雙制式列車(chē)斷路器合閘浪涌過(guò)電壓研究

李雪飛 孫文斌 李明澤 馬慶安 代 駿

雙制式列車(chē)斷路器合閘浪涌過(guò)電壓研究

李雪飛1孫文斌1李明澤2馬慶安3代 駿3

（1. 中車(chē)長(zhǎng)春軌道客車(chē)股份有限公司，長(zhǎng)春 130062；2. 四川輕化工大學(xué)自動(dòng)化與信息工程學(xué)院，四川 宜賓 644000；3. 西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，成都 611730）

雙制式列車(chē)在通過(guò)電分相或交直流轉(zhuǎn)換段時(shí)，列車(chē)進(jìn)行斷路器操作產(chǎn)生操作過(guò)電壓進(jìn)而通過(guò)高壓電纜的分布電容耦合至車(chē)體產(chǎn)生車(chē)體浪涌過(guò)電壓，可能?chē)?yán)重威脅車(chē)載弱電設(shè)備的安全運(yùn)行。本文分析雙制式列車(chē)合閘浪涌過(guò)電壓的產(chǎn)生機(jī)理，為避免高階微分方程的求解，將其分為兩個(gè)振蕩模式的乘積；搭建Simulink仿真模型，對(duì)雙制式列車(chē)的合閘暫態(tài)過(guò)程進(jìn)行仿真分析，并對(duì)列車(chē)?yán)擞窟^(guò)電壓進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和頻譜分析，理論分析與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果一致。研究表明，列車(chē)在經(jīng)過(guò)電分相或交直流轉(zhuǎn)換段時(shí)，最高可產(chǎn)生2 000V的車(chē)體浪涌過(guò)電壓，該過(guò)電壓在5ms內(nèi)逐漸衰減至零，計(jì)算模型、仿真模型與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)誤差率分別為17%和0.15%，因此，本文模型具有較高的可行性，可推進(jìn)解決雙制式列車(chē)?yán)擞繘_擊問(wèn)題。

雙制式列車(chē)；浪涌過(guò)電壓；高壓電纜；電容耦合

0 引言

目前，城軌鐵路主要采用直流供電制式；干線鐵路主要采用交流供電制式。雙制式鐵路同時(shí)存在交流和直流供電區(qū)段，需設(shè)立交直流轉(zhuǎn)換段和交交分相區(qū)，因此雙制式列車(chē)車(chē)載斷路器動(dòng)作次數(shù)遠(yuǎn)高于單一制式列車(chē)，進(jìn)而頻繁引起車(chē)體浪涌過(guò)電壓、弓網(wǎng)匹配等問(wèn)題。雙制式列車(chē)和其他列車(chē)的不同主要在于雙制式列車(chē)使用了電子式電壓互感器以適用于交流、直流電壓的檢測(cè)。重慶江跳線的運(yùn)行表明，車(chē)體浪涌過(guò)電壓嚴(yán)重干擾了電子式電壓互感器的正常運(yùn)行，有必要展開(kāi)研究。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已對(duì)干線鐵路的車(chē)體升降弓浪涌過(guò)電壓和操作過(guò)電壓進(jìn)行了廣泛研究。CRH2型動(dòng)車(chē)組升弓浪涌過(guò)電壓幅值可達(dá)6.73kV并且在12ms內(nèi)衰減[1]，該幅值與接觸網(wǎng)等效參數(shù)密切相 關(guān)[2]。文獻(xiàn)[3]從車(chē)體浪涌產(chǎn)生機(jī)理出發(fā)，分析升降弓車(chē)體浪涌過(guò)電壓的傳播規(guī)律及影響因素。文獻(xiàn)[4]研究不同阻值的接地電阻器對(duì)車(chē)體浪涌的影響。文獻(xiàn)[5]通過(guò)研究動(dòng)車(chē)組車(chē)體浪涌對(duì)車(chē)載設(shè)備的影響，提出了幾種抑制措施。文獻(xiàn)[6]對(duì)錨段關(guān)節(jié)式電分相建立等效電路，并通過(guò)仿真分析得到了電源電壓相位與中性線過(guò)電壓的關(guān)系。文獻(xiàn)[7]對(duì)接觸網(wǎng)常見(jiàn)過(guò)電壓進(jìn)行分析。文獻(xiàn)[8]針對(duì)列車(chē)升降弓車(chē)體浪涌過(guò)電壓提出了兩種抑制方法。

針對(duì)交直流雙制式列車(chē)，文獻(xiàn)[9]對(duì)雙流制列車(chē)的車(chē)體環(huán)流及車(chē)體-軸端電位問(wèn)題進(jìn)行研究，并提出一種聯(lián)合牽引供電計(jì)算方法。文獻(xiàn)[10]使用CDEGS軟件建立交直流雙制式列車(chē)供電系統(tǒng)仿真模型，并提出一種適用于交直流雙制式牽引供電系統(tǒng)的鋼軌復(fù)合電位限值。文獻(xiàn)[11]針對(duì)錨段關(guān)節(jié)式過(guò)分相，研究了列車(chē)過(guò)中性段的多種暫態(tài)過(guò)程。

目前，針對(duì)車(chē)體浪涌過(guò)電壓，國(guó)內(nèi)研究主要集中于列車(chē)升降弓操作引起的過(guò)電壓，對(duì)于車(chē)載斷路器合閘引起的車(chē)體浪涌研究較少，并且對(duì)于雙流制列車(chē)通過(guò)中性段、分相區(qū)時(shí)產(chǎn)生的車(chē)體浪涌過(guò)電壓研究甚少。本文結(jié)合兩種過(guò)電壓的數(shù)學(xué)計(jì)算模型，搭建雙制式列車(chē)合閘浪涌仿真模型，并進(jìn)行車(chē)體浪涌過(guò)電壓實(shí)測(cè)驗(yàn)證，以實(shí)現(xiàn)對(duì)雙制式列車(chē)合閘浪涌過(guò)電壓的研究和分析。

1 雙制式列車(chē)牽引供電系統(tǒng)分析

1.1 牽引供電結(jié)構(gòu)分析

雙制式列車(chē)在運(yùn)行中存在單相工頻27.5kV交流供電系統(tǒng)和1 500V直流供電系統(tǒng)的切換，雙流制供電結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。其中，交、直流牽引網(wǎng)之間存在交直流轉(zhuǎn)換段。

國(guó)內(nèi)首條雙制式線路“江跳線”的交直流轉(zhuǎn)換段采用如圖2所示的器件式分段絕緣方案。轉(zhuǎn)換段使用4臺(tái)分段式絕緣器將交直流轉(zhuǎn)換段隔離為a、b、c三段。其中，b段永久接地。

圖1 雙流制供電結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 器件式分段絕緣方案示意圖

1.2 列車(chē)牽引主回路

江跳線雙制式列車(chē)采用2動(dòng)4拖編組方式。受電弓安裝于2、5車(chē)車(chē)頂。1車(chē)～3車(chē)、4車(chē)～6車(chē)各為一個(gè)供電單元，兩供電單元結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)且電氣部分相互獨(dú)立。2車(chē)、3車(chē)之間用高壓電纜相連。牽引主電路如圖3所示。

圖3 牽引主電路

在交流運(yùn)行模式下，供電單元由受電弓取電，經(jīng)車(chē)載真空斷路器（vacuum circuit breaker, VCB）、變壓器和相應(yīng)的交直交變流器給電動(dòng)機(jī)供電。在直流運(yùn)行模式下，供電單元由受電弓取電并直接饋送到交直交變流器的直流環(huán)節(jié)，逆變后給牽引電機(jī)供電。

當(dāng)列車(chē)經(jīng)過(guò)交直流轉(zhuǎn)換段切換至直流運(yùn)行模式時(shí)，由于VCB操作過(guò)電壓較小，對(duì)車(chē)載設(shè)備無(wú)影響，因此本文不做討論。本文僅研究切換至交流運(yùn)行模式時(shí)的浪涌過(guò)電壓。

2 車(chē)體合閘浪涌仿真分析

2.1 合閘浪涌過(guò)電壓產(chǎn)生機(jī)理及計(jì)算分析

雙制式列車(chē)經(jīng)過(guò)交直流轉(zhuǎn)換段進(jìn)入交流區(qū)段后閉合VCB，將產(chǎn)生操作過(guò)電壓[12]，而操作過(guò)電壓為高頻信號(hào)，將通過(guò)高壓電纜的線芯耦合至屏蔽層，并由電纜屏蔽層接地點(diǎn)傳至車(chē)體，造成車(chē)體浪涌過(guò)電壓。

列車(chē)合閘時(shí)的車(chē)-網(wǎng)等效電路如圖4所示。其中，S、S、S分別為牽引變電所的空載電壓、內(nèi)阻和電感；L、L、L分別為接觸網(wǎng)等效電阻、電感和對(duì)地分布電容；開(kāi)關(guān)K表示真空斷路器（VCB）；m、m分別為車(chē)載變壓器等效電感和對(duì)地電容；C、C和C分別為高壓電纜分布電阻、電感和分布電容；T和T分別為列車(chē)的電感、電阻。

圖4 列車(chē)合閘時(shí)的車(chē)-網(wǎng)等效電路

圖4所示電路儲(chǔ)能元件非常多，直接分析涉及高次微分方程的求解，非常復(fù)雜。為簡(jiǎn)化分析，這里把浪涌過(guò)電壓簡(jiǎn)化為兩個(gè)過(guò)程：由于牽引網(wǎng)對(duì)地電容L較小，可將其忽略，則m和系統(tǒng)電源并聯(lián)。由于Sm且兩者并聯(lián)，故可忽略等效電感m。由于C+TS+L，Cm，則，故S+L和m組成一個(gè)低頻振蕩模式，C和C+T組成一個(gè)高頻振蕩模式，且前者是后者的調(diào)幅波。

1）振蕩模式1

由S+L和m組成的低頻振蕩模式可由如圖5所示VCB合閘等效電路說(shuō)明。圖5中，1=S+L，1=S+L。

圖5 VCB合閘等效電路

牽引變電所電源電壓S=msin(+)。其中，為牽引所交流電源初始相位，m為牽引所電源電壓幅值。

設(shè)VCB閉合瞬間，該回路電流和m的電壓um存在的關(guān)系為

由基爾霍夫電壓定律可得VCB閉合后的回路方程為

該方程對(duì)應(yīng)的拉普拉斯方程為

2）振蕩模式2

由C+T和C組成的高頻振蕩模式可由如圖6所示車(chē)體浪涌等效電路予以說(shuō)明。由KVL可得該回路的微分方程為

式中：2=C+T；2=C+T。

對(duì)式（5）進(jìn)行拉普拉斯變換可得

由式（7）可知，列車(chē)合閘浪涌過(guò)電壓與合閘時(shí)的電源電壓相位、高壓電纜分布電感C及列車(chē)等效電感T有關(guān)。合閘時(shí)電源電壓處于最值時(shí)產(chǎn)生的車(chē)體浪涌過(guò)電壓最大；列車(chē)等效電感T越大，車(chē)體浪涌越大。

圖4所示電路的車(chē)體浪涌仿真參數(shù)見(jiàn)表1。其中，v、v為單節(jié)車(chē)輛首、末端的電阻和電感；T、T為6輛車(chē)的總并聯(lián)電阻、電感；h、h為單節(jié)車(chē)輛車(chē)體頂、底部的電阻和電感；g、g為列車(chē)等效接地電阻、電感。列車(chē)單個(gè)動(dòng)力單元的高壓電纜為20m，其單位長(zhǎng)度分布電阻為0.2mW/m，單位長(zhǎng)度分布電感為0.3mH/m，單位長(zhǎng)度分布電容為0.5nF/m。

將表1數(shù)據(jù)代入式（7）可仿真得到車(chē)體浪涌過(guò)電壓如圖7所示，VCB合閘產(chǎn)生的浪涌過(guò)電壓幅值為2 330V，并且在10ms內(nèi)衰減至0V。

2.2 車(chē)體合閘浪涌仿真研究

為驗(yàn)證理論分析的正確性，本文建立車(chē)體合閘浪涌的仿真模型。

根據(jù)合閘浪涌過(guò)電壓的產(chǎn)生機(jī)理及車(chē)-網(wǎng)等效電路，建立如圖8所示的車(chē)體浪涌仿真模型，高壓電纜使用RLC模型進(jìn)行等效，不同供電單元高壓電纜使用相互獨(dú)立的斷路器K1、K2進(jìn)行表示，每節(jié)車(chē)廂設(shè)置兩個(gè)并聯(lián)的接地點(diǎn)及接地阻抗。

使用表1所示電氣參數(shù)，分別設(shè)置VCB在0.505s、0.508s動(dòng)作，可得到不同合閘相位對(duì)應(yīng)的VCB合閘浪涌過(guò)電壓波形如圖9、圖10所示。

圖9中，VCB在0.505s閉合，接觸網(wǎng)電壓相位為90°，接觸網(wǎng)電壓幅值最大，產(chǎn)生了2 003.4V的車(chē)體浪涌過(guò)電壓，并且在5ms內(nèi)逐漸衰減至0V。圖10中，VCB在0.508s閉合，接觸網(wǎng)電壓相位為144°，產(chǎn)生了幅值為1 195.1V的車(chē)體浪涌過(guò)電壓，在5ms內(nèi)逐漸衰減至0V?？梢?jiàn)，列車(chē)?yán)擞窟^(guò)電壓與VCB合閘時(shí)刻有關(guān)。

圖8 浪涌仿真模型

圖9 合閘相位為90°時(shí)的VCB合閘浪涌過(guò)電壓波形

圖10 合閘相位為144°時(shí)的VCB合閘浪涌過(guò)電壓波形

3 試驗(yàn)驗(yàn)證與分析

為驗(yàn)證以上分析的準(zhǔn)確性，本文對(duì)列車(chē)?yán)擞窟^(guò)電壓進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)。車(chē)體浪涌測(cè)試原理如圖11所示，F(xiàn)RC—50分壓器分別接于車(chē)頂接地點(diǎn)A和車(chē)底接地點(diǎn)B，使用UNI—T（UPO3240CS）示波器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。示波器使用觸發(fā)模式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，觸發(fā)電壓為500mV（對(duì)應(yīng)車(chē)體電壓800V），采樣頻率為7MHz。

圖11 車(chē)體浪涌測(cè)試原理

按照測(cè)試原理連接試驗(yàn)設(shè)備與網(wǎng)壓互感器，在列車(chē)車(chē)廂內(nèi)進(jìn)行跟車(chē)試驗(yàn)，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試如圖12所示。

圖12 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

列車(chē)經(jīng)電分相、交直轉(zhuǎn)換段進(jìn)入交流區(qū)段時(shí)，采集到的浪涌過(guò)電壓如圖13所示。

圖13 現(xiàn)場(chǎng)采集的浪涌過(guò)電壓

計(jì)算模型仿真與Simulink模型仿真所得浪涌過(guò)電壓幅值分別為2 330V和2 003.4V并在5ms左右衰減為0V，對(duì)比實(shí)測(cè)結(jié)果2 000V且在2.5ms內(nèi)衰減為0V，本文模型誤差率分別為17%和0.15%，由此可見(jiàn)，浪涌過(guò)電壓幅值存在差別的原因?yàn)閂CB合閘時(shí)的電源電壓相位、列車(chē)位置不同。

為進(jìn)一步驗(yàn)證本文模型的合理性及可行性，將仿真及實(shí)測(cè)信號(hào)進(jìn)行短時(shí)剖分，通過(guò)Matlab的spectrogram函數(shù)對(duì)車(chē)體浪涌仿真數(shù)據(jù)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行短時(shí)傅里葉變換（short-time Fourier transform, STFT），對(duì)比合閘相位90°時(shí)的浪涌主要波段頻譜圖。浪涌頻譜分析如圖14所示。

圖14 浪涌頻譜分析

仿真數(shù)據(jù)主要波段的頻率和幅值分別為5MHz/2 000V、2.5MHz/1 500V、1.25MHz/500V和1MHz/300V，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)主要波段的頻率和幅值分別為6MHz/2 003V、3MHz/1 400V、1.5MHz/800V和1.25MHz/500V。由此可見(jiàn)，車(chē)體浪涌仿真波形與實(shí)測(cè)波形、衰減時(shí)間基本契合，驗(yàn)證了本文分析的正確性和本文模型的可行性。

4 結(jié)論

本文研究了雙制式列車(chē)斷路器合閘產(chǎn)生浪涌過(guò)電壓的機(jī)理，并對(duì)浪涌過(guò)電壓進(jìn)行了仿真分析和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)。研究結(jié)果表明，雙制式列車(chē)在通過(guò)電分相和交直流轉(zhuǎn)換段后閉合VCB時(shí)產(chǎn)生車(chē)體浪涌過(guò)電壓。浪涌過(guò)電壓幅值主要與列車(chē)合閘相位（即合閘時(shí)刻的網(wǎng)壓值）、牽引所等效參數(shù)及高壓電纜等效參數(shù)有關(guān)，其幅值最大可達(dá)到2 000V，并且在5ms內(nèi)逐漸衰減至0V。

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Research on circuit-breaker closing surge overvoltage of dual-system train

LI Xuefei1SUN Wenbin1LI Mingze2MA Qing’an3DAI Jun3

(1. CRRC Changchun Railway Vehicle Co., Ltd, Changchun 130062;2. School of Automation and Information Engineering, Sichuan University of Science & Engineering, Yibin, Sichuan 644000;3. School of Electrical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 611730)

When a dual-system train passes through the neutral-section, the catenary voltage is coupled to the vehicle body through the high voltage cable distribution capacitance, resulting in a surge overvoltage in the vehicle body, which may seriously threaten the safe operation of the on-board electronic equipment. In this paper, the generation mechanism of the circuit-breaker closing overvoltage of the dual-system train is analyzed. In order to avoid the solution of higher-order differential equations, the overvoltage is decomposed into two oscillation modes. A Simulink model is built to analyze the closing transient process of the dual-system train. On-site measurement of surge overvoltage is also conducted. The theoretical and on-site measurement results are consistent. Studies show that a surge overvoltage of up to 2 000V on the vehicle body maybe be generated and it will decays to zero within about 5 microseconds. The error rates of the calculation model, simulation model, and measured data are 17% and 0.15%, respectively. Therefore, the model proposed in this paper has high feasibility.

dual-system train; surge overvoltage; high voltage cable; capacitive coupling

2023-05-15

2023-06-13

李雪飛（1978—），女，正高級(jí)工程師，從事車(chē)輛總體設(shè)計(jì)工作。