王小君 畢成杰 金 程 姚 超

電氣化鐵路不停電過分相電磁暫態(tài)及抑制措施研究

王小君1畢成杰2金 程1姚 超1

（1. 北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院 北京 100044 2. 國網(wǎng)北京豐臺供電公司 北京 100073）

列車不停電過分相時，存在過電壓和過電流現(xiàn)象，給電氣化鐵路帶來不利影響。該文結(jié)合仿真數(shù)據(jù)研究了不同暫態(tài)過程中的過電壓水平特性，分析了開關(guān)操作相角對過電壓幅值的影響，研究了合閘角度、分相位置、剩磁大小等因素對過分相時的勵磁涌流的影響程度。最后，針對不停電過分相過程，提出了三種過分相的優(yōu)化策略及抑制措施，從控制難度、投資成本、抑制效果方面進(jìn)行比較后確定了晶閘管與阻容吸收裝置搭配是最適合不停電過分相的優(yōu)化策略。

過分相 過電壓 勵磁涌流 抑制措施

0 引言

現(xiàn)行電氣化鐵路中，為使單相的牽引負(fù)荷在三相電力系統(tǒng)中盡可能均勻分配，牽引網(wǎng)采用了輪換相序、分相分區(qū)供電的方案[1-2]。為避免在換相時列車發(fā)生相間短路，分相分區(qū)處用絕緣器件或絕緣錨段關(guān)節(jié)分割相鄰供電區(qū)，形成電分相，稱作中性段（即為電分相）。過分相即為列車行駛過中性段的過程，目前最常見的過分相方式是車載式自動過分相，該方式需要多次列車主斷路器動作，并存在過中性段時列車無牽引電流導(dǎo)致列車降速和無法達(dá)到運載量期望值的問題。機車過分相時保持持續(xù)供電的地面式不停電過分相技術(shù)是未來發(fā)展的趨勢[3]。以三菱公司為代表的基于高壓晶閘管閥組的帶電過分相系統(tǒng)和以日本“明電舍”為代表的使用機械開關(guān)帶電過分相系統(tǒng)[4]是目前比較常見的不停電過分相裝置，但是它們?nèi)源嬖诙虝r失電，實際運行效果并不理想[5]。2017年，由中國中車承擔(dān)的“先進(jìn)軌道交通”國家重點研發(fā)計劃項目對“虛擬同相柔性供電技術(shù)”開展了技術(shù)研究與示范，提出了一種柔性不斷電過分相裝置，具有較好的先進(jìn)性，但是尚未規(guī)?；瘧?yīng)用。

在帶電過分相的整個過程中，列車從一個穩(wěn)定狀態(tài)切換到另一個穩(wěn)定狀態(tài)，電氣量不斷變化，錨段關(guān)節(jié)處往往伴隨過電壓、過電流的暫態(tài)過程，可能引發(fā)燒毀車頂設(shè)備等安全問題[6-8]。所以列車過分相的暫態(tài)過程分析及其抑制措施研究十分重要。

地面式自動過分相采用錨段關(guān)節(jié)式的電分相結(jié)構(gòu)，在圖1中，Q1、Q2是在絕緣錨段關(guān)節(jié)側(cè)起連接作用的真空開關(guān)，用于接通與斷開中性段和其兩側(cè)的接觸網(wǎng)，CG1~CG4是在地上安裝的傳感器，用于監(jiān)測機車的位置信息然后向開關(guān)發(fā)送控制信號，JY1、JY2代表分相區(qū)。通常Q1和Q2都保持?jǐn)嚅_，中性段處于不帶電狀態(tài)。機車從左向右行駛，當(dāng)接近傳感器CG1時，傳感器向開關(guān)Q1發(fā)送控制信號使其連通，這時A相供電臂向中性段提供牽引電流，當(dāng)傳感器CG2周圍監(jiān)測到機車接近時，傳感器立即向開關(guān)Q1發(fā)送控制信號使其斷開，并在較短時間后向開關(guān)Q2發(fā)送控制信號使其閉合，這時B相供電臂給中性段提供牽引電流。機車過分相時保持持續(xù)受流，并且沒有增加對于機車的控制[9-10]，所以這也被叫作機車不停電過分相。

圖1 地面式自動過分相

不停電過分相方式無需對機車操作，列車失電時間短，速度損失小，適用于我國多車型的復(fù)雜鐵路系統(tǒng)。其缺點是整個過程比較依賴開關(guān)的帶負(fù)荷切換，對開關(guān)的機械和電氣壽命要求較高，所以要考慮開關(guān)的在線備份和檢修，投資較大；另外開關(guān)切換時可能出現(xiàn)較高過電壓和過電流，對車網(wǎng)的運行形成嚴(yán)重威脅。

不間斷過分相方式通過控制開關(guān)切換時間，可減少電弧產(chǎn)生，減少對弓網(wǎng)的沖擊[11]。文獻(xiàn)[12]對于機車經(jīng)過錨段節(jié)點的動態(tài)過程進(jìn)行了詳盡的分析。文獻(xiàn)[13]搭建了受電弓、牽引網(wǎng)和機車高壓互感器等效模型；文獻(xiàn)[14]仿真分析了過分相的分合閘過程，并對各個過程中的過電壓大小進(jìn)行了分析。文獻(xiàn)[15]主要分析了分閘時電流突變引起的截斷過電壓和合閘產(chǎn)生的合閘過電壓的產(chǎn)生原理。文獻(xiàn)[16]提出一種新型柔性不斷電過分相方案，使中性段電壓可在兩個供電臂之間柔性過渡，消除機車的供電死區(qū)。文獻(xiàn)[17]通過改變HXD3型機車系統(tǒng)的電路參數(shù)，改善系統(tǒng)阻尼比，抑制過電壓的出現(xiàn)。整體上，上述研究缺少勵磁涌流對過分相系統(tǒng)影響的分析，對不同抑制裝置的橫向分析比較也顯得不足。

本文基于地面式不停電過分相方式，研究了過分相的暫態(tài)過程，分析過電壓的相關(guān)影響因素與產(chǎn)生機理，并且優(yōu)化列車過分相過程，使列車能夠可靠、安全、穩(wěn)定地通過分相區(qū)。

1 列車不停電過分相過程的理論分析

在開關(guān)動作過程中，列車不停電過分相系統(tǒng)可能產(chǎn)生高幅值、大能量、短時持續(xù)的過電壓及過電流，并且可能伴隨幅值振蕩現(xiàn)象[18]。根據(jù)實際中機車不停電過分相的開關(guān)動作情況和原理[19]，構(gòu)建列車不停電過分相的結(jié)構(gòu)，其等效電路如圖2所示。

圖2 列車不停電過分相的等效電路

圖2中，S1、S2、S3是為了改變列車位置而設(shè)置的開關(guān)，Q1、Q2為連接中性段和供電臂的開關(guān)。a、b為兩側(cè)供電臂的牽引電源，la、lb、la、lb分別為兩側(cè)供電臂的等效電阻和電感，sa、sb、sa、sb分別為兩側(cè)牽引變壓器的等效電阻與電感，an、bn為中性段和供電臂之間的線間電容，la、lb為供電臂的等效電容，n、n、n分別為中性段的等效電阻、電感和對地電容，中性段使用“T”形電路等效。

對列車過分相的暫態(tài)過程作如下劃分。暫態(tài)過程一：閉合開關(guān)Q1，供電臂a和中性段相連，列車在供電臂a上運行；暫態(tài)過程二：斷開開關(guān)Q1，供電臂a和中性段分離，列車在中性段上運行；暫態(tài)過程三：閉合開關(guān)Q2，供電臂b和中性段連接，列車在中性段上運行；暫態(tài)過程四：斷開開關(guān)Q2，供電臂b和中性段分離，列車在供電臂b上運行。

在帶載分閘暫態(tài)過程中，截流過電壓與開關(guān)分閘時的電流相位及設(shè)置的系統(tǒng)參數(shù)有關(guān)。當(dāng)變壓器的勵磁電流在相位90°時斷開開關(guān)，過電壓達(dá)到最大值；當(dāng)在相位0°時斷開，并無過電壓。

帶載合閘暫態(tài)過程中，根據(jù)二階常系數(shù)微分方程解法，將零輸入響應(yīng)和零狀態(tài)響應(yīng)疊加可得中性段電壓的全響應(yīng)表達(dá)式為

對于兩端供電臂電壓相位差不同的四種典型情況，文獻(xiàn)[20]分別給出合理的合閘時間和最佳合閘時刻。在合理合閘時間，因為鐵心磁通密度設(shè)計存在冗余，所以雖然合閘磁通和剩磁通不相同卻沒有勵磁涌流現(xiàn)象；在最佳合閘時刻，因為合閘后的磁通和分閘時剩磁通一樣，所以也沒有發(fā)生勵磁涌流的現(xiàn)象[21]。

表1 最佳和合理合閘時間

Tab.1 Best and reasonable switching time

2 列車不停電過分相一體化動態(tài)模型

機車不停電過分相整體模型由牽引網(wǎng)模型、電力機車模型以及分相區(qū)模型構(gòu)成。

2.1 牽引供電系統(tǒng)建模

用π型等效電路建立子網(wǎng)模型，每個模塊代表1km，模塊如圖3所示，將模塊級聯(lián)組成所需長度的牽引網(wǎng)，本文將牽引網(wǎng)設(shè)為15km，線路參數(shù)見附表1。牽引變電所主要對牽引變壓器建模，仿真采用VX聯(lián)結(jié)方式。在仿真中用兩臺單相Vv變壓器構(gòu)成VX聯(lián)結(jié)方式，變壓器的參數(shù)見附表2。

圖3 牽引網(wǎng)的鏈?zhǔn)降刃Ｐ?/p>

2.2 電力機車建模

以CRH3型交-直-交型機車傳動系統(tǒng)為例對列車建模[22-23]，牽引傳動系統(tǒng)原理如圖4所示。

圖4 牽引傳動系統(tǒng)

CRH3 型機車由兩個相同且并聯(lián)運行的動力單元構(gòu)成，機車傳動系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)見附表3，其中直流環(huán)節(jié)后的牽引逆變器和牽引電機使用電阻負(fù)載模擬。

牽引傳動系統(tǒng)主要工作器件是機車的四象限變流器，變流器主要由PWM斬波控制調(diào)控從網(wǎng)側(cè)輸入的電流相位。PWM整流器采用電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)雙閉環(huán)控制的直接電流控制方法[24]，電壓外環(huán)將采樣得到的直流電壓實際值與直流電壓給定參考值對比后，通過PI控制器處理差值，最后輸出直流電流信號。為了增強系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)，直流電壓與負(fù)載電流在處理后相加作為電流的參考值，然后和電流內(nèi)環(huán)交流電流輸出相比較，最終確定整流橋的控制狀態(tài)。其控制策略框圖如圖5所示。

圖5 PWM控制策略圖

由圖5可得數(shù)學(xué)模型為

2.3 不停電過分相系統(tǒng)模型

以七跨關(guān)節(jié)式電分相的分相區(qū)為例，每跨取50m，總共長度為350m，包含兩段100m的過渡區(qū)，以及中間150m長度的無電區(qū)。因為中性段為錨段關(guān)節(jié)之間兩個轉(zhuǎn)換柱中的獨立網(wǎng)路，所以可將中性段作T型等效。電分相區(qū)具體參數(shù)設(shè)置見附表3。

為建立機車不停電過分相一體化動態(tài)模型，對Q1、Q2、S1、S2、S3五個開關(guān)選擇開合時間。以機車從左至右經(jīng)過分相區(qū)為例，控制邏輯如下：1時刻：地面?zhèn)鞲衅鰿G1感知機車經(jīng)過，閉合開關(guān)Q1，接通中性段和a供電臂；2時刻：機車進(jìn)入過渡區(qū)，閉合開關(guān)S2，機車通過中性段與a供電臂取電；3時刻：機車離開過渡區(qū)，斷開開關(guān)S1，受電弓只連接中性段；4時刻：地面?zhèn)鞲衅鰿G2感知機車經(jīng)過，斷開開關(guān)Q1，a供電臂不再對中性段供電；5時刻：短暫延時后閉合開關(guān)Q2，中性段和b供電臂處于等電位；6時刻：機車進(jìn)入過渡區(qū)，閉合開關(guān)S3，受電弓連接中性段與b供電臂；7時刻：機車離開過渡區(qū)，斷開開關(guān)S2，受電弓只連接b供電臂；8時刻：機車經(jīng)過分相區(qū)，斷開開關(guān)Q2，過分相結(jié)束。

3 不停電過分相電磁暫態(tài)的仿真研究

3.1 暫態(tài)過程仿真分析

以牽引變壓器為VX接線在牽引變電所出口處過分相，利用搭建的機車不停電過分相仿真模型對列車過分相的四個過程分別進(jìn)行仿真分析，通過設(shè)置開關(guān)開閉時間控制電壓相位。

開關(guān)Q1、Q2以及機車受流處電壓電流全過程波形如圖6所示，以下對各階段過程的不同情況分別進(jìn)行仿真分析。

圖6 開關(guān)Q1、Q2及機車受流處電壓電流全過程波形

3.1.1 中性段與供電臂接通過程仿真分析

分別讓開關(guān)Q1在0°、45°、90°、270°角度閉合，仿真不同電壓合閘相位下的中性段和受電弓交接處的電壓狀況，電壓波形如圖7所示。

圖7 開關(guān)Q1在不同合閘相位的中性段電壓波形

由圖7可知，過電壓最大值出現(xiàn)在電壓峰值合閘時，幅值為49.41kV，是額定電壓的1.27倍。一般車頂?shù)姆烹婇g隙工頻耐壓為60kV，所以在接通中性段和供電臂時造成的過電壓不會對運行產(chǎn)生嚴(yán)重的危害。

3.1.2 帶載分閘過程仿真分析

由理論推導(dǎo)可知，開關(guān)Q1帶載分閘中性段上的電壓最大值表達(dá)式為

式中，為機車分閘時的電流；為分閘時中性段感應(yīng)電壓。因為電子開關(guān)會過零關(guān)斷，所以不存在該暫態(tài)過程，因此使用機械開關(guān)對分閘時的過程進(jìn)行仿真分析。分別在電流過零時和峰值時分閘，波形如圖8所示。

為得到具體的分閘過電壓情況，以9°為間隔進(jìn)行開關(guān)Q1分閘仿真，用所得數(shù)據(jù)繪制出電壓-相位散點圖，擬合成平滑的曲線，如圖9所示。

圖9 開關(guān)Q1不同分閘時間電壓相位曲線

從圖9曲線可知，在90°和270°時出現(xiàn)電壓最值，分別為-156.12kV和160.17kV，仿真結(jié)果與理論公式一致，均遠(yuǎn)超車網(wǎng)安全運行電壓。因為傳統(tǒng)機械開關(guān)分閘時刻不可控，所以利用擬合曲線預(yù)測出現(xiàn)過電壓的概率，隨機角度下分閘過電壓超過耐壓值60kV的概率達(dá)到73.46%，所以需要對此加強防護(hù)。

3.1.3 帶載合閘過程仿真分析

為得到具體的合閘過電壓情況，以9°為間隔進(jìn)行開關(guān)Q2合閘仿真，得到電壓和相位的關(guān)系，繪出電壓-相位散點圖，并進(jìn)行擬合，如圖10所示。

圖10 開關(guān)Q2不同合閘時間電壓相位曲線

根據(jù)圖10的曲線可知，合閘時最大電壓也發(fā)生在90°和270°，分別為64.73kV和-63.11kV。Q2合閘時的過電壓值明顯低于Q1分閘時。但當(dāng)合閘角度選擇不合理時，也會產(chǎn)生超過安全限制的過電壓，所以也需要進(jìn)行重點防護(hù)。

3.1.4 中性段與供電臂分離過程仿真分析

當(dāng)開關(guān)Q2分閘時，因為列車已經(jīng)通過 b 相供電臂供電，并且供電臂遠(yuǎn)長于中性段，所以沒有出現(xiàn)明顯過電壓。當(dāng) b 相電壓相位為0°和 90°時開關(guān)Q2分閘，得到此時中性段電壓波形如圖11所示。由圖11可見，兩個角度都不會產(chǎn)生過電壓。

圖11 Q2分閘時的中性段電壓波形

3.2 合閘勵磁涌流影響因素仿真分析

因為變壓器飽和以及鐵心的非線性等特征，機車過分相時，開關(guān)Q2合閘后可能造成較大的勵磁涌流。根據(jù)參考文獻(xiàn)[25]，合閘時勵磁涌流的磁鏈表達(dá)式為

3.2.1 合閘相位

將變壓器在不同相角合閘的勵磁涌流情況繪制擬合曲線，如圖12所示，勵磁涌流現(xiàn)象最嚴(yán)重為0°和180°相位處，而在相位為90°時勵磁涌流為0。

圖12 開關(guān)Q2合閘時不同相角的勵磁涌流曲線

3.2.2 電分相位置

仿真按最嚴(yán)重情況進(jìn)行設(shè)置，開關(guān)在0°時合閘。當(dāng)為分區(qū)所過分相時，因為牽引網(wǎng)存在阻抗，勵磁涌流降低至313.09A；當(dāng)在牽引變電所出口過分相，可以將牽引變電所和分相區(qū)之間等效為零阻抗，勵磁涌流大小為401.21A。

3.2.3 剩磁大小

剩磁分別設(shè)為0(pu)、0.2(pu)、0.5(pu)和0.9(pu)，仿真設(shè)開關(guān)在0°時合閘，并在牽引變電所出口處過分相。

仿真得到剩磁通為0(pu)、0.2(pu)、0.5(pu)、0.9(pu)對應(yīng)的勵磁涌流幅值分別為401.21A、514.53A 、612.53A 、 742.91 A?？梢娛４磐▽τ诤祥l勵磁涌流影響較大，剩磁通越大電流幅值越大。

3.2.4 列車主變壓器參數(shù)影響

機車的不同會導(dǎo)致車載變壓器參數(shù)也不同，而變壓器的主要參數(shù)為變壓器容量。仿真時將相角設(shè)為0°時合閘，不考慮剩磁通，并依據(jù)實際機車變壓器值選擇主變?nèi)萘繀?shù)，分別為2 100kV·A、3 060kV·A、11 622kV·A等值，結(jié)果見表2。

表2 不同容量的變壓器勵磁涌流大小

Tab.2 Inrush current of different transformer capacity

由表2可知，變壓器容量與勵磁涌流大致為正比關(guān)系，所以在合閘時大容量的變壓器較易造成較大的勵磁涌流。

3.2.5 供電臂的電壓大小

依據(jù)鐵路規(guī)范準(zhǔn)則，供電臂的電壓波動范圍在17.5~31.5kV。仿真設(shè)在電壓過零時合閘，無剩磁通，網(wǎng)壓設(shè)置為17.5kV和31kV，不同供電臂電壓的勵磁涌流波形如圖13所示。

從圖13波形可見，勵磁涌流分別為143.96A和442.58A，變壓器勵磁涌流和網(wǎng)壓大小為正比關(guān)系。

4 不停電過分相系統(tǒng)的保護(hù)策略

本文給出抑制裝置和控制開關(guān)動作時間結(jié)合的控制策略，即在列車或中性段上設(shè)置附加裝置抑制過電壓，并且控制開關(guān)合閘時間以防止勵磁涌流出現(xiàn)，提高列車過分相的穩(wěn)定性和安全性。

4.1 對分閘過程過電壓的抑制方案研究與驗證

因為感性負(fù)載電感上的電流無法突變所以造成較高的過電壓，即為截流過電壓，而開關(guān)Q1分閘時刻是影響截流過電壓產(chǎn)生的關(guān)鍵，如果控制在電流過零時分閘，將不會出現(xiàn)截流過電壓。

用雙向反并聯(lián)晶閘管替換真空開關(guān)，并且當(dāng)開關(guān)斷開時將晶閘管觸發(fā)輸入置零，晶閘管會在下一零電流時刻阻斷。晶閘管邏輯仿真模型如圖14所示。

圖14 晶閘管仿真模型

在仿真模型中置入晶閘管，在電流峰值時分閘，得到仿真波形如圖15所示。

圖15 置入晶閘管后的分閘過程電壓波形

由圖15可知，即使在電流峰值時將晶閘管觸發(fā)輸入置零，晶閘管在四分之一周期后零電流時刻會立即關(guān)斷，中性段無過電壓。通過仿真分析證明了以晶閘管代替開關(guān)對截流過電壓的抑制效果。

4.2 對合閘過程過電壓的抑制方案研究與驗證

由之前仿真分析可知，合閘角決定是否出現(xiàn)過電壓，在0°時合閘，不會產(chǎn)生過電壓，在90°時合閘，會產(chǎn)生較高過電壓。所以前述電力電子開關(guān)控制分閘相位的方案也能夠防止合閘過電壓，但如果在過0°時合閘，機車變壓器上必會出現(xiàn)較大的勵磁涌流，所以考慮加裝裝置應(yīng)對過電壓的發(fā)生。

現(xiàn)主要有加裝合閘電阻在開關(guān)上、加裝金屬氧化鋅避雷器（Metal ZnO Arrester, MOA）在車載主斷路器前、加裝阻容吸收裝置在中性段等應(yīng)對合閘過電壓的抑制方法。

4.2.1 阻容吸收裝置

1）作用原理

阻容吸收裝置安裝在變電所里，主要是將電容和電阻串聯(lián)后與電分相區(qū)的中性段并聯(lián)達(dá)到為中性段上分壓的效果[26]，等效電路如圖16所示。其作用包括：提高回路上的電容值，降低電路上的諧振頻率，易于吸收出現(xiàn)的過電壓；通過電阻減少回路上的能量，使回路從臨界阻尼變?yōu)檫^阻尼情況；并且減小中性段上的感應(yīng)電壓[27]。

圖16 阻容吸收裝置等效電路

2）參數(shù)設(shè)置及仿真

阻容吸收裝置選擇足夠大的電容才能降低振蕩頻率到零，但太大的電容又會提升非必要的成本；選擇太小的電阻將不能達(dá)到預(yù)期的抑制效果，太大也可能造成保護(hù)效果降低。

依據(jù)圖16分析，閉合開關(guān)后，因為nd，此時可以將電容n對中性段的影響忽略不計，中性段將形成RLC串聯(lián)振蕩回路。假設(shè)串聯(lián)諧振角頻率為0，電路的振蕩角頻率為，可以得到

其中

從式（5）得

根據(jù)實際經(jīng)驗，選阻值為50~1 000W，電容為0.1~5μF。以合閘時最嚴(yán)重過電壓的狀況對阻容吸收裝置進(jìn)行仿真分析。仿真設(shè)置在電壓90°時合閘，電容值為0.5μF的情況下，不同阻值的仿真結(jié)果見表3。設(shè)置阻值為300W的情況下，不同電容值的仿真結(jié)果見表4。

表3 不同電阻情況下的過電壓值

Tab.3 Overvoltage results at different resistance values

表4 不同容值情況下的過電壓值

Tab.4 Overvoltage results at different capacitance values

由表3可知，當(dāng)阻值增加時中性段過電壓隨之降低，但阻值超過300W左右后，抑制過電壓的效果減弱。由表4可知，當(dāng)電容增加時中性段上過電壓隨之降低，電容為5μF時能完全抑制過電壓。因為阻容裝置的電流不能太大，所以最終容值取3μF。綜上，阻容裝置電阻設(shè)為300W，電容設(shè)為3μF，加裝阻容吸收裝置Q2合閘時段的對比波形如圖17所示。

圖17 開關(guān)Q2合閘的效果對比

未加裝阻容吸收裝置的中性段合閘時過電壓為62.26kV，裝設(shè)裝置后沒有出現(xiàn)過電壓，并且平穩(wěn)過渡，同時降低了缺電時間內(nèi)中性段上的諧波。仿真結(jié)果證明了裝設(shè)阻容吸收裝置的過電壓抑制效果。

4.2.2 金屬氧化物避雷器

1）作用原理

MOA是一個具有良好性能的無間隙結(jié)構(gòu)非線性電阻器件，通常并聯(lián)在保護(hù)設(shè)備端。一旦避雷器兩端的電壓超過其放電電壓，避雷器會發(fā)生放電限制過電壓大小以保護(hù)接觸網(wǎng)。MOA是由多組柱金屬氧化物絕緣閥片并聯(lián)構(gòu)成，其中每柱的非線性伏安特性為

式中，ref和ref分別為參考電流和參考電壓；T和k均為第段特性曲線系數(shù)，=1,2,3，分別代表飽和區(qū)、非線性區(qū)和小電流區(qū)。

2）參數(shù)設(shè)置及仿真驗證

在主斷路器與受電弓間裝設(shè)MOA模型，并設(shè)參數(shù)為：閥片柱數(shù)為2，單段參考電流ref=500A；引起保護(hù)的啟動電壓ref=60kV；避雷器非線性伏安特性的第1、2、3段系數(shù)分別為1=0.99，2=1.0，3=0.96，1=16.5，2=25，3=50。以合閘最嚴(yán)重過電壓狀況對MOA避雷器的有效性進(jìn)行仿真驗證，裝設(shè)前后對照如圖18所示。

圖18 開關(guān)Q2合閘的裝設(shè)MOA避雷器效果對比

在未加裝MOA避雷器的情況下，機車受電弓處最大過電壓為62.26kV；在加裝了金屬氧化鋅避雷器的情況下，機車受電弓處最大過電壓為50.55kV。所以MOA能夠降低過電壓值，但是沒有完全抑制過電壓。

4.2.3 合閘電阻

1）作用原理

抑制合閘過電壓最常見的做法是設(shè)置并聯(lián)合閘電阻，并聯(lián)合閘電阻的阻尼特性可以防止過電壓損壞中性段接觸網(wǎng)之間的設(shè)備與牽引網(wǎng)[28-31]。長時間將電阻串聯(lián)在錨段關(guān)節(jié)，可能造成中性段和供電臂之間出現(xiàn)較大環(huán)流，會造成多余的功耗，并且也會引起設(shè)備發(fā)熱，甚至?xí)惯^電流保護(hù)跳閘。增設(shè)開關(guān)在合閘電阻處，控制電阻投入使用的時段，可以避免長時間投入電阻產(chǎn)生的功耗及發(fā)熱。合閘電阻裝設(shè)接線原理如圖19所示，加裝電阻1、2和開關(guān)S1、S2，控制邏輯為在動作S1及S2短暫時刻后動作分相開關(guān)Q1和Q2。當(dāng)?shù)孛鎮(zhèn)鞲衅鰿G1感應(yīng)機車經(jīng)過時，閉合S1；斷開Q1時閉合Q2。

圖19 合閘電阻裝設(shè)原理圖

2）參數(shù)設(shè)置及仿真

以最嚴(yán)重過電壓的狀況進(jìn)行仿真分析，選擇10~1 000W的阻值進(jìn)行仿真，得到不同電阻值的中性段電壓值如圖20所示。

圖20 不同電阻值的中性段電壓值

未加裝合閘電阻的中性段上的過電壓為62.26kV，初期設(shè)置合閘電阻越大，電壓越小，在300Ω附近抑制效果最佳，過電壓降為47.50kV，但當(dāng)阻值繼續(xù)增加，過電壓抑制效果變差。所以選擇裝設(shè)300Ω的合閘電阻，裝設(shè)前后對比波形如圖21所示。

圖21 開關(guān)Q2合閘的裝設(shè)合閘電阻效果對比

由圖21b可見，設(shè)置了合閘電阻后，過電壓明顯降低，但是因為切入電阻而新增了暫態(tài)過程，所以該動作的出現(xiàn)可能引發(fā)其他電氣問題。

4.3 合閘過程過電壓抑制三種方法的對比

針對各個方面對比上述三種鐵路過分相過電壓抑制的裝置，得到最佳不停電過分相過電壓抑制方法。

（1）控制難度。阻容吸收裝置和金屬氧化鋅避雷器不需要附加控制措施，而合閘電阻需要增加額外設(shè)備控制其開關(guān)，其開關(guān)分合時間會影響對過電壓的抑制效果。所以裝設(shè)合閘電阻的方案控制難于另外兩種，并且會引起額外的暫態(tài)過程。

（2）投資成本。對于阻容吸收裝置，僅需裝設(shè)一組裝置在中性段，因為電阻和電容決定其抑制效果，所以要求電阻電容具有較高的性能和質(zhì)量。另外長時間運行可能產(chǎn)生額外的損耗，對裝置壽命有所減少，使得后期所需的維護(hù)費用升高；對于MOA，不需要安裝在每個分相區(qū)，只要裝設(shè)在車上，另外該裝置具有無工頻續(xù)流、通流能力強的優(yōu)點，并能夠多次放電釋壓，前期成本較少。但本體的封裝、裝置上電阻片都可能產(chǎn)生故障，后期的MOA預(yù)防性試驗也會提高成本；對于合閘電阻，需裝設(shè)控制開關(guān)，提高了成本，另外頻繁地動作開關(guān)也增加了對于開關(guān)的后期檢修和維護(hù)成本。

（3）抑制效果。對于阻容吸收裝置，設(shè)定電阻為300W、電容為3μF，中性段上過電壓降低了37.35%，合閘過程電壓過渡平穩(wěn)，并且很大程度地減少了中性段上的諧波含量和感應(yīng)電壓。但不足之處在于參數(shù)影響抑制效果較大，所以實際中需要通過多組試驗取得最合適的參數(shù)。

對于金屬氧化鋅避雷器裝置，設(shè)定起始電壓后，中性段上過電壓降低了18.81%，并且該裝置也能夠防護(hù)雷電過電壓。但因為其具有非線性伏安特性，不能夠?qū)⑵鹗紕幼麟妷涸O(shè)定得過低，所以無法抑制低值過電壓。

對于合閘電阻裝置，設(shè)定電阻為300Ω，合閘后中性段上過電壓降低了23.71%。

綜上所述，對比抑制效果，阻容吸收裝置最好，而MOA避雷器只能夠應(yīng)對高值過電壓。

5 結(jié)論

本文對于列車不停電過分相進(jìn)行了分析研究，總結(jié)如下：

1）開關(guān)帶載合閘時可能造成較大勵磁涌流，通過仿真分析了合閘勵磁涌流與電壓相位、剩磁通大小等多種因素之間的關(guān)系。

2）通過列車模型的仿真分析，探究了列車過分相四個不同的暫態(tài)過程中過電壓幅值與操作相角之間的關(guān)系。對進(jìn)一步研究過分相抑制提供有益指導(dǎo)。

3）針對不停電過分相中的分合閘暫態(tài)過程，提出了改善的方案，對方案優(yōu)化效果進(jìn)行比較，得出阻容吸收裝置對不停電過分相具有最好優(yōu)化效果的結(jié)論。

附 錄

附表1 線路參數(shù)

App.Fig.1 Line parameters

牽引網(wǎng)自阻抗/ (Ω/km)中性段等值電感/mH中性段等值電阻/Ω中性段對地電容/nF中性段與接觸線間電容/nF 0.31+j0.760.20.063 4.02 10.11

附表2 變電所變壓器參數(shù)[32]

App.Fig.2 Parameters of transformer in substation[32]

聯(lián)結(jié)形式額定容量/ (MV?A)電壓值/kV阻抗電壓值(%)空載電流值(%)空載損耗量/kW負(fù)載損耗量/kW Scott5022010.51.055216 VX31.5+20 22010.52 0.2442.55 201.41

附表3 傳動系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)

App.Fig.3 Basic technical parameters of transmission system

項目CRH3 主變壓器電路結(jié)構(gòu)兩電平 頻率/Hz50 容量/(kV·A)6 144 四象限脈沖整流器電壓比27.5 kV∶1.5 kV 輸入AC 1 550V,910 A 輸出/VDC 3 000 電壓/V2 700/2 800-3 600 中間直流環(huán)節(jié)開關(guān)頻率/Hz350 L2 /mH C2 /mF4.420.60 支撐電容/mF3.0

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Research on Electromagnetic Transient and Suppression Measures for Passing Neutral Section without Power Interruption of Electrified Railway

Wang Xiaojun1Bi Chengjie2Jin Cheng1Yao Chao1

（1.School of Electrical Engineering Beijing Jiao Tong Univercity Beijing 100044 China 2. State Grid Beijing Fengtai Power Supply Company Beijing 100073 China）

There will be overvoltage and overcurrent when the train passes through the neutral section with the uninterrupted phase-separation passing system, which will have a negative impact on the electrical railway power supply system and the train. In this paper, based on the simulation data, the property of the over-voltage phenomena during different transient periods are studied and the impact of phase angle for the switching operation on the amplitude of the over-voltage is analyzed. This work also researched the impacts of the angle of the closing operation, the position of the phase separation, and the volume of the residual magnetic on the inrush current of the neutral section passing. Lastly, three optimization strategies and restraining measures for neutral section passing are proposed. After comparison, the suitable strategy is selected.

Passing neutral section without interruption, overvoltage, magnetizing inrush current, suppression measures

TM712

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.191640

先進(jìn)軌道交通國家重點研發(fā)計劃資助項目（2017YFB1200802）。

2020-01-19

2020-06-03

王小君 男，1978年生，副教授，博士生導(dǎo)師，研究方向為電力系統(tǒng)分析與控制、主動配電網(wǎng)等。E-mail：xjwang1@bjtu.edu.cn（通信作者）

畢成杰 女，1995年生，碩士研究生，研究方向為電氣化鐵路車網(wǎng)過分相電磁暫態(tài)等。E-mail：17125972@bjtu.edu.cn

（編輯 郭麗軍）