularity of structure and operation mode. Several appeared in traction power supply system of the typical over-voltage are compared and analyzed, the security measures and suggestions, to improve the safety and reliability of the system has strong practical significance.

power supply system; safety; overvoltage; analysis

江蘇省“青藍(lán)工程”資助項(xiàng)目（RL13002）

陳明忠（1974-），男，江蘇揚(yáng)州人，目前在南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院從事強(qiáng)電方面的科研與教學(xué)工作。