开关并联电阻地面自动过分相方案研究

魏晓娟，王洪涛，吴羽生

0 引言

为了平衡电网三相电流，国内电气化铁道采取了分相分段供电的方式。为了防止相间短路，接触网上每隔25～30 km 就必须装设一组锚段关节式电分相装置[1]。随着铁路速度的提升，在建高速和改造的线路都采用了自动过分相装置，以保证列车能够顺利通过电分相。然而，在列车实际运营中发现，电力机车在通过关节式电分相时，仍然多次发生过电压现象，其可靠性和稳定性都存在一定问题，一旦出现机车带电闯过电分相的事故，将会使受电弓、分相装置受损，严重时将造成接触网烧损、中断铁路运输，给铁路安全运行带来严重的后果。因此，研究稳定、可靠的自动过分相方案仍然是现在学者迫在眉睫的工作。

1 问题的提出

国内外研究过的自动过分相方案主要有3 种：（1）柱上开关自动断电过分相方案；（2）车载自动控制断电过分相方案；（3）地面开关自动切换过分相方案。根据国内情况，方案（1）在国内并没有推广，相比于车载过分相方案，地面开关自动切换过分相方案不需要分断主断路器，无供电死区，列车速度损失小，是最理想的一种方案[2]，然而，该方案最大的缺点是采用真空断路器作为切换开关会产生较高合闸过电压，影响铁路的安全运行。若能解决真空断路器切换带来的过电压问题，那么地面开关自动过分相方案将会更加满足国内铁路高速发展的需要。文献[2]和文献[3]曾研究过一种采用变压器升压-降压式的地面自动过分相方案，但该方案引入了3 台变压器，系统复杂，投资成本大，维修不方便。因此，本文提出一种改进简单、维修方便的地面自动过分相方案，以解决真空开关切换带来的过电压等暂态问题。

2 地面自动过分相方案研究

2.1 地面自动过分相方案原理

地面开关自动切换过分相装置主要组成部分有：地面传感器、车头感应器、室内控制器和切换开关。其方案示意图如图1 所示，其中K1、K2为真空负荷开关。假设列车L 从α 相驶来到CG1处时，K1闭合，中性段由α 相供电。列车驶入中性段到达CG3处时，K1断开，然后K2迅速闭合，此时中性段由β 相供电，机车不做任何操作通过过渡区。待机车驶离CG4处时，K2断开，装置恢复原始状态，为下一列机车过分相做好准备，这样该列车完成自动过分相过程。

图1 地面自动过分相方案示意图

2.2 真空开关操作过电压

真空开关在开断时，其动静触头间将出现真空电弧，当电弧熄灭后，真空间隙成为绝缘介质后，开关开断完成。该过程中，电弧由导体转为绝缘体的过渡过程称为介质强度恢复过程，如果介质强度大于恢复电压，则电弧熄灭，开断成功，反之，如果介质强度小于恢复电压，则真空间隙击穿，电弧重燃，产生二次重合闸过电压[4]。

地面自动过分相方案产生过电压的根本原因是由于真空负荷开关带负荷操作产生的过电压：（1）列车行驶到CG1时，K1闭合，此时，将中性线连接到接触网上，相当于空载线路合闸的过程，中性线对地电容与列车高压互感器电感参数匹配产生振荡电压叠加在工频电压上引起过电压。（2）列车到CG3处时，K1断开，K2闭合，产生类似于变压器空载合闸的过电压现象。

2.3 过分相过电压暂态分析

列车过电分相等效电路图见图2（开关K1闭合）。其中US为牵引供电电压源，RS、LS分别为牵引变压器等效电阻和电感，R1、L1分别为接触网的等效电阻和电感，RZ、LZ分别为中性段的等效电阻和电感，CZ为中性线对地等效电容，C1Z为中性线和接触网之间的等效电容，Cm为受电弓对地等效电容，Lm为高压互感器等效电感。

图2 列车过电分相等效电路图

根据计算，易知Lm很大，Cm远小于CZ，因此忽略Lm和Cm，若令L = LS1+ L1+ LZ；R= RS1+R1+ RZ；C = C2，可得回路方程：

根据电路知识，常系数的二阶线性非齐次微分方程式的全响应可以由零输入响应和零状态响应叠加得到。

（1）零输入响应：即输入电源为零，得方程式解特征根得

式中，U0为中性段感应电压，牵引变压器为Ynd11或V/v 接线方式（两相电压相位差120°）时，；为平衡变压器接线方式（两相电压相位差90°）时，。

（2）零状态响应：设牵引供电电压源uS=Umsin(ωt + φ)，ω为电源角频率，φ为电源的初相角，得方程式

求解可得零状态响应解为

其中

（3）全响应：将式（3）与式（5）相加，可得式（1）的全响应解为

从式（6）可以看出，中性线上过电压uC(t)与列车进入中性段时，牵引供电电源初相角φ和中性线上感应电压U0有关。由于列车过分相时刻是随机的，因此φ的取值也是不确定的，不同的φ值，将产生不同的过渡过程。

3 开关并联电阻地面自动过分相方案

为了限制真空断路器切换引起的过电压，本文提出一种开关并联电阻地面自动过分相方案，如图3 所示。

图3 开关并联电阻地面自动过分相方案示意图

在开关中增加一个并联电阻R 和一对辅助触头，使开关的合闸分为2 个阶段：若要合开关K1，则首先将触头K12先接通，将并联电阻R 串入回路，经过一个短暂时间后再将主触头K11闭合，将并联电阻短接，完成合闸的操作。由于电阻的阻尼作用，可以加速振荡过程的衰减，使过电压幅值减小，得到有效的抑制。

关于R 取值的大小，需要分析2 个方面，一方面合上K12时，将R 串入回路，R 应越大，这样，振荡电路的衰减就越快，过电压越小，R = 0 时，相当于无并联电阻合闸，最大过电压为Um。另一方面，合上K11时，R 越大，过电压也越大，R→∞时，相当于无并联电阻合闸，其最大过电压也为Um。由此得到图4 所示的曲线图，R 取其交点α处附近值，过电压最低，抑制效果最好。

图4 并联电阻R 曲线图

4 开关并联电阻地面自动过分相方案仿真

列车过分相过程有2 个阶段。第1 阶段：列车由接触网“带电”状态过渡到中性段“无电”状态；第2 阶段：列车离开中性段时刻，列车由中性段“无电”状态过渡到接触网“带电”状态。第2 阶段与第1 阶段的分析方法相同，仅仅是列车位置有所改变，由于篇幅原因，本文仅对列车进中性段时刻的暂态过电压进行分析，列车出电分相时刻的研究方法由此类推。根据图2 所示的等效电路图，选取电分相位置两端牵引变压器为Ynd11 或V/v 接线方式（左右供电臂电压相位差φ = 120°）为例，运用Matlab/Simulink 仿真软件进行分析，得出结果：机车进入中性段时，在牵引供电电源初相角φ = 90°和φ = 270°时，中性线电压UC幅值最大，其仿真研究如下。

（1）牵引供电电源初相角φ = 90°，列车进入中性段时，采用真空负荷开关和开关并联电阻地面自动过分相方案，中性线电压波形如图5 和图6 所示。

图5 φ = 90°真空负荷开关过分相中性线电压波形图

图6 φ = 90°开关并联电阻过分相中性线电压波形图

（2）牵引供电电源初相角φ = 270°时，电力机车进入中性段时，采用真空负荷开关和开关并联电阻地面自动过分相方案，中性线电压波形如图7 和图8 所示。

图7 φ = 270°真空负荷开关过分相中性线电压波形图

图8 φ = 270°开关并联电阻过分相中性线电压波形图

从图5～图8 的仿真波形比较中，可以看出，开关并联电阻地面自动过分相方案，由于引入了并联电阻R，利用电阻的阻尼作用，可以有效地限制开关合闸过电压，保证列车安全稳定地过电分相。

5 结论

本文通过对地面自动过分相方案的分析，提出了一种开关并联电阻地面自动过分相方案，通过Matlab/Simulink 仿真软件分析，该方案能够很好地抑制开关切换带来的暂态过电压问题，可以保证列车顺利通过电分相。此外，该方案仅需要对真空负荷开关部分进行改进，其余列车控制和感应装置等部分不需要任何改动，投资成本低，易于实现。

[1] 郭育华，连级三，张昆仑.自动过分相对电力机车的影响[J].机车电传动，2000，（2）.

[2] 董志杰.地面自动过分相技术及方案研究[D].西南交通大学研究生学位论文，2004.

[3] 周福林，李群湛.一种新的地面自动过分相方案的研究[J].西铁科技，2007，（1）.

[4] 尹奎龙.真空开关操作过电压及其防护研究[D].华北电力大学硕士学位论文，2003.

[5] 纪叶生.特高压输电系统的过电压分析及限制研究[D].贵州大学硕士研究生学位论文，2007，16-19.

[6] 刘孟恺.关节式电分相过电压的分析与研究[J].西南交通大学研究生学位论文，2010，（4）：26-27.

[7] 薛定宇，陈阳泉.基于MATLAB/SIMLINK 的系统仿真技术与应用[M].清华大学出版社，2002.