三断口八跨锚段关节式电分相过电压分析

刘雨欣，张景景



三断口八跨锚段关节式电分相过电压分析

刘雨欣，张景景

针对电力机车通过锚段关节式电分相时产生的过电压可能造成车顶绝缘击穿的现象，利用PSCAD/EMTDC软件建立仿真模型进行研究。对比分析机车通过七跨与三断口八跨锚段关节出现的过电压幅值大小，表明三断口八跨锚段关节对过电压有一定的抑制作用。

电分相；过电压；七跨；三断口八跨

0 引言

我国电气化铁路牵引供电系统采用幅值为 25 kV的单相工频交流电，接触网通过设置电分相装置实现换相供电。锚段关节式电分相因可实现供电臂之间的平滑过渡而被广泛采用。机车通过电分相过程中电路参数不断变化，产生的过电压[1]有可能造成车顶绝缘击穿，引起牵引变电所误跳闸，对行车安全造成危害。目前，准高速电气化铁路上最常用的是七跨锚段关节式电分相。近年来在电气化铁路建设中出现一种由2个四跨绝缘锚段关节式电分相构成的三断口八跨锚段关节式电分相[2，3]（3个断口和2个中性区段）。机车通过七跨锚段关节式电分相产生过电压已被广泛研究，而对机车通过三断口八跨电分相产生过电压的研究甚少。本文主要研究机车通过三断口八跨锚段关节时产生过电压的情况。

1 锚段关节式电分相

1.1 七跨锚段关节式电分相结构

锚段关节式电分相[4]克服了器件式电分相存在的硬点问题，已大规模应用于我国高速发展的电气化铁路系统中。目前，在我国已建和新建的电气化铁路上常见的锚段关节式电分相形式主要有七跨、八跨、九跨、十跨、十二跨等，而时速超过160 km的准高速线路中，主要采用的是七跨锚段关节式电分相，其结构如图1所示。

图1 七跨锚段关节式电分相结构图

2个相互独立的四跨锚段关节组成七跨锚段关节式电分相。由图1可知，七跨锚段关节式电分相中①—⑧是一个七跨长的中性线，其中有2个断口，并且②—⑦之间的5个跨距内都是绝缘的，在中性区段上没有任何电气连接的部分。处于无电状态的区域为无电区，在该区域内，机车以惰性滑行的方式通过。

1.2 三断口八跨锚段关节式电分相结构

在客运专线铁路上由于两断口电分相存在使动车组速度下降较多，过渡时间长等缺陷，提出三断口式电分相，其结构如图2所示。

图2 三断口电分相结构图

三断口八跨锚段关节式电分相是由2个四跨锚段关节构成，主要包括2个中性区段和3个断口。结构上通过延长绝缘关节下锚，在非工作支柱上加装绝缘子，从而实现工作支与非工作支在分相无电区工作范围内的过渡，相与相之间通过空气实现绝缘，达到分相绝缘的目的。三断口电分相比两断口电分相多了1个中性区段和1个断口，其电路参数与两断口电分相相比发生了变化，使互感电压分布在2个中性区段上，改善了过分相高电压的分布，其结构如图3所示。

图3 八跨双中性段结构图

2 过电压仿真

基于电力机车通过锚段关节式电分相时要经历多个暂态过程，电路参数时刻变化，且受到各种其他因素的影响，该过程中有可能产生过电压[5，6]，对电力机车的安全运行构成威胁。本文通过PSCAD/EMTDC建立仿真模型，模拟机车通过电分相过程产生过电压的情况，为分析并抑制过电压提供参考。

2.1 七跨锚段关节式电分相仿真

2.1.1 七跨锚段关节式电分相结构参数

七跨锚段关节式电分相主要参数：接触线对地距离= 6 m；接触线对中性线距离= 0.5 m；中性线总长= 190 m；过渡区长度A=B= 70.5 m；无电区长度C= 49 m，如图4所示。

图4 七跨锚段关节式电分相示意图

2.1.2 七跨过电压仿真

根据电力机车通过七跨锚段关节式电分相的相关参数建立动态仿真模型，对机车通过电分相整个过程进行仿真。根据图4所示，机车通过电分相时主要分为以下几个过程：（1）受电弓只与A相接触线相连；（2）受电弓同时跨接A相接触线与中性线；（3）受电弓只与中性线相连；（4）受电弓同时跨接中性线与B相接触线；（5）受电弓只与B相接触线相连。正常状态下，中性区不带电同时要求不接地。机车通过电分相过程中，从A相转换至B相时可能会发生铁磁谐振，产生过电压。根据机车进入电分相时初相角不同得到中性线上过电压数据如表1所示。

表1 七跨中性线过电压数据表

本文通过PSCAD/EMTDC软件建立仿真模型，=180°时仿真波形如图5所示。

a 机车进入电分相

b 机车进入无电区

c 机车驶出电分相

通过表1可知，机车通过锚段关节电分相时中性线上产生过电压幅值的大小与进入电分相时刻初相角有一定的关系。当= 180°时，机车驶出无电区进入过渡区时产生的过电压最大，其幅值达到93.50 kV。由于在这个过程中受电弓从只与中性线接触过渡到同时跨接中性线与B相接触线，动态电路发生变化，出现铁磁谐振，产生过电压，对机车的正常运行构成威胁。

2.2 三断口八跨锚段关节式电分相仿真

2.2.1 三断口八跨锚段关节式电分相结构参数

三断口八跨锚段关节式电分相主要参数：接触线对地距离= 6 m；接触线对中性线距离= 0.45 m；中性线长度= 286 m；过渡区长度A=B= 94 m；无电区长度C= 98 m，如图6所示。

图6 三断口八跨锚段关节式电分相示意图

2.2.2 三断口八跨电压仿真

三断口八跨电分相通过在牵引网接触线的末端加装绝缘子，接触线与中性线通过绝缘子相连，使无电区为双中性线结构。机车过分相过程可能出现铁磁谐振，残余电压分布在2段中性线上，有可能抑制电力机车过分相过程产生的过电压。根据网-车-电分相的相关参数建立机车通过三断口八跨电分相的PSCAD/EMTDC仿真模型，统计机车在不同初相角时产生过电压的大小，仿真数据如表2所示。

= 120°时电压仿真波形如图7所示。

表2 八跨中性段上过电压数据表

a 机车进入电分相

b 机车进入无电区

c 机车驶出电分相

= 120°时机车过电分相过程中双中性区段2上的电压波形图与双中性区段1上的相似，所以略过不再重复。通过表2可知，机车通过三断口八跨电分相在初相角= 120°时产生最大过电压，其中中性区段1上过电压幅值为72.53 kV，中性区段2上过电压幅值为70.76 kV。与表1对比，其最大过电压幅值减小了20.97 kV，在一定程度上降低了机车过分相时中性线上过电压的幅值，减少了对电力机车安全运行的威胁。

3 结语

根据相关的参数与数据，利用PSCAD/EMTDC软件仿真模型，研究机车通过七跨锚段关节与三断口八跨锚段关节时中性线上产生过电压的大小。通过表1和表2对比可以得出机车通过三断口八跨锚段关节时产生的过电压幅值比通过七跨锚段关节时减小20.97 kV，能有效降低中性线上过电压的幅值。

[1] 刘雨欣. 机车过分相过电压的概率模拟与抑制研究[D]. 华东交通大学硕士论文，2014.

[2] 赵小乐，张宪，李晓雷. 浅谈接触网三断口八跨锚段关节式电分相技术[J]. 铁道建筑技术，2010（7）：22-29.

[3] 丁为民. 三断口式接触网电分相装置原理及应用[J].电气化铁道，2007（4）：21-22.

[4] 隋延民. 电气化铁道接触网关节式分相技术要点探讨[J]. 中国铁路，2010（11）：30-34.

[5] 屈志坚，刘雨欣，周敏. 牵引网双中性段电分相过电压分析与抑制[J]. 铁道工程学报，2014（1）：75-81.

[6] 刘明光，路延安，魏宏伟，等. 关节式电分相过电压试验研究[J]. 电气化铁道，2007，（4）：15-17.

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

刘雨欣.郑州铁路职业技术学院，助教，电话：15136470209；张景景.郑州铁路职业技术学院，助教。