电气化铁道供电系统几种典型过电压的分析与比较

陈明忠

（南京铁道职业技术学院，南京 210031）

电气化铁道供电系统几种典型过电压的分析与比较

陈明忠

（南京铁道职业技术学院，南京 210031）

牵引供电系统的过电压问题是系统安全运行的一个十分重要的问题，供电系统的结构与运行方式有其特殊性，过电压问题尤为突出。本文对牵引供电系统出现的几种典型的过电压进行了比较与分析，提出相应的安全保障措施和建议，对提高系统的安全性与可靠性具有较强的现实意义。

供电系统；安全；过电压；分析

随着高速电气化铁道技术的快速发展，牵引供电系统过电压问题逐步突出。大气过电压曾一度使供电系统发生事故，中断供电。此外，供电系统运行中也会产生过电压，这种来源于系统内部的操作过电压往往会导致设备故障，严重影响供电系统安全。不仅如此，受电弓在与接触网耦合取流过程中也会产生暂态过电压，会引起支柱绝缘子或母线绝缘子闪络等故障，引起变电所断路器动作跳闸。本文对电气化铁道牵引供电系统出现的几种典型过电压出现的条件与物理过程进行了分析，并对京沪线某段的过电压进行了统计，提出相应的防护措施与建议，对理解和掌握供电系统过电压规律，保障供电系统安全运行有非常重要的意义。

1 几种典型的过电压

1.1 大气过电压

大气过电压有称为系统外部过电压，是由雷电作用于供电设备引起。接触网设备一般露天布置在野外，容易遭受到雷击而发生事故。架空地线和避雷器的使用在一定程度上减少雷击概率是有帮助的，但雷害事故时有发生[1]。牵引变电所的露天设备虽然在避雷针的保护范围内，但现实的情况是避雷器在雷季动作次数明显偏多，高压侧一次设备遭受雷击的事故也不鲜见[2]。大气过电压作为电气化铁道供电系统的一种典型的过电压已经越来越引起人们的重视。

雷电作用于供电设备有两种形式，一种是雷直击供电设备造成故障。另一种是雷击设备附近（一般在65m以内）使雷电通道邻近设备遭受到感应过电压。当有大气过电压出现时，通常容易出现的是绝缘闪络故障，引起断路器跳闸。大气过电压持续的时间相当短，一般都在100以内。如果设备绝缘介质电气强度得以恢复，工频电弧在自动重合闸动启动前熄灭，则重合闸重合成功的概率将大为提高。

1.2 接触网空载分闸过电压

对于接触网“天窗”检修作业来说，空载线路分闸几乎在每次倒闸作业时都要发生。牵引变电所馈线断路器一般都采用的是真空断路器，如果断路器在分断空载接触网容性电流时发生了重击穿，则过电压产生不可避免。对于一般普通三相电力线路来说，真空断路器发生重击穿的概率在5%以内[3]，对于空载切除接触网重击穿的概率目前还缺乏研究。但过电压一旦发生在设备条件最不利的情况下，则可能酿成供电事故。接触网空载分闸产生过电压过程可以用如下图1中电路进行描述。在图1中，接触网线路的对地分布电容Cj与等效分布电感Lj，系统的电阻为R，电源电势E，QF为真空断路器。

图1 接触网空载分闸的等值电路

在断路器分闸的 t0时刻，在最不利的情况下电流 ijc位于零点，即而此刻的弧隙电压为27.5kV母线（E为电源电势）电压峰值。如果此刻真空断路器发生了重击穿，电弧过零后重新燃烧的电弧将激发频率较高的震荡，震荡频率ω由线路的分布参数决定，通常Cj与Lj都很小且受接触网布置方式与供电方式等因素影响较大。因此震荡频率ω数值很高，可达到数千赫兹。仿真与计算表明，在大多数的情况下，高频电弧电流过零后并不熄灭，而工频电弧在下一个周期过零时刻熄灭。如图2所示为某一次典型的接触网空载分闸过电压波形。在图2中，t0时刻馈线真空断路器分闸，工频电弧电流ijc过零后重新燃烧，此刻产生了高频震荡过电压。

图2 接触网空载分闸过电压的波形

1.3 接触网重合闸过电压

对于接触网空载合闸的情况，多发生在“天窗”作业结束消令送电时刻。但此时接触网对地分布电容储存电荷已在挂接地线时充分释放，故空载合闸的充电过程一般不会产生过电压。但如果自动重合闸启动，则情况就会有很大的不同。无论是送合闸电，还是发生瞬时故障，当馈线自动重合闸动作时可能会产生过电压。这也成为电气化铁路供电系统的一种典型的过电压。这个过电压一般不会危及供电系统的安全运行，但当系统的绝缘有缺陷或存在薄弱点时，则可能造成重合闸失败，中断供电。

由于接触网线路上电容电荷的存在，接触网上将有一个电压U0，U0也可认为是重合闸动作前电源对线路的充电电压。如果U0的方向和电源充电电压方向此刻相同，则不会产生过电压。但在最一般的情况下，U0与电源的充电电压相位不同，此刻在合闸瞬间线路上会产生高频震荡的过电压。

这个过电压也是电气化铁路供电系统中的一种典型过电压。在最严重的情况下，U0的方向与重合闸动作时刻电源电压的方向相反（相位角差π）且在线路空载时，这个过电压的幅值将达到最大值。如果考虑到并联无功补偿装置补偿电容Cs和串联电抗器 Ls的影响[4]，则过电压产生的震荡频率会减小，同时过电压产生的幅值要增大。

1.4 弓网离线瞬态过电压

对于电气化铁路来说，弓网之间的耦合关系是这个系统最重要的关系之一。在受电弓（取流器）与接触导线机械摩擦取流的过程中，会由于各种原因（如受电弓通过分段绝缘器、接触网弹性的突变点、设备施工与安装中的硬点等）会出现间歇性的离线。在机车带负荷运行过程中发生离线，这在运行过程中几乎不可避免。发生离线产生的高频电弧电流，往往会引起机车与供电系统的过电压[5]。这个过电压不仅给供电系统造成直接威胁，还会使机车受电弓绝缘子闪络，甚至造成机车内部元件的损坏，因此这也是电气化铁路的一种典型的过电压。这种过电压形成的物理过程可以用图3等效电路模型来说明。

图3中LM为电力机车等值电感，K表示机车受电弓与导线的接触点，Ls与cs为无功补偿装置的电感与电容。当K点有离线电弧产生时，负荷电流以高频电弧电流的形式向机车等值电感LM供电。此刻电路的状态可由下列状态方程描述：

设 t=0时刻发生了离线，式（1）的解式（2）的波形为如图4所示。

图4 弓网离线过电压的波形

2 过电压的分布

通过以上分析可知，电气化铁道供电系统在日常运行中会经常会有过电压的情况发生。外部大气过电压（雷闪过电压）发生主要与当地的雷电流概率分布相关，也和接触网与变电所的布置方式有关。按照有关规程规范要求，在设计与施工安装过程中应充分考虑此类过电压以减小雷电造成设备故障的概率。

以京沪线上海铁路局 2011年全年统计的大气过电压71次，其中53次引起变电所跳闸，其分布情况如图5所示。

图5 大气过电压分布

由图5可见，大气过电压的分布与当地雷电活动相关，在华东地区的春夏季节，发生雷击供电系统设备的情况尤为突出。图5的统计分布与当地气象部门的记录的相差较大，但季节相关特征是相似的。从目前的技术水平来看，主要根据避雷器动作情况和雷击设备故障情况统计供电系统的雷击次数。对于每一次雷击过程雷电流的幅值是无法得知的，只能由当地的雷电流分布的概率函数来分析，这对于确定供电系统设备的耐雷水平非常重要。

对于其它类型的内部过电压，则需根据具体的设备条件与运行方式结合运行经验加以统计分析。以京沪线某段电气化铁路为例，对 2006年 2月至2009年 10月左右的典型过电压进行统计，情况如图6所示。

根据图6的统计分布情况可得出，在供电系统运行过程中各种典型的过电压都会出现，其幅值的标幺值分布区间为1.1p.u至2.2p.u的较大范围内。另一方面，大多数的内部典型过电压分布在 1.3p.u中心附近。对于接触网空载分闸与重合闸过电压，在多数情况下不会大于 1.3p.u，而弓网离线过电压则分布较分散，最大值可达 2.2p.u，可引起机车与变电所设备故障，应予以重视。

3 结论

电气化铁道供电系统是结构特殊的大电流接地系统，过电压的产生也有其固有的特点，在运行中各种典型的过电压都会出现，幅值的大小和出现的概率分布都与整个供电系统内外部的条件密切相关。通过本文对各种典型过电压的比较与分析，应该承认过电压是系统运行中普遍存在的，但过电压的发生并不一定导致供电系统故障。建议设计部门要根据系统的结构与运行特点充分考虑过电压的相容性，在条件许可的情况下宜提高供电系统的绝缘水平和耐雷水平，这对于防止过电压对系统造成危害十分重要。对于运营部门，则要保证供电设备处于良好的运行状态下，避免设备出现“不利条件组合”而发生过电压事故。同时宜在变电所恰当位置安装过电压在线监测与记录装置，提高过电压的安全管理技术水平。

[1] 张雪原. 接触网安装避雷器的防雷效果研究[J]. 铁道工程学报, 2010(9): 69-71.

[2] 陈静. 客运专线牵引变电所雷电过电压保护方案研究[J]. 电磁避雷器, 2012(3): 86-89.

[3] 李志强. 高压真空断路器弧后延时重击穿现象分析[J]. 煤炭技术, 2009(24): 40-42.

[4] 郑宇明，孟江红. 牵引变电所电容补偿容量及补偿方式对电压的影响[J]. 山西电力, 2011(2): 14-16.

[5] 彭道文，陈丹. 电气化铁道关节式电分相过电压研究[J]. 电气化铁道, 2011(3): 26-28.

Comparison and Analysis of Several Typical Over-voltage for Electrified Railway Power Supply Systems

Chen Mingzhong
(Nanjing Institute of Railway Technology, Nanjing 210031)

The overvoltage problem of traction power supply system is a very important problem to the safe operation of the system. Overvoltage problem highlight its feature because of the power supply system’s particularity of structure and operation mode. Several appeared in traction power supply system of the typical over-voltage are compared and analyzed, the security measures and suggestions, to improve the safety and reliability of the system has strong practical significance.

power supply system; safety; overvoltage; analysis

江苏省“青蓝工程”资助项目（RL13002）

陈明忠（1974-），男，江苏扬州人，目前在南京铁道职业技术学院从事强电方面的科研与教学工作。