三斷口八跨錨段關(guān)節(jié)式電分相過電壓分析

劉雨欣，張景景

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三斷口八跨錨段關(guān)節(jié)式電分相過電壓分析

劉雨欣，張景景

針對電力機(jī)車通過錨段關(guān)節(jié)式電分相時(shí)產(chǎn)生的過電壓可能造成車頂絕緣擊穿的現(xiàn)象，利用PSCAD/EMTDC軟件建立仿真模型進(jìn)行研究。對比分析機(jī)車通過七跨與三斷口八跨錨段關(guān)節(jié)出現(xiàn)的過電壓幅值大小，表明三斷口八跨錨段關(guān)節(jié)對過電壓有一定的抑制作用。

電分相；過電壓；七跨；三斷口八跨

0 引言

我國電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)采用幅值為 25 kV的單相工頻交流電，接觸網(wǎng)通過設(shè)置電分相裝置實(shí)現(xiàn)換相供電。錨段關(guān)節(jié)式電分相因可實(shí)現(xiàn)供電臂之間的平滑過渡而被廣泛采用。機(jī)車通過電分相過程中電路參數(shù)不斷變化，產(chǎn)生的過電壓[1]有可能造成車頂絕緣擊穿，引起牽引變電所誤跳閘，對行車安全造成危害。目前，準(zhǔn)高速電氣化鐵路上最常用的是七跨錨段關(guān)節(jié)式電分相。近年來在電氣化鐵路建設(shè)中出現(xiàn)一種由2個(gè)四跨絕緣錨段關(guān)節(jié)式電分相構(gòu)成的三斷口八跨錨段關(guān)節(jié)式電分相[2，3]（3個(gè)斷口和2個(gè)中性區(qū)段）。機(jī)車通過七跨錨段關(guān)節(jié)式電分相產(chǎn)生過電壓已被廣泛研究，而對機(jī)車通過三斷口八跨電分相產(chǎn)生過電壓的研究甚少。本文主要研究機(jī)車通過三斷口八跨錨段關(guān)節(jié)時(shí)產(chǎn)生過電壓的情況。

1 錨段關(guān)節(jié)式電分相

1.1 七跨錨段關(guān)節(jié)式電分相結(jié)構(gòu)

錨段關(guān)節(jié)式電分相[4]克服了器件式電分相存在的硬點(diǎn)問題，已大規(guī)模應(yīng)用于我國高速發(fā)展的電氣化鐵路系統(tǒng)中。目前，在我國已建和新建的電氣化鐵路上常見的錨段關(guān)節(jié)式電分相形式主要有七跨、八跨、九跨、十跨、十二跨等，而時(shí)速超過160 km的準(zhǔn)高速線路中，主要采用的是七跨錨段關(guān)節(jié)式電分相，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 七跨錨段關(guān)節(jié)式電分相結(jié)構(gòu)圖

2個(gè)相互獨(dú)立的四跨錨段關(guān)節(jié)組成七跨錨段關(guān)節(jié)式電分相。由圖1可知，七跨錨段關(guān)節(jié)式電分相中①—⑧是一個(gè)七跨長的中性線，其中有2個(gè)斷口，并且②—⑦之間的5個(gè)跨距內(nèi)都是絕緣的，在中性區(qū)段上沒有任何電氣連接的部分。處于無電狀態(tài)的區(qū)域?yàn)闊o電區(qū)，在該區(qū)域內(nèi)，機(jī)車以惰性滑行的方式通過。

1.2 三斷口八跨錨段關(guān)節(jié)式電分相結(jié)構(gòu)

在客運(yùn)專線鐵路上由于兩斷口電分相存在使動(dòng)車組速度下降較多，過渡時(shí)間長等缺陷，提出三斷口式電分相，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 三斷口電分相結(jié)構(gòu)圖

三斷口八跨錨段關(guān)節(jié)式電分相是由2個(gè)四跨錨段關(guān)節(jié)構(gòu)成，主要包括2個(gè)中性區(qū)段和3個(gè)斷口。結(jié)構(gòu)上通過延長絕緣關(guān)節(jié)下錨，在非工作支柱上加裝絕緣子，從而實(shí)現(xiàn)工作支與非工作支在分相無電區(qū)工作范圍內(nèi)的過渡，相與相之間通過空氣實(shí)現(xiàn)絕緣，達(dá)到分相絕緣的目的。三斷口電分相比兩斷口電分相多了1個(gè)中性區(qū)段和1個(gè)斷口，其電路參數(shù)與兩斷口電分相相比發(fā)生了變化，使互感電壓分布在2個(gè)中性區(qū)段上，改善了過分相高電壓的分布，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 八跨雙中性段結(jié)構(gòu)圖

2 過電壓仿真

基于電力機(jī)車通過錨段關(guān)節(jié)式電分相時(shí)要經(jīng)歷多個(gè)暫態(tài)過程，電路參數(shù)時(shí)刻變化，且受到各種其他因素的影響，該過程中有可能產(chǎn)生過電壓[5，6]，對電力機(jī)車的安全運(yùn)行構(gòu)成威脅。本文通過PSCAD/EMTDC建立仿真模型，模擬機(jī)車通過電分相過程產(chǎn)生過電壓的情況，為分析并抑制過電壓提供參考。

2.1 七跨錨段關(guān)節(jié)式電分相仿真

2.1.1 七跨錨段關(guān)節(jié)式電分相結(jié)構(gòu)參數(shù)

七跨錨段關(guān)節(jié)式電分相主要參數(shù)：接觸線對地距離= 6 m；接觸線對中性線距離= 0.5 m；中性線總長= 190 m；過渡區(qū)長度A=B= 70.5 m；無電區(qū)長度C= 49 m，如圖4所示。

圖4 七跨錨段關(guān)節(jié)式電分相示意圖

2.1.2 七跨過電壓仿真

根據(jù)電力機(jī)車通過七跨錨段關(guān)節(jié)式電分相的相關(guān)參數(shù)建立動(dòng)態(tài)仿真模型，對機(jī)車通過電分相整個(gè)過程進(jìn)行仿真。根據(jù)圖4所示，機(jī)車通過電分相時(shí)主要分為以下幾個(gè)過程：（1）受電弓只與A相接觸線相連；（2）受電弓同時(shí)跨接A相接觸線與中性線；（3）受電弓只與中性線相連；（4）受電弓同時(shí)跨接中性線與B相接觸線；（5）受電弓只與B相接觸線相連。正常狀態(tài)下，中性區(qū)不帶電同時(shí)要求不接地。機(jī)車通過電分相過程中，從A相轉(zhuǎn)換至B相時(shí)可能會發(fā)生鐵磁諧振，產(chǎn)生過電壓。根據(jù)機(jī)車進(jìn)入電分相時(shí)初相角不同得到中性線上過電壓數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 七跨中性線過電壓數(shù)據(jù)表

本文通過PSCAD/EMTDC軟件建立仿真模型，=180°時(shí)仿真波形如圖5所示。

a 機(jī)車進(jìn)入電分相

b 機(jī)車進(jìn)入無電區(qū)

c 機(jī)車駛出電分相

通過表1可知，機(jī)車通過錨段關(guān)節(jié)電分相時(shí)中性線上產(chǎn)生過電壓幅值的大小與進(jìn)入電分相時(shí)刻初相角有一定的關(guān)系。當(dāng)= 180°時(shí)，機(jī)車駛出無電區(qū)進(jìn)入過渡區(qū)時(shí)產(chǎn)生的過電壓最大，其幅值達(dá)到93.50 kV。由于在這個(gè)過程中受電弓從只與中性線接觸過渡到同時(shí)跨接中性線與B相接觸線，動(dòng)態(tài)電路發(fā)生變化，出現(xiàn)鐵磁諧振，產(chǎn)生過電壓，對機(jī)車的正常運(yùn)行構(gòu)成威脅。

2.2 三斷口八跨錨段關(guān)節(jié)式電分相仿真

2.2.1 三斷口八跨錨段關(guān)節(jié)式電分相結(jié)構(gòu)參數(shù)

三斷口八跨錨段關(guān)節(jié)式電分相主要參數(shù)：接觸線對地距離= 6 m；接觸線對中性線距離= 0.45 m；中性線長度= 286 m；過渡區(qū)長度A=B= 94 m；無電區(qū)長度C= 98 m，如圖6所示。

圖6 三斷口八跨錨段關(guān)節(jié)式電分相示意圖

2.2.2 三斷口八跨電壓仿真

三斷口八跨電分相通過在牽引網(wǎng)接觸線的末端加裝絕緣子，接觸線與中性線通過絕緣子相連，使無電區(qū)為雙中性線結(jié)構(gòu)。機(jī)車過分相過程可能出現(xiàn)鐵磁諧振，殘余電壓分布在2段中性線上，有可能抑制電力機(jī)車過分相過程產(chǎn)生的過電壓。根據(jù)網(wǎng)-車-電分相的相關(guān)參數(shù)建立機(jī)車通過三斷口八跨電分相的PSCAD/EMTDC仿真模型，統(tǒng)計(jì)機(jī)車在不同初相角時(shí)產(chǎn)生過電壓的大小，仿真數(shù)據(jù)如表2所示。

= 120°時(shí)電壓仿真波形如圖7所示。

表2 八跨中性段上過電壓數(shù)據(jù)表

a 機(jī)車進(jìn)入電分相

b 機(jī)車進(jìn)入無電區(qū)

c 機(jī)車駛出電分相

= 120°時(shí)機(jī)車過電分相過程中雙中性區(qū)段2上的電壓波形圖與雙中性區(qū)段1上的相似，所以略過不再重復(fù)。通過表2可知，機(jī)車通過三斷口八跨電分相在初相角= 120°時(shí)產(chǎn)生最大過電壓，其中中性區(qū)段1上過電壓幅值為72.53 kV，中性區(qū)段2上過電壓幅值為70.76 kV。與表1對比，其最大過電壓幅值減小了20.97 kV，在一定程度上降低了機(jī)車過分相時(shí)中性線上過電壓的幅值，減少了對電力機(jī)車安全運(yùn)行的威脅。

3 結(jié)語

根據(jù)相關(guān)的參數(shù)與數(shù)據(jù)，利用PSCAD/EMTDC軟件仿真模型，研究機(jī)車通過七跨錨段關(guān)節(jié)與三斷口八跨錨段關(guān)節(jié)時(shí)中性線上產(chǎn)生過電壓的大小。通過表1和表2對比可以得出機(jī)車通過三斷口八跨錨段關(guān)節(jié)時(shí)產(chǎn)生的過電壓幅值比通過七跨錨段關(guān)節(jié)時(shí)減小20.97 kV，能有效降低中性線上過電壓的幅值。

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With regard to the breakdown of locomotive roof insulation caused by the over voltage generated during the electric locomotive passing through the overlap section type phase break, the researches are made on the basis of the simulation model established by PSCAD/EMTDC software. The comparison and analysis of voltage amplitudes generated during the electric locomotive passing through the seven-span overlap section type phase break and eight-span overlap section type phase break with three breaks have been made, and the results indicate that eight-span overlap section type phase break with three breaks has certain functions on suppression of the overvoltage.

Phase break; over-voltage; seven-span; eight-span overlap section phase break with three breaks

U225.4

B

1007-936X(2017)03-0067-04

2016-08-17

劉雨欣.鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，助教，電話：15136470209；張景景.鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，助教。