不同類型機(jī)械絕緣節(jié)快速暫態(tài)過(guò)電壓產(chǎn)生機(jī)理

曹曉斌，唐逢光，何祥照，朱傳林

(1.西南交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，四川 成都 610031；2.武漢地鐵運(yùn)營(yíng)有限公司 車輛一部，湖北 武漢 430000； 3.中國(guó)鐵路成都局集團(tuán)有限公司 供電處，四川 成都 610081)

隨著牽引負(fù)荷的增加，在高速鐵路站場(chǎng)中機(jī)械絕緣節(jié)拉弧燒毀問(wèn)題比較突出。一般站場(chǎng)中的扼流變壓器與機(jī)械絕緣節(jié)都是相伴相隨的，它們一般有2種配合方式，一種是機(jī)械絕緣節(jié)兩端的扼流變壓器中性點(diǎn)不相連，使?fàn)恳娏髟诨亓髑袛帱c(diǎn)處切斷，列車經(jīng)過(guò)回流切斷點(diǎn)的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生過(guò)電壓拉弧現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)會(huì)燒毀絕緣節(jié)，甚至燒蝕鋼軌；另一種是絕緣節(jié)兩端的扼流變壓器中性點(diǎn)通過(guò)銅排相連，這樣既能保證牽引電流順利通過(guò)絕緣節(jié)，又能提供列車位置信號(hào)，盡管此類絕緣節(jié)兩端鋼軌通過(guò)扼流變壓器連通，但是在列車經(jīng)過(guò)此類絕緣節(jié)時(shí)依然會(huì)產(chǎn)生絕緣節(jié)拉弧燒毀現(xiàn)象[1]。

機(jī)械絕緣節(jié)兩端電壓過(guò)高是造成其拉弧燒毀的主要原因。文獻(xiàn)[2]對(duì)牽引電流燒損、灼傷絕緣節(jié)和鋼軌的情況進(jìn)行分類，提出“電壓擊穿”和“電流拉弧灼傷”2 種典型損傷類型。文獻(xiàn)[3]通過(guò)仿真研究了絕緣節(jié)兩端的工頻電壓，提出了降低絕緣節(jié)過(guò)電壓的措施。文獻(xiàn)[4]通過(guò)分析牽引回流的分布，研究了列車運(yùn)行經(jīng)過(guò)絕緣節(jié)時(shí)兩端的電位差，通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了計(jì)算的正確性。文獻(xiàn)[5]通過(guò)建立軌道模型和等效電路模型研究了防止鐵路信號(hào)設(shè)備雷電過(guò)電壓的措施。文獻(xiàn)[6]提出采用綜合地線和鋼軌電位限制裝置降低鋼軌電位，以減少絕緣節(jié)損壞。由于國(guó)外高鐵站內(nèi)環(huán)境不同，絕緣節(jié)燒毀情況較少，因此國(guó)外學(xué)者更多的是從機(jī)械受力角度研究絕緣節(jié)物理受損的特性[7-8]。

上述研究工作主要是針對(duì)工頻電壓升高，沒(méi)有考慮列車輪對(duì)通過(guò)回流切斷點(diǎn)處絕緣節(jié)瞬間的快速暫態(tài)過(guò)電壓過(guò)程。而關(guān)于牽引供電系統(tǒng)的暫態(tài)過(guò)電壓主要集中在接觸網(wǎng)與受電弓的研究上，文獻(xiàn)[9—11]研究了高速列車過(guò)電分相時(shí)過(guò)電壓的產(chǎn)生過(guò)程以及弓網(wǎng)分離時(shí)電弧的產(chǎn)生機(jī)理及影響因素。文獻(xiàn)[12—13]提出了一種估算牽引負(fù)荷的方法，介紹了列車電流波形諧波失真引起的交流牽引系統(tǒng)過(guò)電壓的計(jì)算方法，并且研究了過(guò)電壓的暫態(tài)過(guò)程，提出保護(hù)措施。不同于受電弓經(jīng)過(guò)電分相產(chǎn)生暫態(tài)過(guò)程，列車經(jīng)過(guò)機(jī)械絕緣節(jié)產(chǎn)生暫態(tài)過(guò)程時(shí)間更短，對(duì)于鋼軌的危害更大。

無(wú)絕緣軌道電路無(wú)需機(jī)械絕緣節(jié)，已有學(xué)者研究了無(wú)絕緣軌道電路的綜合診斷方法[14-15]，但其可靠性與安全性仍需進(jìn)一步研究。目前國(guó)內(nèi)大部分站場(chǎng)仍然采用機(jī)械絕緣節(jié)，而機(jī)械絕緣節(jié)快速暫態(tài)過(guò)電壓機(jī)理的研究不多。文獻(xiàn)[16]通過(guò)建立列車經(jīng)過(guò)扼流變中性點(diǎn)相連的機(jī)械絕緣節(jié)暫態(tài)模型，發(fā)現(xiàn)大負(fù)荷重載列車在經(jīng)過(guò)鐵路站場(chǎng)預(yù)告信號(hào)機(jī)處的絕緣節(jié)時(shí)也存在著過(guò)電壓現(xiàn)象。文獻(xiàn)[17] 將列車輪對(duì)過(guò)絕緣節(jié)切斷點(diǎn)分為3個(gè)暫態(tài)過(guò)程，基于狀態(tài)空間模型求解各暫態(tài)過(guò)程的電氣參數(shù)。均沒(méi)有揭示列車經(jīng)過(guò)機(jī)械絕緣節(jié)快速暫態(tài)過(guò)電壓的機(jī)理。

本文通過(guò)建立不同類型絕緣節(jié)牽引回流模型，研究高速列車通過(guò)不同類型機(jī)械絕緣節(jié)時(shí)快速暫態(tài)過(guò)電壓產(chǎn)生的機(jī)理，并對(duì)其產(chǎn)生過(guò)程進(jìn)行模擬和仿真計(jì)算，從而提出降低機(jī)械絕緣節(jié)暫態(tài)過(guò)電壓的措施。

1 列車經(jīng)過(guò)機(jī)械絕緣節(jié)時(shí)過(guò)電壓產(chǎn)生機(jī)理

1.1 列車經(jīng)過(guò)第一類絕緣節(jié)時(shí)快速暫態(tài)過(guò)電壓產(chǎn)生過(guò)程

高速列車經(jīng)過(guò)第一類絕緣節(jié)時(shí)快速暫態(tài)過(guò)電壓產(chǎn)生過(guò)程如圖1所示。從圖1可以看出如下過(guò)程。

(1)過(guò)程1：列車在絕緣節(jié)左側(cè)行駛時(shí)，由于絕緣節(jié)兩端的扼流變壓器中性點(diǎn)不連通，因此牽引電流僅從絕緣節(jié)左邊回流。

(2)過(guò)程2：列車前輪對(duì)駛過(guò)絕緣節(jié)，但后輪對(duì)還沒(méi)有駛過(guò)，此時(shí)列車前后輪對(duì)通過(guò)軸承跨接在絕緣節(jié)兩端，牽引電流從絕緣節(jié)兩端回流。

(3)過(guò)程3：列車后輪對(duì)駛離絕緣節(jié)，向左邊回流的部分被截?cái)?，產(chǎn)生沖擊電流，在絕緣節(jié)兩端產(chǎn)生暫態(tài)過(guò)電壓。

(4)過(guò)程4：列車前后輪對(duì)均駛離絕緣節(jié)，牽引電流從右側(cè)回流，絕緣節(jié)兩端電壓恢復(fù)正常。

圖1 列車經(jīng)過(guò)第一類絕緣節(jié)時(shí)快速暫態(tài)過(guò)電壓產(chǎn)生過(guò)程

1.2 第一類絕緣節(jié)快速暫態(tài)過(guò)電壓幅值計(jì)算

在上述過(guò)程中，僅在過(guò)程3產(chǎn)生快速暫態(tài)過(guò)電壓。第一類絕緣節(jié)等效暫態(tài)模型如圖2所示。

圖2 第一類絕緣節(jié)等效暫態(tài)模型

列車駛離絕緣節(jié)的瞬間，設(shè)該時(shí)刻牽引電流的瞬時(shí)值為i。

圖2所示暫態(tài)過(guò)程為：絕緣節(jié)左側(cè)鋼軌處的電流將從i減小到零，右側(cè)鋼軌電流上升到正常工頻牽引電流i，鋼軌電流達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)。

通過(guò)上述的分析可知，此時(shí)相當(dāng)于在第一類絕緣節(jié)兩端施加了1個(gè)幅值與牽引電流幅值相等、方向從絕緣節(jié)左側(cè)指向右側(cè)的沖擊電流i。

沖擊電流流向左右兩端鋼軌波阻抗，在絕緣節(jié)左側(cè)形成對(duì)地負(fù)電位，在絕緣節(jié)右側(cè)形成對(duì)地正電位，因此在絕緣節(jié)兩端產(chǎn)生快速暫態(tài)過(guò)電壓。每一側(cè)鋼軌對(duì)地過(guò)電壓u的計(jì)算式為

u=iZ

(1)

則得到第一類絕緣節(jié)兩端承受的快速暫態(tài)過(guò)電壓uAB1為

uAB1=uA-uB=-iZ-iZ=-2iZ

(2)

式(2)中，負(fù)號(hào)表明第一類絕緣節(jié)的快速暫態(tài)過(guò)電壓與列車駛離絕緣節(jié)時(shí)的瞬時(shí)牽引電流方向相反。

絕緣節(jié)沖擊阻抗可定義為列車經(jīng)過(guò)絕緣節(jié)時(shí)，快速暫態(tài)過(guò)電壓uAB的峰值與沖擊電流i的峰值之比值。由式(2)可知，第一類絕緣節(jié)的沖擊阻抗為2Z。由于列車經(jīng)過(guò)第一類絕緣節(jié)的時(shí)間較短，沖擊電流作用時(shí)間較短，因此此電壓達(dá)到峰值后就會(huì)迅速衰減，最終第一類絕緣節(jié)兩端電壓將衰減到0。

1.3 第二類絕緣節(jié)快速暫態(tài)過(guò)電壓幅值計(jì)算

列車經(jīng)過(guò)第二類絕緣節(jié)時(shí)，牽引電流能夠通過(guò)扼流變壓器流通至絕緣節(jié)另一側(cè)鋼軌，但是列車駛離絕緣節(jié)時(shí)，同樣會(huì)在類似第一類絕緣節(jié)的過(guò)程3時(shí)出現(xiàn)暫態(tài)過(guò)程，只不過(guò)產(chǎn)生的沖擊電流流通路徑與第一類絕緣節(jié)不同。

扼流變壓器線圈的接線圖如圖3所示。扼流變壓器的牽引線圈與第二類絕緣節(jié)兩端的鋼軌直接相連，本文主要討論的是與扼流變壓器牽引線圈相連絕緣節(jié)的過(guò)電壓，需要考慮的是扼流變壓器信號(hào)線圈折算到牽引線圈側(cè)后的扼流變壓器阻抗。文獻(xiàn)[18]指出，由于扼流變壓器是帶鐵心繞組的升壓變壓器，變比約為1∶30，信號(hào)側(cè)的阻抗折算到原邊側(cè)時(shí)阻抗非常小，約0.005 Ω，所以可以忽略其漏電抗。由于沖擊電流作用時(shí)間非常短，扼流變壓器主要是電感在起作用，直流電阻所產(chǎn)生的壓降可以忽略，因此將其等效為1個(gè)電感。

圖3 扼流變壓器線圈接線圖

根據(jù)文獻(xiàn)[19]可知，扼流變壓器副邊折算到一次側(cè)阻抗約0.005 Ω，忽略直流電阻的影響，因此可計(jì)算出扼流變壓器的電感值為0.016 mH，將下面站場(chǎng)模型中的扼流變壓器電感值設(shè)為此值。第二類絕緣節(jié)等效暫態(tài)模型如圖4所示。

圖4 第二類絕緣節(jié)等效暫態(tài)模型

從圖4可以看出：由于AB之間的扼流變壓器阻抗比鋼軌波阻抗要小得多，因此可近似認(rèn)為沖擊電流主要經(jīng)過(guò)扼流變壓器中性點(diǎn)流通。

第二類絕緣節(jié)兩端承受的快速暫態(tài)過(guò)電壓uAB2的計(jì)算式為

uAB2=-iZ1

(3)

式中：Z1為第二類絕緣節(jié)的沖擊阻抗。

式(3)中，負(fù)號(hào)表明第二類絕緣節(jié)的快速暫態(tài)過(guò)電壓與列車駛離絕緣節(jié)時(shí)的瞬時(shí)牽引電流方向相反。當(dāng)扼流變壓器沖擊阻抗遠(yuǎn)小于鋼軌波阻抗時(shí)，可認(rèn)為第二類絕緣節(jié)沖擊阻抗等于扼流變壓器的沖擊阻抗。

2 機(jī)械絕緣節(jié)快速暫態(tài)過(guò)電壓產(chǎn)生過(guò)程模擬及仿真計(jì)算

2.1 列車經(jīng)過(guò)第一類絕緣節(jié)時(shí)

1)暫態(tài)模型過(guò)程模擬

利用ATP-EMTP電磁暫態(tài)仿真軟件搭建的第一類絕緣節(jié)牽引回流等效電路如圖5所示。圖中：AB段為第一類絕緣節(jié)；LCC為鋼軌架空線模型；S1，S2和S3為控制開(kāi)關(guān)；R為鋼軌對(duì)地的泄漏電阻。

圖5 第一類絕緣節(jié)牽引回流等效電路

圖5中， 如果不考慮絕緣節(jié)同側(cè)2根鋼軌的電位差，那么第一類絕緣節(jié)兩端扼流變壓器的電阻可以忽略；仿真計(jì)算時(shí)根據(jù)鋼軌鋪設(shè)的實(shí)際情況，設(shè)置LCC模型中的相關(guān)參數(shù)[3]見(jiàn)表1。

表1 LCC模型中的相關(guān)參數(shù)

列車通過(guò)第一類絕緣節(jié)分為4個(gè)過(guò)程，仿真計(jì)算時(shí)通過(guò)控制開(kāi)關(guān)S1，S2和S3的切換時(shí)間模擬列車通過(guò)絕緣節(jié)的過(guò)程[16]。

模型中電源AC用于模擬列車的牽引回流，頻率為50 Hz，電流的峰值為100 A，初始相位為0°。由于列車經(jīng)過(guò)絕緣節(jié)時(shí)間較短，僅有0.5 ms左右，因此可以近似認(rèn)為列車牽引電流在經(jīng)過(guò)絕緣節(jié)前后，其值不變。

2)仿真分析計(jì)算

第一類絕緣節(jié)快速暫態(tài)過(guò)電壓展開(kāi)波形如圖6所示。從圖6可以看出：在列車經(jīng)過(guò)第一類絕緣節(jié)的瞬間，絕緣節(jié)兩端產(chǎn)生了快速暫態(tài)過(guò)電壓，其幅值最大值約為46.6 kV。

列車經(jīng)過(guò)第一類絕緣節(jié)時(shí)回流線電流變化如圖7所示。從圖7可以看出：第一類絕緣節(jié)的扼流變壓器中性點(diǎn)沒(méi)有連通，在列車經(jīng)過(guò)絕緣節(jié)之前，只有左側(cè)有回流電流，通過(guò)絕緣節(jié)之后，只有右側(cè)有牽引回流，在列車通過(guò)絕緣節(jié)的瞬間有1個(gè)電流突變過(guò)程，左側(cè)電流迅速下降到0 A，而右側(cè)電流從0 A快速上升；因此，牽引電流的回流路徑發(fā)生了變化，在切換回流路徑的瞬間產(chǎn)生了沖擊電流。

圖6 列車經(jīng)過(guò)第一類絕緣節(jié)時(shí)快速暫態(tài)過(guò)電壓展開(kāi)波形

圖7 列車經(jīng)過(guò)第一類絕緣節(jié)時(shí)回流線電流

以不同相位仿真為例，對(duì)式(2)進(jìn)行驗(yàn)證，由其得到第一類絕緣節(jié)沖擊阻抗瞬時(shí)值與由絕緣節(jié)兩端快速暫態(tài)過(guò)電壓uAB與通過(guò)B點(diǎn)的瞬時(shí)電流相比得到的平均值對(duì)比見(jiàn)表2。

從表2可以看出：采用式(2)得到的瞬時(shí)值與平均值之間的誤差小于±5%，表明可以通過(guò)式(2)對(duì)第一類絕緣節(jié)的快速暫態(tài)過(guò)電壓進(jìn)行計(jì)算。

進(jìn)一步仿真還發(fā)現(xiàn)，無(wú)關(guān)牽引電流的幅值和相位，最終決定第一類絕緣節(jié)快速暫態(tài)過(guò)電壓幅值的是列車通過(guò)B點(diǎn)時(shí)牽引電流的瞬時(shí)值。對(duì)比不同情況下的仿真結(jié)果表明，如果列車通過(guò)模型中B點(diǎn)時(shí)牽引電流的瞬時(shí)值為100 A，那么第一類絕緣節(jié)快速暫態(tài)過(guò)電壓的幅值均為46.6 kV左右，即對(duì)于第一類絕緣節(jié)，沖擊阻抗通常約為466.2 Ω。

表2 不同相位時(shí)計(jì)算所得的第一類絕緣節(jié)沖擊阻抗

由于列車經(jīng)過(guò)絕緣節(jié)的切換時(shí)間非常短，絕緣節(jié)過(guò)電壓的幅值僅與牽引電流的瞬時(shí)值有關(guān)。進(jìn)一步驗(yàn)證了第一類絕緣節(jié)過(guò)電壓幅值為牽引電流瞬時(shí)值與沖擊阻抗的乘積。

2.2 列車經(jīng)過(guò)第二類絕緣節(jié)時(shí)

1)暫態(tài)模型過(guò)程模擬

第二類絕緣節(jié)暫態(tài)模型所用的相關(guān)參數(shù)同表1。扼流變壓器通過(guò)等阻線與鋼軌相連，等阻線指的是從鋼軌連接至扼流變壓器端子的引線電纜，為了保證電流均衡，要求各條引線電纜的阻值相同，所以又稱為等阻線。

回流線與等阻線采用電纜模型[19]，R0=0.099 Ω·km-1,L0=7.691 H·km-1,C0=0.519 F·km-1。其中R0為單位距離的電阻值，L0為單位距離的分布電感值，C0為單位距離的分布電容值。其他參數(shù)同模型一。建立第二類絕緣節(jié)牽引回流等效電路如圖8所示。

圖8 第二類絕緣節(jié)牽引回流等效電路

2) 仿真分析計(jì)算

兩端等阻線上的電流仿真波形如圖9所示。從圖9可以看出：1號(hào)和2號(hào)等阻線電流對(duì)應(yīng)絕緣節(jié)右側(cè)鋼軌端部電流，3號(hào)和4號(hào)等阻線電流對(duì)應(yīng)左側(cè)鋼軌端部電流；列車駛離絕緣節(jié)的瞬間，3號(hào)和4號(hào)等阻線上的電流迅速減小，而1號(hào)和2號(hào)等阻線電流換向，說(shuō)明絕緣節(jié)兩端產(chǎn)生了1個(gè)瞬間沖擊電流。

第二類絕緣節(jié)快速暫態(tài)過(guò)電壓展開(kāi)波形如圖10所示。從圖10可以看出：列車通過(guò)第二類絕緣節(jié)時(shí)，仍會(huì)產(chǎn)生快速暫態(tài)過(guò)電壓，其幅值最大值約為2 371 V，遠(yuǎn)低于列車經(jīng)過(guò)第一類絕緣節(jié)時(shí)。

圖9 兩端等阻線電流仿真波形

圖10 列車經(jīng)過(guò)第二類絕緣節(jié)時(shí)快速暫態(tài)過(guò)電壓展開(kāi)波形

為計(jì)算第二類絕緣節(jié)沖擊阻抗，先計(jì)算列車以不同的牽引電流相位經(jīng)過(guò)絕緣節(jié)時(shí)，其兩端快速暫態(tài)過(guò)電壓的變化情況。列車經(jīng)過(guò)該類絕緣節(jié)的時(shí)間較短，可近似認(rèn)為列車牽引電流從A點(diǎn)切換到B點(diǎn)時(shí)幅值不變。不同電流相位時(shí)列車經(jīng)過(guò)第二類絕緣節(jié)的沖擊阻抗見(jiàn)表3。

從表3可以看出：扼流變壓器電感值設(shè)置為0.016 mH時(shí)，第二類絕緣節(jié)的沖擊阻抗值約為47.4 Ω。

2.3 不同類型機(jī)械絕緣節(jié)的快速暫態(tài)過(guò)電壓對(duì)比

通過(guò)上述分析可知，在列車通過(guò)這2種不同類型的機(jī)械絕緣節(jié)時(shí)，均是牽引電流的回流路徑切換而產(chǎn)生沖擊電流，從而在絕緣節(jié)兩端產(chǎn)生快速暫態(tài)過(guò)電壓，二者過(guò)電壓的產(chǎn)生機(jī)理相同。不同的是，列車經(jīng)過(guò)第一類絕緣節(jié)時(shí)，沖擊電流是流經(jīng)絕緣節(jié)兩端的鋼軌波阻抗，從而產(chǎn)生的絕緣節(jié)過(guò)電壓；而列車經(jīng)過(guò)第二類絕緣節(jié)時(shí)，由于鋼軌波阻抗較扼流變壓器沖擊阻抗大的多，因此沖擊電流主要是經(jīng)過(guò)扼流變壓器沖擊阻抗而產(chǎn)生絕緣節(jié)過(guò)電壓。

表3 不同電流相位時(shí)列車經(jīng)過(guò)第二絕緣節(jié)的沖擊阻抗

3 結(jié) 論

(1) 當(dāng)列車帶負(fù)荷通過(guò)站場(chǎng)絕緣節(jié)時(shí)，牽引電流在輪對(duì)通過(guò)脫離絕緣節(jié)的瞬間，牽引電流的回流路徑發(fā)生變化，相當(dāng)于在絕緣節(jié)兩端各施加1個(gè)大小相等、方向相反的沖擊電流，該沖擊電流等于該時(shí)該的牽引電流瞬時(shí)值。

(2) 建立不同類型機(jī)械絕緣節(jié)的暫態(tài)電路模型，提出絕緣節(jié)兩端的快速暫態(tài)過(guò)電壓等于牽引電流被切斷時(shí)的瞬時(shí)值與絕緣節(jié)兩端沖擊阻抗的乘積，推導(dǎo)給出了列車經(jīng)過(guò)絕緣節(jié)時(shí)沖擊過(guò)電壓的計(jì)算式，并通過(guò)仿真進(jìn)行了驗(yàn)證。

(3) 仿真發(fā)現(xiàn)第一類絕緣節(jié)的沖擊阻抗約為466.2 Ω。扼流變壓器電感值為0.016 mH時(shí)，第二類絕緣節(jié)的沖擊阻抗約為47.4 Ω，遠(yuǎn)小于第一類絕緣節(jié)。因此，在站場(chǎng)正線及出站方向等列車牽引電流較大的區(qū)段不應(yīng)設(shè)置第一類絕緣節(jié)，從而避免過(guò)電壓引起絕緣節(jié)拉弧燒毀的風(fēng)險(xiǎn)。