电力机车过分相过电压抑制新方法_李宗垒

２ 基于相角监测的抑制过电压方法
对于过电压抑制的基础是要辨别出过电压的类
型，然后从产生过电压的影响因素入手，从根源上抑
制过电压的产生；其次
是考虑补偿措施，如增
设Ｒ Ｃ 保护装置或金属
氧化物避雷器（Ｍ Ｏ Ａ ）。
电力机车过分相产
生的过电压主要有２ 种
类型：操作型过电压和
谐振型过电压。受电弓
跨接接触线与中性线
机车进入电分相前，Ｋ１、Ｋ２ 均为开状态。将图１ 中
选择自适应步长的四阶Ｒｕｎｇｅ－Ｋｕｔｔａ法数值求解上 式。解中有 ２ 个可变变量：ｉＬ１、ｉＬ３、Ｕｎ 的初始条件和 Ｕｓ１、 Ｕｓ２ 的相角。ｉＬ１、ｉＬ３、Ｕｎ 的初始条件由跨接两线的时刻和 Ｕ ｓ１、Ｕ ｓ２ 的相角共同影响。经计算比较得出，在两端相 角差为零时，中性线上感应电压最大，但在过分相时 产生的过电压最小；在相角差为 １８０°时，中性线上感 应电压最小，但在过分相时产生的过电压最大，与文 献［７］中的结论相同，所以激起暂态过程的剧烈程度以 及暂态过程中出现的电压最值大小是受受电弓跨接两 线的时刻与接触线的相角影响的，如图 ４ 所示。
Abstract: Overvoltage problem caused by electric locomotive passing the neutral section, always result in traction substation trip or the arc eroding the contact line. In order to solve this problem, a high order circuit was established to analyze the overvoltage problem and found that the time of locomotive passing the neutral section was the conclusive factor causing overvoltage, and ferro-resonance overvoltage caused by high-voltage transformer saturation was the main reason leading to equipment insulation breakdown or protection's mis-operation. A new method was pointed out by utilizing auto-passing neutral section device force-breaking signals, speed of locomotive and contact line's voltage phase angle to realize the locomotive passing the neutral section without overvoltage. Electromagnetic transient simulation software PSCAD/ EMTDC was used to simulate the process of passing the neutral section and the overvoltage restrain method. Simulation results indicated that the new overvoltage restrain method could efficiently control the overvoltage less than 50 kV and improve the security stability of the locomotive operation.
时过电压呈现瞬态峰
值较大，持续时间较短
的特点，属于典型的操
作过电压。该操作型过
电压产生受过分相时
接触线的相角影响，基 于此提出利用自动过
图 ５ “分断”信号发出 控制流程图
分相装置的强迫断信号、机车速度、接触线电压相位 共同控制“主断”信号的给定，以达到在接触线相位角 为 ２ ｋ 时跨接中性线的目的，实现抑制过电压的新方 法。其控制算法流程如图 ５。
过分相的控制单元（动车组的监控装置）采用的 是高可靠性的 Ｐ Ｌ Ｃ 控制，当监控装置接收到强迫断信 号后要断开辅助系统的真空接触器，停止所有的辅助 供电，并同时由机车速度和接触线电压相位角φ１ 共同 确定一个补偿角φ１ ，当相位等于φ１ ＋ φ２ 时，发出分断 “主断”信号。
补偿角φ２ 的计算如下： φ２＝２ｋ － ωｔ－ φ１ 式中：ｋ 为使φ２ ≥０ 的最小整数； ｔ ＝（Ｓｂ ÷ ｖ）％０．０２，％表示取余运算。 谐振型过电压的产生与电感与电容的匹配有关， 其抑制措施分为改变电路参数和消耗谐振能量两类。 改变电路参数存在在其他频段谐振的隐患，所以增加 阻尼电阻消耗谐振能量较为实用。据文献［ ８ － ９ ］ ，在互 感器低压绕组接入阻尼电阻，用于消耗谐振能量，可 以抑制铁磁谐振过电压。阻尼电阻阻值越小消谐效果 越好，但阻值越小对互感器低压侧热容量要求越高。 用于消谐的电阻应满足Ｒ ≤０．４Ｘｍ，其中Ｘｍ 为换算到互 感器低压侧的励磁电感感抗。在给出分断“主断”信号 的同时将互感器二次侧的阻尼电阻投入使用，驶出电 分相时再将阻尼电阻退出。
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机 车 电 传 动
２０１３ 年
文献［１］对过电压进行了理论阐述、原因分析，但缺 少对分析结果的验证；文献［３］对过电压进行暂态求解， 得出过电压幅值的计算公式，确定其性质为合闸过电 压和谐振过电压，但其所建微分方程较为简单，且没有 考虑互感器的饱和特性；文献［４］采用阻容保护器改变 电路结构参数来抑制过分相时在中性段上产生的过电 压，虽然效果明显，但是抑制措施是以增加设备为基 础；文献［７］将相控开关技术应用于自动过分相中，主 要抑制断路器动作引起的截流过电压和合闸涌流，并 没有考虑过分相中状态变化出现的过电压情况。
分相装置时，上述操作由机车微机控制系统完成），机 车依靠惰力通过中性区段，中性区段的长度取决于电 分相所采用的跨数。电力机车过分相包含 ４ 个暂态过 程：受电弓跨接接触线与中性线；受电弓离开接触线； 受电弓再次跨接接触线与中性线；受电弓离开中性 线。
性 线 两 端 电 路 分 别 用 戴 维 南 等 效 ，两 端 等 值 阻 抗 为
收稿日期：２ ０ １ ２ － １ １ － ２ １ ；收修改稿日期：２ ０ １ ３ － ０ ５ － ２ ７ 基金项目：国家自然科学基金资助项目（５ １ ０ ０ ７ ０ ２ ３ ）
关节式电分相消除了器件式电分相存在硬点的问题， 成为多数国家高速电气化铁路采用的主要电分相形 式。每次过电分相时需要升降级、开合主断路器及一 些辅助设备，为减轻驾驶员的频繁操作，自动过分相 装置得到了广泛的应用。但是由于在状态切换时的随 机性，导致在过分相中出现严重的过电压、过电流，轻 则车顶间隙放电、绝缘子击穿危及机车电器设备安全， 重则引起变电所继电保护装置动作［２］。
０
注：Ｕ ｎ 的数据为有效值
１．３ 受电弓跨接接触线与中性线
跨接两线时，即将图２ 中的Ｋ１ 打到闭合状态。由于
，可忽略 Ｚｓ２，Ｋ１ 闭合后，将 Ｃ３、Ｃ２ 并联后等值
为 Ｃ ，忽略互感器的空载损耗后的简化电路如图３ 。
图 ３ 简化等值电路图
由基尔霍夫定律得：
图 １ 机车过电分相示意图
根据参考文献［３－４，６］，本文将等值电路等效如图２ 所示。
过分相过程及抑制法进行仿真验证。仿真结果表明，新的控制方法可以有效地控制电力机车过分相
过电压低于 ５０ｋＶ，提高了机车运行的安全稳定性。
关键词：电力机车；电分相；过电压；Ｐ Ｓ Ｃ Ａ Ｄ ；过电压抑制
中图分类号：Ｕ２２３；ＴＭ２６４．９１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００－１２８Ｘ（２０１３）０５－００４１－０４
本文基于过分相的过程建立高阶等值电路模型， 对其进行数值求解，发现影响过电压的因素，进而提 出较为经济有效的抑制措施。
１ 电力机车过分相数学模型及分析
１．１ 电力机车过分相的数学模型 电力机车进入电分相中性段之前，机车要禁止双
弓运行，机车司机要切断牵引负荷（将级位手柄回到 “０位”），在“断”字标牌前断开主断路器［２（］ 装有自动过
Ｚｓ１，Ｚｓ２，由于 Ｃ１２ 数值较小，
，忽略 Ｚｓ１，Ｚｓ２，
可由节点电压法求得 Ｕ ｎ 点电位（对应表 １ 中每一个 值）。
表 １ 中性线感应电压
项目
数值
０° ３０° ６０° ９０° １２０° １５０° １８０°
Ｕｎ／ｋＶ ２４．５ ２３．７ ２１．２ １７．４ １２．３ ６．３４
２０１３年第 ５期 ２０１３ 年 ９ 月 １０ 日
机 车 电 传 动 ELECTRIC DRIVE FOR LOCOMOTIVES
№ ５， ２０１３ Ｓｅｐ． １０， ２０１３
研 电力机车过分相过电压抑制新方法
究
开
李宗垒 １ ，刘明光 １ ，屈志坚 ２ ，王海姣 １
发
（１． 北京交通大学 电气工程学院，北京 １０００４４； ２． 华东交通大学 电气工程学院，江西 南昌 ３３００１３）
A New Method to Overvoltage Restrain of Electric
Locomotive Passing the Neutral Section
ＬＩ Ｚｏｎｇ－ｌｅｉ１，ＬＩＵ Ｍｉｎｇ－ｇｕａｎｇ１，ＱＵ Ｚｈｉ－ｊｉａｎ２，ＷＡＮＧ Ｈａｉ－ｊｉａｏ１
(1.School of Electrical Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China; 2.School of Electrical Engineering, East China Jiaotong University, Nanchang, Jiangxi 330013, China)