城市軌道交通裝備試驗線感應(yīng)電壓抑制技術(shù)研究

張士奎

（中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司國家鐵道試驗中心，北京 100015）

0 引言

城市軌道交通裝備綜合試驗線（以下簡稱“城軌交通試驗線”）位于中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司國家鐵道試驗中心既有大環(huán)試驗線內(nèi)側(cè)，為一條閉合曲線，北半環(huán)與大環(huán)試驗線并行，南半環(huán)位于小環(huán)試驗線南側(cè)并與小環(huán)試驗線等高并行，與北半環(huán)封閉成環(huán)狀（圖 1）。以往試驗中，平均交流牽引電流約 200 A，但現(xiàn)在高鐵動車牽引電流高達(dá) 900 A，短路時將會更大，所以機(jī)車正常運(yùn)行或接觸網(wǎng)發(fā)生短路故障時感應(yīng)電壓將增加幾倍甚至十幾倍。尤其在環(huán)線交流網(wǎng)試驗過程中有網(wǎng)壓波動、網(wǎng)壓中斷等工況時，感應(yīng)電壓隨之波動。過高的感應(yīng)電壓造成城軌直流試驗線接觸網(wǎng)與環(huán)線交流試驗線接觸網(wǎng)不能同時供電，嚴(yán)重影響了試驗效率。

圖1 交流試驗線與直流城軌試驗線示意圖

隨著我國城市軌道交通和城際鐵路的快速發(fā)展，運(yùn)營現(xiàn)場將會會出現(xiàn)越來越多的交流鐵路線與城軌直流線并行或交叉工況。近距離下，交流 27.5 k V接觸網(wǎng)對鄰近接觸網(wǎng)上的較大感應(yīng)電壓及設(shè)備、通信設(shè)施和人身安全都存在著一定的危害。雙線電氣化鐵路及并行的交直流輸電線路也同樣存在感應(yīng)電壓的問題。

1 感應(yīng)電壓數(shù)值仿真

1.1 接觸網(wǎng)空間位置分布

環(huán)線交流線的接觸網(wǎng)主要包括接觸線、承力索、鋼軌和保護(hù)線；城軌直流接觸網(wǎng)主要包括接觸線、承力索、輔助饋線、鋼軌和保護(hù)線。各接觸網(wǎng)導(dǎo)線空間分布位置如圖 2 所示。

圖2 接觸網(wǎng)空間位置（單位：mm）

1.2 牽引變電所參數(shù)計算

1.2.1 電源參數(shù)計算

考慮到高速動車組功率因數(shù)，計算電壓損失時電阻RS按 1/3 電抗XLS考慮，由關(guān)系式ZS=RS+jωXLS=1.125 +j3.376，可得到電源的電阻RS、電感LS為：

1.2.2 變壓器參數(shù)計算

根據(jù)表 1 變壓器銘牌，可計算得到變壓器參數(shù)如下。

表1 變壓器銘牌

一次繞組和二次繞組電抗XT1、XT2：

一次繞組與二次繞組的電感值LT1、LT2：

一次繞組與二次繞組電阻RT1、RT2：

變壓器電導(dǎo)GT和電納BT：

1.3 仿真計算

根據(jù)前述計算得到的牽引變電所參數(shù)，在MATLAB/Simulink 環(huán)境中搭建牽引網(wǎng)、電源、變壓器模型，并在牽引網(wǎng)流 1 000 A、系統(tǒng)短路等極端工況下進(jìn)行仿真計算。仿真結(jié)果表明，靜電感應(yīng)電壓峰值為 6 500 V，有效值為 4 596 V；隨列車位置變化和短路位置的不同，城軌接觸線上每公里的縱向感應(yīng)電動勢變化曲線如圖 3 所示。

圖3 城軌線上的縱向感應(yīng)電動勢變化曲線

2 環(huán)線交流網(wǎng)對城軌直流網(wǎng)電磁感應(yīng)電壓測試

針對 25 kV 環(huán)線交流網(wǎng)對城軌直流網(wǎng)電磁感應(yīng)影響，進(jìn)行了有車和無車通過條件下直流城軌線無電時感應(yīng)電壓大小測試，以及 25 kV 環(huán)線交流網(wǎng)饋線電壓和電流測試。測試分以下 4 種工況：①環(huán)線接觸網(wǎng)電壓為 25 kV，電流為 0 A；②大環(huán)線接觸網(wǎng)電壓為25 kV，電流不為 0 A；③網(wǎng)壓波動；④網(wǎng)壓突變。

感應(yīng)電壓測試接線如圖 4 所示。圖 4 中，DC：6# 支柱側(cè)感應(yīng)電壓V6，4# 支柱側(cè)感應(yīng)電壓V4，鋼軌對地電壓Vg；AC：網(wǎng)壓U，網(wǎng)流I；5# 支柱、95# 支柱為接觸網(wǎng)分段處。

2.1 環(huán)線無車時感應(yīng)電壓

表2 給出了不同工況時的感應(yīng)電壓有效值。從表 2可以看出，當(dāng)直流接觸網(wǎng)處于懸空狀態(tài)時，接觸網(wǎng)感應(yīng)電壓可達(dá) 2 000 V（不超過 2 400 V），走行軌感應(yīng)電壓較小，一般為 10 V 左右；當(dāng)直流接觸網(wǎng)的一端接地時，對應(yīng)接觸網(wǎng)感應(yīng)電壓較小，不超過 30 V，此時走行軌感應(yīng)電壓也會相應(yīng)較小，一般在 5 V 以內(nèi)。

圖4 感應(yīng)電壓測試接線示意圖

表2 感應(yīng)電壓有效值 V

2.2 環(huán)線有車時感應(yīng)電壓

圖5 給出了某日測試時間內(nèi)環(huán)線交流網(wǎng)網(wǎng)壓、網(wǎng)流有效值波形圖。從圖 5 中可以清晰地看到環(huán)線交流網(wǎng)網(wǎng)壓波動及網(wǎng)壓突變實(shí)驗情況。

表3 給出了環(huán)線交流網(wǎng)不同網(wǎng)壓時的感應(yīng)電壓。直流接觸網(wǎng)兩端均懸空時，隨環(huán)線交流網(wǎng)不同網(wǎng)壓等級，感應(yīng)電壓在 2 300～2 800 V 內(nèi)波動；直流接觸網(wǎng)一端懸空一端接地時，隨交流網(wǎng)網(wǎng)壓等級變化，接地側(cè)感應(yīng)電壓在 5～20 V內(nèi)波動，懸空側(cè)感應(yīng)電壓在 1 800～2 900 V內(nèi)波動。

3 感應(yīng)電壓抑制技術(shù)及其參數(shù)計算

3.1 感應(yīng)電壓抑制裝置

通過上節(jié)環(huán)線交流網(wǎng)對城軌直流網(wǎng)電磁感應(yīng)電壓測試可知，環(huán)線 25 kV 交流網(wǎng)對直流網(wǎng)感應(yīng)電壓較大，在懸空狀態(tài)下感應(yīng)電壓在 2 300～2 800 V，超過了 1 000～1 800 V 的允許值（DC1500V）。為降低環(huán)線交流網(wǎng)對直流網(wǎng)感應(yīng)電壓的影響，研制了“無源型”交流濾波感應(yīng)電壓抑制裝置，該裝置由電力電容器、電抗器（常用空芯的）和電阻器組成，其工作原理圖如圖 6 所示。

圖5 交流網(wǎng)網(wǎng)壓、網(wǎng)流有效值波形圖

表3 不同接地工況下感應(yīng)電壓值（最大值）

圖6 感應(yīng)電壓抑制裝置原理圖

感應(yīng)電壓抑制裝置主要抑制靜電感應(yīng)電壓和電磁感應(yīng)電壓（縱向感應(yīng)電動勢），其中靜電感應(yīng)電壓主要為工頻 50 Hz，電磁感應(yīng)電壓既有工頻又有高次諧波。靜電感應(yīng)電壓盡管很高，但其對泄放支路電流能力要求并不高；電磁感應(yīng)電壓由于和機(jī)車電流及頻率成正比，一旦試驗機(jī)車諧波電流較大時，可能會導(dǎo)致比較高的感應(yīng)電壓值。為此，選擇額定通流能力為 6 A 的 50 Hz 單調(diào)諧濾波器和通流能力為 50 A 的高通濾波器。

3.2 感應(yīng)電壓抑制裝置參數(shù)計算

3.2.1 單調(diào)諧濾波器電容電感計算

單調(diào)諧濾波器電容器 C1 需要長時間耐受 DC1500V 的直流電壓，由于直流網(wǎng)最大允許網(wǎng)壓為 1 800 V，考慮縱向感應(yīng)電動勢的影響且留有一定裕量，選擇耐壓水平U1= 3 000 V 的電容器，容量QC1= 20 kVar，f= 50 Hz，由此可計算得到：

電容器 C1 的電容C1：

電抗器 L1 電感L1：

為防止感應(yīng)電壓過大情況下，電容器、電抗器處于過流運(yùn)行狀態(tài)，電抗器 L1 可設(shè)置 2 個抽頭。主抽頭選擇1 432 mH，與電容器 C1 構(gòu)成工頻 50 Hz 串聯(lián)諧振，另外一個輔助抽頭設(shè)置為 1 750 mH。

3.2.2 二階高通濾波器電容電感計算

由于電力機(jī)車的不同，可能在直流牽引網(wǎng)中產(chǎn)生高次諧波，為消除高次諧波的影響，設(shè)計了二階高通濾波器。二階高通濾波器電容器 C2 的耐壓水平U1= 3 000 V，容量QC2= 100 kVar，截止頻率f0= 5f（f為 50 Hz），濾波器品質(zhì)因數(shù)q=1，由此可計算得到：

電容器 C2 的電容C2：

電抗器 L2 電感L2：

3.2.3 放電電阻器 R1 阻值計算

放電電阻器 R1 作用是直流牽引網(wǎng)停電時對電容器C1 和 C2 進(jìn)行放電。由于 R1 接于直流系統(tǒng)的正負(fù)母線之間，所以 R1 的阻值要求很大，同時考慮放電時間的影響，不能將 R1 設(shè)置為無窮大。根據(jù)放電規(guī)程，電容器電壓要在 5 min 之內(nèi)降到 60 V 以下。UC（0+）為電容器的初始狀態(tài)電壓值，可選直

流電壓最大允許值1 800 V；UC（∞）為電容器的穩(wěn)態(tài)電壓值；UC（t）為電容器放電時間為t時的電壓值。由電容放電公式可得：

由τ=R1C1=R1C2可得：

取R1= 2 MΩ 時，可以滿足電容 C1 和 C2 放電時間要求。

3.3 感應(yīng)電壓抑制效果仿真分析

為了理論驗證上述感應(yīng)電壓抑制裝置參數(shù)的可行性和感應(yīng)電壓抑制效果，采用 MATLAB 軟件進(jìn)行了仿真分析。仿真分析分為 a 空載、b 只投入工頻濾波器支路、c 只投入高通濾波器支路、d 感應(yīng)電壓抑制裝置完全投入以及 e 直流電源加入等 5 種工況。圖 7 為 5 種工況下的電路拓?fù)鋱D，圖 8 為系統(tǒng)總體仿真電路圖。仿真參數(shù)按前述計算參數(shù)，5種工況下的感應(yīng)電壓基波仿真有效值見表 4。表 4 仿真結(jié)果表明，感應(yīng)電壓抑制裝置在未投入工況下，感應(yīng)電壓基波有效值為 2 400 V，在完全投入且上直流電的情況下，感應(yīng)電壓基波為 0 V?？梢?，感應(yīng)電壓參數(shù)選取合理有效。

圖7 仿真分析工況

圖8 系統(tǒng)總體仿真電路圖

表4 5 種工況下感應(yīng)電壓基波仿真有效值 V

4 感應(yīng)電壓抑制效果試驗驗證

感應(yīng)電壓抑制效果試驗驗證包含 5 種試驗工況：工況 1，感應(yīng)電壓抑制裝置空載；工況 2，只投入工頻濾波器支路；工況 3，只投入高通濾波器支路；工況 4，感應(yīng)電壓抑制裝置全部投入；工況 5，直流電供電條件下感應(yīng)電壓抑制裝置全部投入?，F(xiàn)場測試接線見圖 9。本文只對典型工況 1、工況 4、工況 5 進(jìn)行論述。

圖9 感應(yīng)電壓抑制裝置試驗驗證現(xiàn)場接線圖

4.1 感應(yīng)電壓抑制裝置空載（工況 1）

選取某日 15∶06∶25—15∶07∶50 時的波形進(jìn)行分析，電壓有效值曲線和電壓諧波次數(shù)及含量百分比如圖10、圖 11 所示。由圖 10、圖11 可見，空載情況下電壓的有效值在 2 400～2 500 V 范圍內(nèi)波動，電壓諧波含量較少，各次諧波所占百分比也較小。

圖10 工況 1 電壓有效值曲線

圖11 工況 1 電壓諧波次數(shù)及含量百分比

4.2 感應(yīng)電壓抑制裝置全部投入（工況 4）

選取某日15∶19∶00—15∶23∶20 時的波形進(jìn)行分析，各通道有效值曲線如圖 12 所示。由圖 12 可見，投入工頻支路和高通支路的情況下，總電壓的有效值為22 V 左右，總電流的有效值在 0.24 A 左右。另外，高通支路電流有效值在 0.3 A 左右，工頻支路電流有效值在 0.35 A 左右。

圖12 工況 4 總電壓總電流有效值曲線

4.3 直流電供電條件下感應(yīng)電壓抑制裝置全部投入（工況 5）

選取某日16∶14∶00—16∶17∶23 時的波形進(jìn)行分析，各通道有效值和頻譜特性如圖 13、圖 14 所示。由圖 13、圖 14 可見，在高通支路與工頻支路都投入，且上直流電 1 650 V 的情況下，總電壓的有效值為 1 673 V，總電流的有效值在 0.172 A 左右；高通支路有效值在0.179 A 附近波動，工頻支路電流有效值為 0.073 A，電壓基本無諧波；總電流中諧波含量較多，諧波含量較高的多集中在 7 次、41 次附近，其中 2、5～8、12、18、23、24、33、35、37、41、43、45、63 次諧波含量均超過 50%，7 次諧波含量超過 300%。仿真與實(shí)測結(jié)果表明，濾波通路設(shè)計合理，濾波效果良好。

另外，5 種試驗工況數(shù)據(jù)的綜合比較見表 5。試驗結(jié)果表明，感應(yīng)電壓抑制裝置對感應(yīng)電壓的抑制效果明顯。

5 結(jié)論

（1）投入感應(yīng)電壓抑制裝置后效果比較明顯，在投入之前感應(yīng)電壓在 2 420 V 左右，投入裝置后感應(yīng)電壓被抑制在 17.5～22 V。只投工頻支路時感應(yīng)電壓被抑制在 69 V，并且電壓中含諧波較多，繼續(xù)投入高頻支路后電壓被抑制在 22 V，且電壓中基本無諧波。

圖13 工況 5 總電壓總電流有效值曲線

圖14 工況 5 總電壓總電流諧波次數(shù)及含量百分比

表5 5 種試驗工況數(shù)據(jù)綜合比較

（2）仿真結(jié)果與實(shí)測結(jié)果具有一致性。計算仿真分析與實(shí)測分析表明，感應(yīng)電壓抑制裝置抑制效果明顯，通過安裝感應(yīng)電壓抑制裝置可以有效抑制感應(yīng)電壓的產(chǎn)生，減少高感應(yīng)電壓所帶來的不利影響，使試驗中心大環(huán)線和城軌線可以同時進(jìn)行試驗，提高了環(huán)形鐵道試驗?zāi)芰Α?/p>