城市轨道交通装备试验线感应电压抑制技术研究

张士奎

（中国铁道科学研究院集团有限公司国家铁道试验中心，北京 100015）

0 引言

城市轨道交通装备综合试验线（以下简称“城轨交通试验线”）位于中国铁道科学研究院集团有限公司国家铁道试验中心既有大环试验线内侧，为一条闭合曲线，北半环与大环试验线并行，南半环位于小环试验线南侧并与小环试验线等高并行，与北半环封闭成环状（图 1）。以往试验中，平均交流牵引电流约 200 A，但现在高铁动车牵引电流高达 900 A，短路时将会更大，所以机车正常运行或接触网发生短路故障时感应电压将增加几倍甚至十几倍。尤其在环线交流网试验过程中有网压波动、网压中断等工况时，感应电压随之波动。过高的感应电压造成城轨直流试验线接触网与环线交流试验线接触网不能同时供电，严重影响了试验效率。

图1 交流试验线与直流城轨试验线示意图

随着我国城市轨道交通和城际铁路的快速发展，运营现场将会会出现越来越多的交流铁路线与城轨直流线并行或交叉工况。近距离下，交流 27.5 k V接触网对邻近接触网上的较大感应电压及设备、通信设施和人身安全都存在着一定的危害。双线电气化铁路及并行的交直流输电线路也同样存在感应电压的问题。

1 感应电压数值仿真

1.1 接触网空间位置分布

环线交流线的接触网主要包括接触线、承力索、钢轨和保护线；城轨直流接触网主要包括接触线、承力索、辅助馈线、钢轨和保护线。各接触网导线空间分布位置如图 2 所示。

图2 接触网空间位置（单位：mm）

1.2 牵引变电所参数计算

1.2.1 电源参数计算

考虑到高速动车组功率因数，计算电压损失时电阻RS按 1/3 电抗XLS考虑，由关系式ZS=RS+jωXLS=1.125 +j3.376，可得到电源的电阻RS、电感LS为：

1.2.2 变压器参数计算

根据表 1 变压器铭牌，可计算得到变压器参数如下。

表1 变压器铭牌

一次绕组和二次绕组电抗XT1、XT2：

一次绕组与二次绕组的电感值LT1、LT2：

一次绕组与二次绕组电阻RT1、RT2：

变压器电导GT和电纳BT：

1.3 仿真计算

根据前述计算得到的牵引变电所参数，在MATLAB/Simulink 环境中搭建牵引网、电源、变压器模型，并在牵引网流 1 000 A、系统短路等极端工况下进行仿真计算。仿真结果表明，静电感应电压峰值为 6 500 V，有效值为 4 596 V；随列车位置变化和短路位置的不同，城轨接触线上每公里的纵向感应电动势变化曲线如图 3 所示。

图3 城轨线上的纵向感应电动势变化曲线

2 环线交流网对城轨直流网电磁感应电压测试

针对 25 kV 环线交流网对城轨直流网电磁感应影响，进行了有车和无车通过条件下直流城轨线无电时感应电压大小测试，以及 25 kV 环线交流网馈线电压和电流测试。测试分以下 4 种工况：①环线接触网电压为 25 kV，电流为 0 A；②大环线接触网电压为25 kV，电流不为 0 A；③网压波动；④网压突变。

感应电压测试接线如图 4 所示。图 4 中，DC：6# 支柱侧感应电压V6，4# 支柱侧感应电压V4，钢轨对地电压Vg；AC：网压U，网流I；5# 支柱、95# 支柱为接触网分段处。

2.1 环线无车时感应电压

表2 给出了不同工况时的感应电压有效值。从表 2可以看出，当直流接触网处于悬空状态时，接触网感应电压可达 2 000 V（不超过 2 400 V），走行轨感应电压较小，一般为 10 V 左右；当直流接触网的一端接地时，对应接触网感应电压较小，不超过 30 V，此时走行轨感应电压也会相应较小，一般在 5 V 以内。

图4 感应电压测试接线示意图

表2 感应电压有效值 V

2.2 环线有车时感应电压

图5 给出了某日测试时间内环线交流网网压、网流有效值波形图。从图 5 中可以清晰地看到环线交流网网压波动及网压突变实验情况。

表3 给出了环线交流网不同网压时的感应电压。直流接触网两端均悬空时，随环线交流网不同网压等级，感应电压在 2 300～2 800 V 内波动；直流接触网一端悬空一端接地时，随交流网网压等级变化，接地侧感应电压在 5～20 V内波动，悬空侧感应电压在 1 800～2 900 V内波动。

3 感应电压抑制技术及其参数计算

3.1 感应电压抑制装置

通过上节环线交流网对城轨直流网电磁感应电压测试可知，环线 25 kV 交流网对直流网感应电压较大，在悬空状态下感应电压在 2 300～2 800 V，超过了 1 000～1 800 V 的允许值（DC1500V）。为降低环线交流网对直流网感应电压的影响，研制了“无源型”交流滤波感应电压抑制装置，该装置由电力电容器、电抗器（常用空芯的）和电阻器组成，其工作原理图如图 6 所示。

图5 交流网网压、网流有效值波形图

表3 不同接地工况下感应电压值（最大值）

图6 感应电压抑制装置原理图

感应电压抑制装置主要抑制静电感应电压和电磁感应电压（纵向感应电动势），其中静电感应电压主要为工频 50 Hz，电磁感应电压既有工频又有高次谐波。静电感应电压尽管很高，但其对泄放支路电流能力要求并不高；电磁感应电压由于和机车电流及频率成正比，一旦试验机车谐波电流较大时，可能会导致比较高的感应电压值。为此，选择额定通流能力为 6 A 的 50 Hz 单调谐滤波器和通流能力为 50 A 的高通滤波器。

3.2 感应电压抑制装置参数计算

3.2.1 单调谐滤波器电容电感计算

单调谐滤波器电容器 C1 需要长时间耐受 DC1500V 的直流电压，由于直流网最大允许网压为 1 800 V，考虑纵向感应电动势的影响且留有一定裕量，选择耐压水平U1= 3 000 V 的电容器，容量QC1= 20 kVar，f= 50 Hz，由此可计算得到：

电容器 C1 的电容C1：

电抗器 L1 电感L1：

为防止感应电压过大情况下，电容器、电抗器处于过流运行状态，电抗器 L1 可设置 2 个抽头。主抽头选择1 432 mH，与电容器 C1 构成工频 50 Hz 串联谐振，另外一个辅助抽头设置为 1 750 mH。

3.2.2 二阶高通滤波器电容电感计算

由于电力机车的不同，可能在直流牵引网中产生高次谐波，为消除高次谐波的影响，设计了二阶高通滤波器。二阶高通滤波器电容器 C2 的耐压水平U1= 3 000 V，容量QC2= 100 kVar，截止频率f0= 5f（f为 50 Hz），滤波器品质因数q=1，由此可计算得到：

电容器 C2 的电容C2：

电抗器 L2 电感L2：

3.2.3 放电电阻器 R1 阻值计算

放电电阻器 R1 作用是直流牵引网停电时对电容器C1 和 C2 进行放电。由于 R1 接于直流系统的正负母线之间，所以 R1 的阻值要求很大，同时考虑放电时间的影响，不能将 R1 设置为无穷大。根据放电规程，电容器电压要在 5 min 之内降到 60 V 以下。UC（0+）为电容器的初始状态电压值，可选直

流电压最大允许值1 800 V；UC（∞）为电容器的稳态电压值；UC（t）为电容器放电时间为t时的电压值。由电容放电公式可得：

由τ=R1C1=R1C2可得：

取R1= 2 MΩ 时，可以满足电容 C1 和 C2 放电时间要求。

3.3 感应电压抑制效果仿真分析

为了理论验证上述感应电压抑制装置参数的可行性和感应电压抑制效果，采用 MATLAB 软件进行了仿真分析。仿真分析分为 a 空载、b 只投入工频滤波器支路、c 只投入高通滤波器支路、d 感应电压抑制装置完全投入以及 e 直流电源加入等 5 种工况。图 7 为 5 种工况下的电路拓扑图，图 8 为系统总体仿真电路图。仿真参数按前述计算参数，5种工况下的感应电压基波仿真有效值见表 4。表 4 仿真结果表明，感应电压抑制装置在未投入工况下，感应电压基波有效值为 2 400 V，在完全投入且上直流电的情况下，感应电压基波为 0 V。可见，感应电压参数选取合理有效。

图7 仿真分析工况

图8 系统总体仿真电路图

表4 5 种工况下感应电压基波仿真有效值 V

4 感应电压抑制效果试验验证

感应电压抑制效果试验验证包含 5 种试验工况：工况 1，感应电压抑制装置空载；工况 2，只投入工频滤波器支路；工况 3，只投入高通滤波器支路；工况 4，感应电压抑制装置全部投入；工况 5，直流电供电条件下感应电压抑制装置全部投入。现场测试接线见图 9。本文只对典型工况 1、工况 4、工况 5 进行论述。

图9 感应电压抑制装置试验验证现场接线图

4.1 感应电压抑制装置空载（工况 1）

选取某日 15∶06∶25—15∶07∶50 时的波形进行分析，电压有效值曲线和电压谐波次数及含量百分比如图10、图 11 所示。由图 10、图11 可见，空载情况下电压的有效值在 2 400～2 500 V 范围内波动，电压谐波含量较少，各次谐波所占百分比也较小。

图10 工况 1 电压有效值曲线

图11 工况 1 电压谐波次数及含量百分比

4.2 感应电压抑制装置全部投入（工况 4）

选取某日15∶19∶00—15∶23∶20 时的波形进行分析，各通道有效值曲线如图 12 所示。由图 12 可见，投入工频支路和高通支路的情况下，总电压的有效值为22 V 左右，总电流的有效值在 0.24 A 左右。另外，高通支路电流有效值在 0.3 A 左右，工频支路电流有效值在 0.35 A 左右。

图12 工况 4 总电压总电流有效值曲线

4.3 直流电供电条件下感应电压抑制装置全部投入（工况 5）

选取某日16∶14∶00—16∶17∶23 时的波形进行分析，各通道有效值和频谱特性如图 13、图 14 所示。由图 13、图 14 可见，在高通支路与工频支路都投入，且上直流电 1 650 V 的情况下，总电压的有效值为 1 673 V，总电流的有效值在 0.172 A 左右；高通支路有效值在0.179 A 附近波动，工频支路电流有效值为 0.073 A，电压基本无谐波；总电流中谐波含量较多，谐波含量较高的多集中在 7 次、41 次附近，其中 2、5～8、12、18、23、24、33、35、37、41、43、45、63 次谐波含量均超过 50%，7 次谐波含量超过 300%。仿真与实测结果表明，滤波通路设计合理，滤波效果良好。

另外，5 种试验工况数据的综合比较见表 5。试验结果表明，感应电压抑制装置对感应电压的抑制效果明显。

5 结论

（1）投入感应电压抑制装置后效果比较明显，在投入之前感应电压在 2 420 V 左右，投入装置后感应电压被抑制在 17.5～22 V。只投工频支路时感应电压被抑制在 69 V，并且电压中含谐波较多，继续投入高频支路后电压被抑制在 22 V，且电压中基本无谐波。

图13 工况 5 总电压总电流有效值曲线

图14 工况 5 总电压总电流谐波次数及含量百分比

表5 5 种试验工况数据综合比较

（2）仿真结果与实测结果具有一致性。计算仿真分析与实测分析表明，感应电压抑制装置抑制效果明显，通过安装感应电压抑制装置可以有效抑制感应电压的产生，减少高感应电压所带来的不利影响，使试验中心大环线和城轨线可以同时进行试验，提高了环形铁道试验能力。