高速铁路电分相中性段网压抬升机理及抑制措施研究

孙镜堤

(中铁第一勘察设计院集团有限公司 陕西西安 710043)

1 引言

我国高速铁路牵引供电系统采用分段异相供电，在牵引变电所出口处及牵引变电所间需设置电分相。电分相是牵引供电系统中的薄弱环节，影响高速、重载列车速度提升和运行安全。电分相中性段在正常运行时，由于电磁感应会产生较高的感应电压，且列车通过电分相中性段时，由于车-网电气拓扑结构瞬变可能会激发铁磁谐振过电压，引起中性段网压进一步抬升，网压过高容易发生中性段停车事故，严重时会造成电压互感器烧损，危害列车及车内人员的安全[1-3]。国内列车过分相时多次发生车顶电压互感器铁磁谐振现象，对列车高压电器以及接触网分相设备安全运行构成严重威胁。

目前，学术上对电磁感应及铁磁谐振的研究很多，但结合电分相中性段网压抬升研究的文献较少。有学者研究了电力系统中同塔双回线路感应电压和电流的计算[4]，也有研究高速铁路对电力电缆的电磁干扰特性并提出降低感应电压的措施[5]；有学者对电气化铁路过分相、弓网离线和升降弓过程中的车网匹配问题进行研究[6]；部分学术论文通过建立仿真模型，对车网铁磁谐振原理进行分析[7-8]；也有学者使用混沌理论把铁磁谐振中的周期振荡、准周期振荡和混沌现象区分开来[9]。

本文从电分相中性段网压抬升现象出发，从电磁感应和铁磁谐振两方面分析网压抬升机理，提出抑制措施并进行仿真验证，为研究电分相中性段网压抬升机理及工程解决措施提供理论支撑。

2 电分相中性段感应电压分析

2.1 中性段感应电压理论分析

2.1.1 容性耦合

当不带电的B导体与带电的A导体接近时，B导体上会产生感应电荷，且在远离A导体的一端与A导体的电荷极性相同，在接近A导体的一端与A导体的电荷极性相反，这种静电感应现象即容性耦合。接触网电分相两端的供电臂与中性段之间存在寄生电容，电分相两端供电臂上的能量会通过寄生电容耦合到中性段等其他线索上，产生静电感应电压。接触网与电分相中性段的容性耦合原理图如图1所示。

图1 容性耦合原理示意

图1中，导体A为接触网供电臂，导体B为电分相中性段；C12为接触网供电臂与中性段间的寄生电容；C22为中性段与大地间的寄生电容；当接触线电压为Vt时，中性段和大地之间的电压为Vs，则中性段的容性耦合电压Vs和接触线电压Vt的关系为:

设高速铁路AT供电系统与中性段有n条平行且有重合段的导线，所有导线在电分相中性段产生的容性耦合电压为:

2.1.2 感性耦合

感性耦合影响是高速铁路牵引供电系统各导线通过电流时，在其导线周围产生交变的磁场，磁场与电分相中性段的金属导体交链产生的纵向感应电动势。感性耦合影响原理示意如图2所示。图2中，l为电分相中性段感应电压，1为接触网负荷电流，Ml1为电分相供电臂与中性段之间的互感系数，l为中性段和高速铁路牵引供电系统平行长度，d为电分相供电臂与中性段之间的距离。

图2 感性耦合原理示意

根据牵引电流分布[10]、电磁感应原理和叠加定理，AT牵引供电系统在电分相中性段处产生的感性耦合电压计算公式为[11]:

由式(3)可得感性耦合电压与导线间的平行长度、距离、接触网电流以及互感系数有关。由于供电臂末端分相处无取流，因此供电臂末端电分相中性段没有感性耦合电压。变电所出口处分相，列车通过时可能存在其他列车取流，存在一定的感性耦合电压。算例:中性段与接触网的互感系数约为0.207 μH/m[12]，设中性段长200 m且钢轨屏蔽系数为1，根据式(3)可得感性耦合电压约为0.013 1I，则正常运行时中性段上感性耦合电压约为十几伏，其对中性段感应电压影响较小。

2.2 中性段感应电压仿真研究

由上节理论分析，中性段与两端供电臂间存在电磁耦合，中性段感应电压受多种因素影响。本节以十三跨电分相为例进行仿真计算，研究两端供电臂相位差、列车位置和牵引电流对电分相中性段感应电压的影响规律，运用CDEGS仿真软件建立模型，如图3所示。

图3 电分相CDEGS仿真模型

2.2.1 两端供电臂相位差

为分析电分相两端供电臂相位差对中性段感应电压的影响，将其分为 0°、30°、60°、90°、120°、150°和180°七种情况进行仿真，结果如图4所示。

图4 电分相两端供电臂相位差对中性段感应电压的影响

由图4可得，两端接触网相位差从0°至180°的变化范围中，其感应电压随着相位差的增大逐渐减小，两端接触网同相时感应电压最大。

2.2.2 列车位置

为分析列车位置对中性段感应电压的影响，将列车距离中性段 200 m、400 m、600 m、800 m 和1 000 m五种情况进行仿真，结果如图5所示。

图5 列车与中性段距离对中性段感应电压的影响

由图5得，随着列车与中性段距离的增大，中性段的感应电压有微小波动但变化不大。因此，列车位置对中性段感应电压影响较小。

2.2.3 列车电流

为分析列车电流对中性段感应电压的影响，将列车电流分为200 A、400 A、600 A、800 A和1 000 A五种情况进行仿真，结果如图6所示。

图6 列车负荷电流对中性段感应电压的影响

由图6得，在列车负荷电流增大过程中，中性段感应电压几乎不变，可得列车负荷电流对中性段感应电压几乎无影响。

综上可得，电分相正常运行时，其中性段感应电压在8 kV以下范围内波动，随着两端供电臂相位差的增大逐渐减小，且列车取流位置、负荷电流大小对中性段感应电压影响不大，中性段感应电压呈现明显的容性耦合特征。

3 列车过电分相铁磁谐振分析

3.1 过电分相铁磁谐振理论分析

由于中性段感应电压处于几千伏到十几千伏之间，未达到导致列车主断路器跳闸的电压等级。本节从车-网谐振的角度考虑，列车从一侧供电臂驶入中性段的过程中，在受电弓跨接在供电臂和中性段的瞬间，供电臂向中性段传递能量易发生过电压，在一定参数范围内和高压激励下车顶电压互感器铁芯易饱和，呈非线性电感特征；当列车驶入中性段无电区时，在中性段谐波残压作用下，中性段电气参数与列车电气参数易形成震荡电路导致电压激增，严重时会造成电压互感器烧损，导致列车主断路器跳闸，影响行车安全。

由于主断路器在过分相前已断开，其后的暂态过程与列车负载无关，除接触网外，与车顶电压互感器、受电弓、中性线及车顶对地分布电容有关。高速铁路车-网铁磁谐振的谐振回路由带铁芯的电感组件(电压互感器等)和电容(接触网对地电容等)组件组成。铁磁谐振原理如图7所示。

图7 铁磁谐振原理

图7中，Us为电源；C1为两端供电臂与中性区间的耦合电容；C2为中性区对地等效电容；Rm和Lm分别为电压互感器的铁损和励磁电感。图7b是由图7a经过戴维南等效而来的，则有:

则等效电路的微分方程为:

式中，iL为互感器励磁电流(A)；ω为系统频率(Hz)；设iL＝aψ+bψ3，ψ为磁链(Wb)，a取 3.42，b取0.41[13]。

磁链方程ψ＝LiL，则式(5)转化为:

在式(6)中，p＝ωU为激励因子，p值越大越容易发生铁磁谐振；q＝1/RC为阻尼因子，q值越大越能抑制铁磁谐振。

3.2 过电分相铁磁谐振仿真研究

为了研究列车过分相时车-网铁磁谐振特性，本节建立仿真模型进行分析，列车过中性段仿真模型如图8所示。

图8 列车过中性段仿真模型

设置列车在0.5 s时刻从一边供电臂进入电分相中性段，其中性段电压变化如图9所示。

图9 电分相中性段铁磁谐振电压

由图9得，在列车进入中性段前，中性段自身感应电压峰值处于10 kV左右；在0.5 s时刻，列车进入中性段，由于发生铁磁谐振，中性段电压峰值激增至45 kV左右，远超列车主断路器跳闸电压。

为研究列车进入电分相中性段的时刻对中性段铁磁谐振过电压的影响，对电分相两端供电臂相位差处于0°～360°之间进行仿真分析，结果如表1所示。

表1 不同供电臂相位差对中性段铁磁谐振电压影响

由表1可得，在电分相两端供电臂相位差在0°～180°和180°～360°的变化过程中，其中性段电压变化趋势为先增大后减小，最大值处于90°和270°左右。

4 电分相中性段网压抬升抑制措施

为解决车-网谐振引起的中性段电压抬升，即破坏车和网之间的谐振参数，电气参数易改变且受影响最小的独立单元为车顶电压互感器，可通过改变易发生谐振列车的电压互感器参数，选用励磁特性较好的电压互感器而达到抑制中性段谐振电压的目的。也可在电分相中性段并联RLC保护装置，通过吸收中性段上的振荡能量，对整个谐振回路达到阻尼的作用，从而抑制铁磁谐振电压。并联RLC保护装置示意如图10所示。

图10 并联RLC保护装置

在上节仿真模型中并联RLC保护装置，得到仿真结果如图11所示。

图11 铁磁谐振抑制波形

由图11可得，初始中性段网压处于10 kV以下，列车在0.5 s时刻过分相进入中性段产生较大铁磁谐振过电压，在0.6 s投入RLC保护装置，中性段电压以较快速度恢复正常值，且对中性段初始电压有改善作用。因此，RLC保护装置对过分相过电压具有较好地抑制作用。

5 结论

(1)电分相正常运行时，其中性段感应电压在几千伏范围内波动，随着两端供电臂相位差的增大逐渐减小，且列车取流位置、负荷电流大小对中性段感应电压影响不大，呈现明显的容性耦合特征。

(2)车-网之间发生铁磁谐振时，当电分相两端供电臂相位差在0°～180°和180°～360°范围变化中，其中性段电压变化趋势为先增大后减小，最大值在90°和270°左右。

(3)破坏车-网之间的谐振参数为治理铁磁谐振的关键点，可改变列车的电压互感器参数，选用励磁特性较好的电压互感器从而抑制谐振过电压。且在中性段并联RLC保护装置对中性段铁磁谐振具有良好的抑制作用。