自动过电分相过电压仿真分析

1、自动过电分相过电压仿真分析郭育华连级三邹滨张代润摘要：分析了自动过电分相合闸时产生过电压的原因，建立了 SS型 电力机车过电分相合闸时的等效电路模型，并用PSPICE进行了仿真。1仿 真结果表明过电压的存在，其大小与合闸时电网和中性段的残压差有关； 与过电分相机车的级位有关；与线路上有无其它机车及其负载大小有关。 最后提出了两种抑制过电压的方法，并对其抑制效果进行了仿真。关键词：电力机车；自动过电分相；残压；过电压；仿真 中图分类号：U264文献标识码：ASimulation and Analysis of Over-Voltage duringAuto-Passing Phase Divis

2、ionGUO Yu-hua， LIAN Ji-san， ZU Bin，ZHANG Dai-yun(School of Electric Eng., Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China )Abstract: In this paper,the cause of over-voltage during switch-on in auto-passing phase division is analyzed. An equal circuit module of type SS electric locomotive is bui

3、lt and simulated via PSPICE. The result of simulation indicates that over-voltage exists and its intensity is relative of the difference between wire netting and remained voltage in middle section at the time of switch-on, the grade of locomotive, other locomotives and their load. Two measurements o

4、f restraining over-voltage are put forward and their effects are simulated. Keywords: electric locomotive; auto-passing phase division; remained voltage; over-voltage; simulation1问题的提出图1是郑州铁路局西安科研所研制的相分段自动转换装置原理图。 机车由A相驶向B相，当机车到达1CG处时，真空断路器1ZK闭合，中 性段由A相供电，待机车进入中性段，到3CG处时，1ZK分断，2ZK随即 迅速闭合，中性段由A相供电转向B

5、相供电，完成相间自动转换。西安 科研所现场试验中发现：当1ZK分断后，2ZK闭合时在中性段通过电压 互感器检测到一次约80 kV的过电压，并且后来多次发生因合闸过电压击穿机车上的放电间隙而不能恢复，造成电网对地短路，引起变电所跳 闸事故。图1自动过电分相装置原理图2过电压机理分析西安科研所现场试验和作者实验室模拟试验都表明：在机车过电分 相的断电期间，中性段仍有残存电压。这是因为断电期间，在机车辅助 绕组和异步辅助机群构成的闭合回路中，仍有电流流通，辅机系统仍有 转速，这样有的电机为电动机，有的则为发电机，文献性中对异步机 群发电现象有较详细的论述。残压的大小和相位与机车运行的级位以及 投入辅

6、机的数目有关，因而其大小和相位具有随机性。合闸时，如合闸相电压和中间残压有瞬态差，合闸后中性段对地电 容、牵引变压器的对地分布电容与线路阻抗产生一个振荡的暂态过程。 由电路理论可知，在暂态过程中，电路上各点的响应是稳态量和暂态分 量的迭加，稳态分量为50 Hz，暂态分量为电路的固有频率，远远大于 50 Hz。当暂态响应与稳态响应同相迭加时，就表现出过电压。仿真结果 表明，过电压是因为合闸时电网与中性段有电压差，引起过渡过程所致； 过电压的大小与合闸时电网电压和中性段残压的瞬态差大小有关；与线 路上有无其它机车及其负载大小有关；与过电分相机车的级位有关。3系统建模模型原始参数供电变压器：25 M

7、VA供电方式：直供供电区间：复线、长度25 km机车型号：ss1型电力机车建模方法供电变压器：理想电压源加内阻抗供电线路：n型等效电路牵引变压器：根据结构参数由PSPICE生成 辅机系统：用电压源等效机车供电系统：单相中抽整流电路等效这里需要说明一下辅机系统的建模。辅机系统中的劈相机属于不对 称电机，建立动态数学模型十分困难，为了避免劈相机的动态建模，仿 真模型中用电压源来模拟辅机系统。这一近似对分析过电压是有效的， 因为过电压存在的时间在0.1ms之内，辅机系统中的磁场和转速都不能 突变，辅机系统的电势在合闸后0.1 ms之内可认为按原来正弦变化。图2系统等效电路模型的仿真仿真电路模型如图2

8、所示，电路分三部分：(a)供电系统，(b)辅机 系统，(c)牵引主电路。电路中各参数的意义如下：vs供电变压器电压r Ls供电变压器等效内电阻、电感R：伞线路等效电阻C：C：、l“ll线路等效电容、电感l”、R6-电压互感器激磁电感、电阻R：、Cr -一阻容吸收电阻、电容2ZK真空开关R、L线路上其它机车负载等效电阻、电感sX切除串联电阻真空开关Rx合闸串联电阻C：机车主变压器对地等效电感lt、l、l、l 主变压器绕组1 2F 2Q12Q2R、L折算到辅助绕的总等效电阻、电感vf辅机系统等效电压RF (R )、L (L )折算到牵引绕组的等效电阻、电感R、L 波电抗和电枢的总电阻、电感P P

9、. . 一 ED电机反电势D、D整流二极管R1 (R2)、C (C )整流回路的阻容吸收电阻、电容12124仿真分析(1 )过电压与合闸时瞬态电压差关系合闸时瞬态电压差是过电压产生的根本原因。仿真结果图3和图4 表明：瞬态响应的大小取决于瞬态电压差，瞬态电压差越大，瞬态响应 峰值越大，产生的过电压也越大。Vf=198” sin(100 t+180图 3 Vs=25Asin(100 t)kV,级，车速40 km/h瞬态电压差最大时合闸川,手柄4川,手柄4图 4 Vs=25皿sin(100 t)kV, VF=198sin(100 t+180级，车速40 km/h,瞬态电压差为零时合闸图3和图4仿真

10、相同条件为Vs = 25 /Tsin(lOOi) fcVVf = 198 /2sin100 ? + 100) V机车级位：7级机车速度：40 km/h牵引电机电流：50 A线路上无其它机车不同条件为图3合闸时瞬态电压差最大。图4合闸时瞬态电压差为0。V是节点12的电压，即机车主变压器原边电压。图3中V的峰 电压为3 kV，图4中没有过电压，过渡过程也不明显。需要说明的是 图3中的暂态响应的过渡过程经历了多次振荡才完成，实际中只有几次 振荡，这是因为高频振荡电流在线路上有很强的趋肤效应，受到的阻尼 很强，而仿真模型中没有考虑趋肤效应。事实上，每次合闸都会发生暂 态振荡过渡过程，但只有在网压峰值附

11、近合闸时，网压峰值与振荡峰值 迭加才表现出过电压。故下面分析中只考虑最严重的情况，即网压与残 压相差180，且在网压峰值处合闸，其它情况不另作分析。(2 )过电压与机车级位关系机车级位越高，阻尼越大，过电压越小。图5是在机车级位为19, 车速40 km/h的仿真结果。与图3比较，V(电压峰值减小到57.5 kV。图 5 Vs=25石sin(100 t)kV, V198 Asin(100 t+180)V,手柄 19级，车速40 km/h,瞬态电压差最大时合闸Rfl-rin ataH-azK-l - - 1 - - - U 1 1 50 100150图 6 Vs=25Asin(100 t)kV,

12、Vf=198左sin(100 t+180)V,手柄 4级，车速40 km/h,瞬态电压差最大时合闸，其它机车负载电流200 A，相移系数0.8过电压与线路有无机车的关系线路上如有其它机车，负载越大，阻尼也越大，过电压越小。图6是其它机车从电网取流200 A，相移系数为0.8，其它条件与图3相同时 的仿真结果。可以看到V（i2）电压峰值减小到60 kV。5抑制过电压的措施从实验和仿真结果都可以看到合闸过电压的存在，过电压最大值发 生在机车低级位，线路上无其它机车，瞬态电压差最大，牵引网值处合 闸时。当电网电压29 kV时，其最大值可能超过72.5 kV，见图7,超过 65 kV引起放电间隙击穿不

13、能恢复而造成接地，变电所跳闸。过电压危 害还有：1.牵引变压器遭波击，局部过压破坏绝缘；2.还可能通过匝 间电容耦合到变压器的次边，危及辅机系统和牵引电气系统，因而必须 采取措施加以抑制。目前西安科研所在机车上改放电间隙为氧化锌避雷器，达到了很好 吸收过电压的效果。仿真过程中，作者对串联电阻合闸和中性段加装阻 容吸收电路的抑制效果进行了仿真，串联电阻是为了抑制振荡，加阻容 是为了吸收电压尖峰。图8是串入电阻（Rx=200 Q，其它条件与图3相同时）的仿真结 果。V（i2）在2ZK合闸和R切除时都有过电压，分别为45 kV和35 kV，都 小于63 kV。图 7 VS=29sin(100 t)k

14、V,Vf=198 左 sin(100t+180)V,手柄 4级，车速40 km/h,瞬态电压差最大时合闸图 8 Vs=25/sin(100t)kV, Vf=198/T sin(100t+180)V,手柄 4 级,车速40 km/h,瞬态电压差最大时合闸，串电阻Rx=200。图 9 Vs=25/Tsin(100 t)kV, Vf=19Tsin(100 t+180)V,手柄 4级，车速40 km/h,瞬态电压差最大时合闸，加装阻容吸收电路Rc=500。C =4口 FCr图9是在中性段加装阻容吸收电路(Rc=500 Q ,CR=4 p F)时的仿 真结果，V过电压为55 kV。C图 10 VS=25/sin(100 t)kV, Vf=198“sin(100 t+180)V,手柄 4 级，车速40 km/h,瞬态电压差最大时合闸，串电阻=200 。，加阻 容吸收电路Rc=500Q，CR=4p F X比较三种抑制措施，氧化锌避雷器虽然能很好吸收过电压，但如频 繁动作，其吸收时的残压将增加，影响抑制效果；串电阻合闸有两次过 电压，影响机车过分相时的牵引力，但它除了能抑制过电压之外，还能 抑制合闸