过分相方案

电气化铁道阻尼式分相研究

摘要：论文对电气化铁道阻尼式分相方案进行了研究，给出了3种阻尼式分相方案。分析了方案中电阻对列车过分相的阻尼作用，并用Matlab/Simulink进行了仿真计算，表明阻尼式分相方案可以降低机车过分相时的暂态过电压，该方案安全可靠，是可行的。

关键词：电气化铁道；关节式分相；自动过分相；阻尼式分相；过电压

0、引言

我国现行的牵引网单边供电模式和现有的牵引变电所接线方式及其换相连接，决定了牵引网上必然存在电分相环节，简称分相。

我国的电气化铁路以前多采用器件式分相，在电力机车运行速度较低的情况下基本能满足需求。随着我国高速铁路的发展，器件式分相和列车提速之间的矛盾日益凸现出来:在机车通过分相时容易产生打火等现象，对受电弓、接触线以及分相绝缘器造成伤害，大大限制了机车以较快的速度运行，不能满足我国当前经济快速发展而带来的对铁路速度提升的要求。与其相比，锚段关节式分相由于其结构上的特殊性，可以实现两个锚段和两段接触线的平滑过渡，减少接触网的硬点，减轻列车通过分相时所造成的弓网的损坏。由于这些优点，锚段关节式分相得以在我国的铁路建设中逐步取代器件式分相，并成为高速电气化铁路分相的使用类型。

电力机车多采用惯性通过分相的方式。为防止电力机车带电通过而烧坏接触网悬挂部件，导致相间短路等，电力机车在将要经过分相时，必须先退级，关闭辅助机组，断开主断路器，使机车惰行通过分相区;在通过分相之后，再进行合断路器，恢复负载的操作，完成过分相的过程。在普速铁路上，这一过程是由司机手动完成的。

由于分相频繁，列车司机必须在极短时间内完成过分相步骤，劳动强度极大，特别是在高速铁路中，过分相几乎无法由司机手动完成，必须采用自动过分相技术。目前主要分为车载自动过分相、地面自动过分相方案等。

车载自动过分相模拟司机手动过分相，即自动断辅助电路、断主断路器、合主断路器、合辅助电路等一系列操作过程。该方式的最大特点是列车过分相时，需断电，列车靠惯性通过中性段，既影响列车的运行速度，同时又由于主断路器频繁开闭，使用寿命大受影响，增加了投资和运行费用;切换动作频繁造成的过

电压，还会影响机车的电气设备;在切换过程中还可能出现铁磁谐振现象，影响自动过分相的可靠性。

地面自动过分相，则是通过地面开关设备与列车位置信号配合，先断开上一供电臂，然后再与下一供电臂接通，即通过开关把分相处两端的供电臂电压切换到中性段上，列车通过中性段时，它也需要短时间断电。

地面自动过分相的缺点是:开关需要频繁地进行切换动作，在切换过程中产生的过电压，影响了开关寿命的影响，既影响了自动过分相的可靠性，同时又需要经常更换开关，增加了运行和维护的费用。

随着铁道数次大提速的进展，铁路运营单位发现电力机车在通过关节式电分相时仍然发生跳闸事故，击穿机车绝缘子、放电间隙等设备，烧伤接触网导线、吊弦、承力索。

因此，研究安全、可靠、稳定的自动过分相方案，是铁路安全运营的需要，是高速铁路发展的迫切要求。本文提出的阻尼式分相方案，不需要设置地面信号和高压切换开关，避免频繁切换可能造成的暂态过电压现象，实现电力机车安全可靠地自动过分相，并节约运行成本和维护费用。

1、原理说明

1.1 方案1：在分相两锚段关节分别并联电阻R（如图1.1所示）

图中M1,M2为分相的中性段，R为增加的分相电阻。电力机车由一相供电臂过渡到另一相供电臂时，自动将电阻接入回路，由于串接电阻的阻尼作用，降低了暂态过电压。

图1.1在分相两关节分别并联电阻的阻尼式分相原理示意图

在两供电臂电压同相时，理论上电阻功耗为0。如果分相两端电压相角差不为0，由于R 长期串在两供电臂，长期通电流，电阻上将产生一定的功率损失。

1.2 方案2：在方案1的基础上，中性段中间加分相绝缘元件G （图1.2）

由于方案1中M1处两端电压为异相电压（一般为额定电压N U 或2N U ），

电阻功耗较大，不经济，而且电阻长期发热存在散热的问题，故提出方案2（图

1.2），图中M1,M2为分相的中性段，在M1,M2中增加分相绝缘元件G ，R 为加在馈线与中性线间的电阻。

增加分相绝缘元件G 的作用为使电阻R 在正常情况下不消耗功率，只是在过分相绝缘元件G 的瞬间消耗功率。这里的分相绝缘元件也可以是一个大电阻（见方案3）。为保证过绝缘元件G 时电流的连续，建议作成关节型式。

图中F 为负荷开关或隔离开关，当车停在中性段时通过F 操作进行救援。

图1.2 电气化铁道阻尼式分相, 中性段中间加分相绝缘元件原理示意图

1.3 方案3:在方案2基础上,中性段分相绝缘元件上并联高阻值电阻（图3） 方案3是方案2的基础上，在分相绝缘元件G 上并联高阻值电阻R G 。R G 的作用是保证当机车过分相时电路不中断，有利于防止过电压过电流。为了防止正常情况下电阻功耗过大，不经济或影响电阻寿命，R G 的阻值必须足够大，将正常运行下电流限制在一个较小范围内。

图1.3 电气化铁道阻尼式分相, 中性段中间分相绝缘元件并联高阻值电阻

1.4 电阻的阻尼作用

如图1.4所示，列车由左侧馈线T1向右行驶进入分相段，可能产生电弧从而产生过电压的区域依次为A,B,C,D,E,F 。 F E D C B

A G R1

R2列车M21M22馈线T1馈线T2

分相关节1分相关节2

图1.4 列车从左侧经过分相示意图

(1)列车受电弓进入区域A

列车进入区域A 之前，由于电阻R1的作用，使馈线T1和M21处于同电位，因此列车进入区域A ，通过受电弓短接T1和M21，不会产生过电流，也不会引燃电弧。

(2)列车受电弓离开区域B

列车离开区域B ，进入M21的瞬间，机车通过电阻R1取流，R1产生很大压降，机车取流下降。由于机车、馈线T1、电压互感器有电感，而电感电流不能突变，假设电感电流为L I 。L I 在这一瞬间有两种可能性，第一种是L I 迅速转移到电阻R1上，这种情况没有过电压，不会产生电弧；第二种是在B 处分相关节