高速客专班专题讲座——列车通过电分相引起的过电压分析.ppt

列车通过电分相引起的过电压分析高仕斌 教授 2009-06-23高速客专班专题讲座西 南 交 通 大 学内容提要一、绪论 二、电分相 三、通过电分相方法 四、过电压分析 五、工程实例计算和仿真分析 六、结论与建议高速客专班专题讲座一、绪论Ø 为了促进我国东西部经济协调发展，满足省会城市及大中城市间快速增长的 旅客运输要求，国家发展和改革委员会提出了“四纵四横”铁路快速客运通道 以及三个城际快速客运系统的建设规划Ø 实际运行过程中发现，电力机车 /动车组在通过关节式电分相装 置时，发生了多次电弧烧毁接触 线及吊弦事件和过电压击穿机车 放电间隙导致金属性接地短路， 引起变电所故障跳闸的事故Ø 理论上，还存在当双弓或多弓机 车的受电弓间距不满足要求时， 在两个等高区同时燃起电弧，产 生常规保护难以有效识别的异相 短路隐患电分相成为电气化铁道安全运营的重大隐患!二、电分相1.定义和类型Ø为了保证稳定的弓网关系，需要保持非同相供电臂 的机械连接Ø为了防止异相短路，又需要对两个供电臂进行电气 隔离能够实现上述功能的装置称为电分相Ø利用空气隔离的称为锚段关节式电分相Ø利用绝缘物隔离的称为器件式电分相电分相2.器件式电分相电分相3.关节式电分相当机车通过时，关节式电分相保证受电弓能平滑地 由一个锚段过渡到另一个锚段。

电分相4.锚段关节优化Ø由两个五跨绝缘锚段关节构成的九跨型关节式电分 相，具有突出的经济和技术优势Ø如果中性区需要缩短，可以采用两个四跨构成的七 跨关节式电分相三、通过电分相方法1.手动过电分相退级（减小牵引负荷电流）→关辅助机组→断 主断路器→靠机车惯性不降受电弓通过电分相，过分 相后按照线路的标志，合主断路器→合辅助机组→进 级并限制电流增加率，以避免”闯动”这种操作的成功与否，依赖于司机的技能水平 和道路信号的指示，一旦疏忽，就会造成带电闯分相 ，严重影响牵引供电系统的安全运行通过电分相方法2.柱上开关自动断电Ø 当机车（动车组）到a—b间→A的线圈1带电→A闭合→ c区段带电；Ø 当机车到c—d段时→ A的线圈失电→ A断开机车到f区段→ B的线圈 带电→ B闭合； Ø 当机车驶过g时→ B的线圈失电→ B断开通过电分相方法3.地面开关自动转换 Ø 机车（动车组）达 CG1→传感器发信号→ 将QF1闭合→中性段接 到A相→机车带电通过 第一个空气间隙； Ø 机车（动车组）达 CG3→断开QF1后闭合 QF2→中性段与B相连接 →机车可以顺利通过第 二个空气间隙断电时间为QF1和QF2 切换时间间隔，约为 0.1～0.15sCG1CG2CG3CG4通过电分相方法4.车载自动控制断电过分相机车（动车组）驶近电分相→地面传感器（磁铁感应或检测轮对数计数）给机车 （动车组）发送预告信号→收到预告信号并延时确认后→自动完成机车（动车组） 退级、关辅助机组、断主断路器的操作；机车（动车组）通过电分相后，由主断路 器前安装的PT检测有压来判断是否通过电分相，进行自动化的合闸操作。

通过电分相方法5.三种自动过电分相比较 Ø 地面开关自动切换型性能指标最高，没有供电死区，速度损 失最小，与线路条件无关，日本，法国有成功经验，是未来最 有发展前途的技术方案 Ø 柱上断电方案在通过分相时候，容易因为电感的存在而产生 谐振过电压国外铁路系统以交直交机车为主，过电压现象并 不严重，其成功经验，对于我国目前以直流机车为主的铁路现 实，借鉴意义不大并且，这种方案仍然是对器件式电分相的 改良，结构复杂，能够基本解决受电弓的拉弧问题，但是不能 完全解决硬点的问题，这明显与高速铁路发展的总体趋势相悖 Ø 车载自动断电过分相方案相对与地面开关自动转换和柱上自 动控制断电方案，具有投资较少，设备可靠性高，检修维护简 单，适用速度范围广的突出优点，是目前最适合我国国情和铁 路现实的一种自动过分相方案四、过电压分析1.概述电力机车主要通过受电弓与接触线的压力接触，保持电 气连接，取得电能机车主电路如图所示F—放电间隙或避雷器 G1、G2—受电弓连接片 QF1—主断路器 T1— 电压互感器 T2—车载主变压器 V—电压表 M—牵引电动机过电压分析Ø机车受电弓的位置变化关系过电压分析Ø受电弓与接触线或中性线接触过程过电压分析Ø中性线上的耦合电压 v 由于接触线与中性线平均距离只有500mm，考虑接触线与中 性线的电磁耦合效应，设等效耦合电容为 ,中性线上存在的 感应电压，根据节点电压法，可得：v 中性线上的感应电压只与两个电源的相位关系有关，代入线 路实际参数计算，平衡变压器接线方式下（两相电压相位相差 90度），感应电压有效值约为17kV,Yn,d11接线方式下（两相 电压相位差120度），感应电压为12kV,与现场测量值吻合。

过电压分析Ø接触线与中性线的断口电压差过电压分析v 在机车通过电分相的过程中，可以认为受电弓是接触线（或者中性线）的延长线，当受电弓前端与中性线（或者接触线）的间距非常小时，恰好电压差 的瞬时幅值能够击穿两者之间的空气间隙，就会产生电弧v 棒-棒电极的平均击穿场强5.36kV/cm，那么理论上能产生电弧的最大可能间距为：过电压分析2.分析模型 Ø变电所出口处关节式电分相分析模型过电压分析开关S1、S2 、S3模拟 机车受电弓通过电分相时的转 换过程：l S1先闭合，模拟机车在分相区域前受电弓与接触线的连 接，S2闭合，模拟机车受电弓第一次跨接中性线和接触 线的过程 l S1断开，S2保持闭合，模拟机车分离接触线和中性线， 而只与中性线连接的瞬间 l S2 闭合，S3闭合，模拟机车第二次连接接触线和中性线 的过程 l S3闭合，S2断开，模拟机车第二次分离中性线与接触线 ，最终只与接触线连接的过程电压互感器等效电感、中性线的T形等效电感和中性线对地电容，三者 连接于同一节点并接地，可以视为一个整体的元件因为中性线等效电感很 小，可以忽略，互感器等效感抗远大于中性线的对地容抗，约为后者的30倍 ，在此，上述三个元件混联的效果为容性，简化为电容C。

l受电弓第一次同时跨接中性线与接触线的瞬间过电压分析过电压分析零输入响应为 ：经过分析，将i2回路独立分析影响不大，有任何一个二阶的常系数非齐次微分方程,其全相响应可以分 解为零输入相应和零状态响应，分别讨论令 ： 所以有：又令：过电压分析当有电源激励的时候，设电源激励为：其中λ，ψ分别为电源的角频率和初相位该微分方程的通解由两个分量组成，即非齐次方程的特 解和对应的齐次方程的通解之和非齐次方程的特解一般取电 路稳定状态下的电压值，即：所以零状态响应下，电容电压的表达式为：代入初始值：零状态响应下齐次方程的通解表达式为： 进一步推导，得到齐次方程的通解的表达式为：过电压分析过电压分析零状态响应为：全响应为：若此后还有第二次电弧连接，则电压初始值为此 次全响应经过一定时间的衰减后的数值，代入计算过电压分析理论波形与现场试验-801000理论计算波形现场试验波形过电压分析v 按照合闸空载线路过电压的计算方法，最大中性线瞬时对地 电位为：v 代入相关数据可得最大幅值为：过电压分析v 如果路电流过零之前，即电弧保持两线连接的状态下，由 于电弧短、电阻不大，接触线和中性线的电势差别很小，可以近 似认为相等，受电弓前进跨接中性线和接触线，不会产生新的（ 合闸）过电压。

v 若刚好在电流过零，电弧熄灭后未能重燃的情况下，受电弓前 进跨接中性线和接触线，则相当于第二次合闸，这次合闸的后果 将比第一次严重，因为： n 等值回路呈容性阻抗，电流和电压相差90度，电流为零时，电 压幅值恰好达到最大 n 极短时间内（小于0.01s），上一次合闸产生的振荡过电压衰减 不大，仍有很高幅值的残余，可以认为基本保持不变 n 上一次合闸产生的振荡过电压谐波频率非常高，受电弓连接接 触线和中性线的瞬间，振荡过电压的相位不确定，瞬时幅值也难 以确定如果上次合闸产生振荡过电压的瞬时幅值为负的最大值 ，而电源的电势为正的最大值，差值将非常大 过电压分析令产生电弧的时刻为0时刻，则经过t0延时后，中性线的 残压是 ，则：以此时合闸时电容电压为：其中Em 是电源电动势的最大幅值，λ是电源的角频率，ψ是 电源的初始相位，φ是第一次合闸时候的相位差，ψ+φ表示第 一次合闸的相位角所以，理论上中性线电容电压最大值为：过电压分析l 受电弓第一次离开中性线与接触线同时接触的瞬间 v 受电弓继续前进，在第一个过渡区内同时跨接接触线和中性 线，（区域长度接近一个跨距）在此期间，电感，电容和电 源进行能量交换,并且之前合闸产生的过电压，在过渡区域逐渐 衰减。

按照一个跨距的过渡区计算，若机车 200km/h的速度通 过关节式电分相，则需要1s,若机车以100km/h的速度通过，则 需要2s才能通过过渡区，这个时间对于暂态过程来说，时间很 长，振荡过电压基本衰减结束，中性线的电压达到稳态，与电 源电压一致 v 暂态过程与受电弓进入电分相时，第一次通过电弧连接中性 线和接触线的过程一致，令 为分离瞬间左侧电源的瞬时幅值 ，可得第一次分离中性线和接触线时刻，中性线对地电容上的 电压全响应为： 过电压分析v 那么，电弧是否能够重燃，再次通过受电弓连接到接触线呢 ？为解决这个问题，将断口电压的上升率和端口距离的变化率 进行比较在受电弓离开接触线的瞬间，接触线电压与中性线电压 相等，有只要列车通过速度大于80km/h，就不会产生二次电弧过电压分析v 理论上二次电弧合闸过电压的幅值的最大值为：这种情况只发生在，受电弓在电源电压为正（或负）峰 值时断开，由于容性电流超前电源电压，此时电流为0，不会产 生电弧，断开后，受电弓与接触线的断口的电压差逐渐变大， 经过半个工频周期，若刚好在电源电压恢复到负（或正）峰值 时候，击穿空气间隙，连接受电弓和接触线，此时会产生振荡 电压。

考虑棒-棒间隙的平均击穿场强为5.36kV/cm,76kV的电压 差能击穿的空气间隙是14.18cm,所以要想避免这种情况的发生 ，则机车必须在半个工频周期内将受电弓与接触线的间隙拉大 到14.18cm以上：过电压分析v正常线路上，电力机车都能满足这个速度要求但是，货车，尤其是运行于山区的货车，速度本就不高，还需要在过分相之前退级，切断牵引电流，造成速度损失；再考虑到海拔高，空气稀薄的线路条件使得击穿间隙的平均场强还将降低，可见这个速度条件还是比较苛刻 过电压分析l 受电弓第二次跨接中性线与接触线接触的瞬间相对于第一次受电弓跨接，二次受电弓跨接时车顶互感器的电压变化更大，这个电压的突变，更容易导致互感器出现涌流，导致互感器线圈铁磁饱和，使得等效电感降低，接近电容等效值（两者只差一个数量级），进而出现铁磁谐振，产生谐振过电压过电压分析l 受电弓第二次离开中性线与接触线接触的瞬间机车的速度损失更大机车在进入分相前就已经切断了牵引电流，经过长达300米以上的无电运行状态，达到第二次受电弓分离接触线和中性线的位置时，机车的速度损失更大，将更有可能产生二次电弧令 为分离瞬间右侧电源的瞬时幅值，可得第二次分离中性线和接触线时刻，中性线对地电容上的电压全响应为： 过电压分析Ø供电臂末端的电分段（相）过电压分析v 与变电所出口处的关节式电分相不同，分区所处的关节式电 分相需要考虑接触线的自身阻抗和分布电容对暂态过程的影响 。

过电压分析v 考虑到接触线的长度是中性线长度的近百倍，并且接触线的对 地电容始终连接在电源上，电压变化量不大，可以忽略其影响， 电压为v 这种类型的关节式电分相与设置与变电所出口处的关节式电分 相，仅仅是等效的电阻和电感变大，但是电路依然是振荡的，与 前者的区别是衰减系数和振荡频率发生变化绘制衰减系数和振 荡频率随供电臂长度的函数图像五、工程实例计算和仿真分析1.武广线乌韶段过电压计算Ψ (rad)00.10.20.30.4 Umax-(kV)-44.1119-41.281。