（电力系统及其自动化专业论文）电力机车过电分相电气过程的机理分析.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第f i 页 a b s t r a c t t h ei n p h a s ea n do n ew a yf e e d i n gm o d eh a v eb e e na d o p t e df o rt h eo v e r h e a d c o n t a c tl i n es y s t e m ( o c s ) i no u rc o t r y ；a n df o rt h ep u r p o s eo fb a l a n c i n gt h e e l e c t r i cr a i l w a yl o a do ft r i p l i c a t i o n - p h a s ep o w e rs y s t e m , d i f f e r e n tp h a s ea n d s e c t i o n i n gp o w e rs u p p l ym o d ea r ga d o p t e d ，s op h a s es e p a r a t i o nh a st ob e e ns e t o nt h ec o u u n o nb o u n d a r yo fd i f f e r e n tp h a s e s w i t ht h es p e e do ft r a i nb e i n g i m p r o v e dm u c h , f o rt h ep h a s es e p a r a t i o ni nt h em o d eo fi n s u l a t e do v e r l a p s ( p s i o ) c a na v o i dt h ep r o b l e mo f n o n u n i f o r m i t yo f e l a s t i c i t yi nt h em o d eo f p a r t ， s ot h ep h a s es e p a r a t i o nh a sb e e na p p l i e di nm o s th i g h - s p e e dl i n ei na l lw o r l d i n c h i n a ，n om a t t e rt h a tc o n s t r u c t i o no rr e c o n s t r u c t i o n1 i n e ，p s i oh a sb e i n ga d o p t e d m o s t j u s tb e c a u s ep s i oi sb e i n ga p p l i e dw i d e l y , s o m ea r i s e np r o b l e md u r i n g e l e c t r i c a lm o t i v eu n i t s ( e m u ) p a s sb yp h a s es e p a r a t i o nh a v eb e e nt h i n km u c ho f b ym a n yr e s e a r c h e ra n dt e c h n i c i a no fe n g i n e e r i n g t h em e c h a n i s mo fe l e c t r i cc o u r s eo fe m u p a s s i n gt h o u g hp h a s es e p a r a t i o ni s r e s e a r c h e da n da n a l y z e di nd e t a i li nt h et h e s i s ，l a r g e l yi n c l u d i n gt h em e c h a n i s m o fb r i n g i n gf o r t ho v e r - v o l t a g e ，o v e r - c u r r e n tw h e nm a i nb r e a k e ro fe m ui s o p e n e d ，a n dt h ea n a l y s eo fe l e c t r i ca r cc a u s e db ye n e r g i z e de m ub u r n i n gp h a s e s e p a r a t i o n b a s e do nt h et h e o r ya n de q u a t i o no fe l e c t r i ca r cd e d u c e d ，ae m l u a t o ri s c o m p i l e di n m a t l a b s i m u l i n kl a n g u a g ea n di t sc o r r e c t n e s sh a sb e e n v a l i d a t e da to n et i m ei nt h et h e s i s t h em a t hm o d e lo fe m ui sf o u n d e d a n dt h e w a v eo fo v e r - v o l t a g ea n do v e r - c u r r e n ti ss i m u l a t e dw h e nt h em a i nb r e a k e ro f e u mi so p e n e di no r d e rt op a s st h o u g hp h a s es e p a r a t i o n ，a n dt h es i m u l a n tr e s u l t i sa n a l y z e di nd e t a i l a tl a s t ，t h em o d e lo fe l e c t r i ca r cc a u s e db ye n e r g i z e de m u p a s s i n gt h o u g hp h a s es e p a r a t i o ni sc o n s t r u c t e d ，a n ds i m u l a t i o ni sd o n ef o rt h e v o l t a g ea n dc u r r e n to f o c li ud i f f e r e n tl e n g t ho f e l e c t r i ca r c k e y w o r d s ：t r a c t i o np o w e rs y s t e m y , p s i o ，o v e r - v o l t a g e ，o v e r - c u r r e n t ，s i m u l a t i o n 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第一章绪论 1 1 问题的提出 。 随着列车速度的大幅度提高，器件式电分相对电力机车受电弓冲击大( 俗 称硬点) 成为困扰我国电气化铁路提速改造的主要问题之一。由于锚段关节式 电分相是由两个绝缘锚段关节组成，消除了器件式电分相存在的硬点大的问题， 所以，我国广深、武广、哈大、京秦、宁西线等电气化铁路和“十一五”期间 开工修建的京沪、。郑西、京津等快速客运专线均计划采用关节式电分相i j j 。可 以说，无论是新线建设还是既有线改造，都将大量采用关节式电分相装置。世 界大多数国家的高速电气化铁路电分相也均采用该种型式1 2 11 3 j 。但根据现场情 况反馈，当交流电力机车在牵引状态下进入中性段后，在运行方向的第一个空 气间隙处会产生电弧，而且往往在受电弓进入中性段后不能自行熄灭，它会烧 毁接触线或( 经常) 产生飞弧烧损承力索，如图1 1 所示；甚至即使电力机车 断开主断路器进入电分相时，也会出现变电所馈线保护不正确动作情况。 图1 - 1电力机车牵引状态下进入电分相示意图 为了避免烧损导线，目前国内及一些国外都规定了电力机车行进中性段时， 司机必须逐渐退级到零位，切断牵引负荷，然后再切断辅助电路负荷，最后关 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 断主开关，使机车惰行通过绝缘区。在电力机车通过中性段之后，司机再以相 反的顺序将辅助电路负荷和牵引负荷接通。因此随着铁路提速，特别是在高速 铁路上，当牵引变电所之间的距离大约5 0 6 0 k m 、行车速度3 0 0 k m h 时，司机 每隔l o m i n 就得切断一次牵引电流。由于这种过电分相防止烧损导线的方法要 依靠司机的主观因素来确定，即依靠电力机车司机的注意力、纪律性和技术水 平1 4 1 ，因此，在现场运营过程中，经常会出现电力机车带电闯分相情况，严重 时电弧会把承力索烧损。甚至即使电力机车断开主断路器过分相时，经常出现 变电所馈线保护不正确动作情况，这给电力机车的正常运行和运营部门的工作 造成巨大的困难。但是目前对于电力机车过分相存在问题的解决，除了对分相 装置加以改造外，从电气过程角度来分析这一过程的相关资料还很少。其主要 原因是这个过程原因十分复杂，不仅跟电力机车类型、电弧的复杂变化过程有 关，而且现场数据采集和试验都存在众多的困难，因而形成了电力机车过分相 出现的问题是一个客观存在但又无从下手的技术难题。因此对电力机车过电分 相的电气过程的分析研究势在必行。 1 2 电力机车过电分相的研究现状 为了克服电力机车过电分相存在的问题，对国外在这方面的经验进行统计 和分析，是有益的。国外对于电力机车过分相时产生的电弧问题主要从改造电 分相本身的硬件结构来解决。但是他们有关中性段问题的科研方法与理论知识 大部分是专利资料，有关它的各种方案的实施，特别是它的运营指标方面资料 很少。关于改进中性段结构的办法，大致可以分为如下五种【5 1 ： 1 1 消极的办法 改进中性段结构。当电力机车带电驶入中性段产生电弧时，创造条件将电 弧引到导线- - $ t j 和吹灭电弧。包括：将空气间隙处的接触线移开5 0 0 6 0 0 m m ； 设置一些电弧固定产生点和使用聚乙烯或氟塑料护套来保护导线不被烧损；采 用带聚合材料绝缘件和消弧角的特种分段绝缘起来装配中性段( 在这方面日本、 俄罗斯和匈牙利都有些经验) 。在马德里至塞维里亚的高速铁路上，在马德里附 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 近电力机车由直流区段驶入交流区段处，采用中性段接地的双中性段。这样当 电力机车带电驶入空气间隙时能更有把握的在牵引变电所切断孔子间隙处产生 的电弧。 这种被动的防止中性段导线烧损的办法，其缺点是消弧角和聚合材料护套 会磨损和损坏，其防护性能会丧失；消弧角的制作精度、护套的空间安装精度 及其在运营种保持的状态对消弧可靠性起关键作用。 2 ) 电力机车通过空气间隙时利用动力转换装置将中性段的第一和第二空 气间隙交替分流 动力转换装置由该电力机车与空气间隙的相对位置的传感器自动控制。很 多关于防止中性段导线烧毁的专利、发明证书和期刊文章都采用上述办法，只 是其实施方案有所不同，其中也包括分流转换装置的类型。在日本的防止受 电弓通过绝缘中性插入段时产生电弧的装置专利中是采用接触器，而在日本 的交流接触网分段专利中则采用磁灭弧的快速转换开关。这种快速转换开 关装在一个总的外壳内，或者装在单独的外壳内。在日本的受电弓无电弧通 过两个相邻分段连接处的装置专利中采用真空断路器，而在其他专利中采用 真空接触器。 但是，这些接触器在每一个电气列车通过中性段时都应动作，而当由几个 非并联式受电弓取流时( 如在日本新干线上实际使用的) ，其动作次数还要多几 倍，因而对受电弓的工作不问断性和耐久性影响很大。熄灭电弧会引起很大的 接触网过电压。因此，在东海道新干线上，在中性段并联装有放电器。后来， 为了克服接点式转换装置的缺点，曾建议采用由可控硅元件组成的无接点式开 关作为分流中性段空气间隙的开关。日本三菱公司研制了这种开关，当电力机 车由左向右运行时，可控硅元件接通顺序如图1 2 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 王乱豇 2 王乱度2 3 二e 乱甫 4 王乱口 一 二e aj 彦 5 图l - 2中性插入段空气间隙交替分流电路 ( 日本三菱公司研制) 中可控硅元件的接通顺序( 1 5 ) a ，d 一不同相的电压s 矽1 。s 缈2 一由可控硅单元组成的转换装置 3 ) 在电力机车驶入中性段前强制减少其耗用的电流 这是通过在电力机车的电源回路内，也就是在牵引回路内临时接入电阻器 或( 和) 电抗器来实现。在日本高速新干线的三岛、冈山、广岛、博多等机务段的 接触网供电电路中，为了减少电弧的形成，在机务段附近距离分段处2 5 m 的地 方连接了一个能降低牵引电流的1 0 q “灭弧”电阻。 但是要在中性段上独立地采用这种办法是不足的。当只采用限流有效电阻 时，在电流大约为5 0 0 a 时电阻器地外形尺寸就很大，而在只使用感抗时，即使 在电流很小时灭弧也比较困难。使用限流电阻作为减轻分流转换装置工作地辅 助措施可能有用，但还应该对问题进行具体研究。 4 ) 在电力机车驶近中性段时强行切断车上的电流 这种办法已经在英国铁路上实行。它是强行切断电力机车的电流作为一项 单独的办法，它的优点是在牵引供电设备上不用设置任何传感器或其它辅助器 件，它的缺点是容易打乱列车的运行工况，在所有电力机车上都必须安装一定 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 的设备，这在经济上可能不合算，但在新建高速铁路新的高速电力机车上安装 这些设备是没有任何困难的。 5 ) 接触网上安装电力机车行近中性段的传感器 ， 这种办法在日本铁路上有运用。其主要采用电流互感器作为电力机车行进 的传感器，使人们感兴趣的是它不使用接触悬挂的主导线( 接触线、承力索) ， 而是使用另外一根比较细的导线作为电流互感器的一次绕组，电力机车的一部 分牵引电流将分流到该导线内。因此，不需要电流互感器的磁路作用到接触网 的主导线上，使安装工作大为简化。 目前国内对于电力机车过分相电气问题的理论研究很不充分，大多为了克 服这一棘手问题都是在硬件上采取措施，如采取增加中性段长度、双中性段关 节式电分相】，把电分褶设置的位置迸行充分的考虑，使其尽量设在没有坡道 或坡道较小的线路上、增大七跨锚段关节式电分相内接触网的结构高度、在电 分相范围内的承力索上缠绕绝缘热缩带1 4 1 等等。但这些措施都没有能在根本上 解决这一难题。 现在许多科研工作者为了打破这种车上手动切换方法过分相技术带来的弊 端，如：影响行车速度、增加司机的劳动强度、对高坡重载区段，会引起列车 大幅降速，延长咽喉区段的运行时间，降低线路运能等，提出了列车自动过分 相的方案。这种方案主要包括三种：“车上自动切换”、“柱上自动切换”和“地面 自动切换”【7 】。由于列车自动过分相方案与本课题研究关系不大，所以不作详细 的论述。 1 3 本文研究的主要内容、目标与方法 电力机车通过绝缘锚断关节式电分相分为电力机车断开主断路器过分相和 电力机车带电过分相两种情况，本课题首先对电力机车主断路器断开经过分相 过程产生的截流过电压、合闸过电压、空载合闸涌流和辅助电机系统的过流产 生的机理进行了探讨，分析出变电所馈线保护不正常动作的原因。 其次，对电力机车带电过分相时电弧形成过程进行了理论分析。找寻出电 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 弧烧毁电分相甚至承力索的原因。 最后，运用m a t l a b s i m u l i n k 对电力机车、电弧进行建模，对电力机 车主断路器断开过分相产生过电压、电力机车在中性段有残压时空载合闸涌流、 电力机车带电过分相时电弧长度的变化进行建模、仿真，并对仿真结果迸行分 析。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第二章牵引供电系统与绝缘锚断关节式电分相 2 1 电气化铁道的牵引供电系统 电气化铁道的牵引供电系统由牵引变电所( 包括分区亭、开闭所、a t 所) 、 牵引网( 馈电线、接触弼、钢轨和回流线) 、电力机车等组成。所以入们又称电 力机车、牵引变电所和接触网为电气化铁道的“三大元件” 8 1 。如图2 - 1 所示。 1 1 0 k v 电力系统 1 1 0 k v 电力系统 图2 - 1电气化铁道牵引供电系统示意图 我国电气化铁路采用工频单相交流制。电气化铁路供电的牵引供电系统由 分布在铁路沿线的牵引变电所及沿铁路架设的牵引网组成，为了保证供电的可 靠性，由电力系统送到牵引变电所的高压输电线路均为双回路1 9 j 。 1 ) 牵引变电所：主要是将电力系统传送的2 2 0 k v 或1 1 0 k v 的三相电源转 换成牵引网额定电压2 7 5 k v 工频单相交流电，然后向铁路沿线架设的牵引网供 电。 2 ) 分区亭：主要作用是操作设置在两个牵引变电所之间连接两供电分区的 开关设备，实现灵活供电，提高运行的可靠性。 3 ) 开闭所：实质上是个不进行变压的配电所，主要是将从牵引变电所牵引 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 母线上引出的一路馈线按需要向分组接触网供电。一般设置在需要送出多路馈 电线的多接触网分组的枢纽站场附近。 4 ) 接触网：是一种悬挂在电气化铁道线路上方，并和铁路钢轨保持一定距 离的链形或单导线的输电网。牵引电力机车能量获取是通过机车受电弓和接触 网的滑动接触来实现的。 5 ) 馈电线：是指连接牵引变电所和接触网的导线，把牵引变电所转换完备 的牵引用电能送给接触网。 6 ) 轨道：在电气化铁道系统中，轨道除了作为列车的导轨外，还与接触网 组成通道，完成导通回流的任务。 7 ) 回流线：连接轨道和牵引变电所的导线，把轨道中的回路电流导入牵引 变电所。 8 ) 牵引网：牵引供电回路的构成是：牵引变电所、馈电线、接触网、电力 机车、钢轨与大地、回流线。在这个闭合回路中，通常将馈电线、接触网、钢 轨与大地回流线统称为牵引网。 2 2 电力机车 电力机车的电气线路按其作用的不同，可分为主电路、控制电路和辅助电 路三大部分。牵引电动机及其相联接的电器设备和导线组成了机车主电路。电 传动设备主电路中流过的电流为牵引负载电流，主电路电压为牵引电动机的电 压，或者是接触网的网压，故机车主电路是电力机车上的高电压、大电流的大 功率动力回路。通过主电路的功率传输，将变电所的电能转变成适用于列车牵 引所需要的牵引力。因此机车主电路应满足机车起动、调速和制动三个基本工 作状态的要求，起动、调速及制动是机车运行的基本规律，它们是通过机车主 电路、控制电路及辅助电路共同作用实现的u 。 2 2 1 主电路 电力机车的主电路由主变压器、牵引变流器、牵引电动机构成。2 7 5 k v 牵 引网压经受电弓、主断路器、电流互感器、主变压器原边绕组接地。主变压器 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 次边绕组有若干抽头，由组合调压开关进行切换，实现逐级改变交流输出电压。 接触网的单相电流转换成牵引供电的整流电流，是通过牵引变压器和整流装置 实现的。主电路设有转换开关，在一组四象限变流器或逆变器故障时可作相应 的切除和转换，机车可以降低功率继续运行。 当主电路主要电气设备发生短路、过载、接地、过电压四类故障时，相应 的保护电气动作，以避免电气设备因上述故障而损坏。各类交直型电力机车的 主电路保护措施大致相同，其主断路器是机车的主要保护装置，当主电路发生 短路、过载、接地故障时，主断路器作为主要执行开关，担当了分断网侧电路 的作用。当车顶母线、瓷瓶对地放电或短路时，短路电流不流过电流互感器， 主断路器不会跳闸，由牵引变电所执行保护。 2 2 2 辅助回路 电力机车辅助电路主要为电力机车主电路提供冷却，为空气制动系统提供 风源，调节司乘人员环境以及给客车提供合适的电源。辅助电路的正常工作与 否直接影响到主电路的工作状态，是机车稳定、安全运行的关键。 一般国内电力机车辅助电路系统分两大部分：一是传统的单三相供电系 统；一是列车供电回路。为了保证电力机车正常运行，机车上设有三相交流辅 助电路和辅助机械装置，这是由于平波电抗器、主变压器的油散热器、整流装 置、牵引电动机、硅风机和制动风机等，他们在运行时发出大量的热量，需要 通风机进行强迫风冷；主变压器需要设置油泵强迫变压器油循环，空调等：机 车和列车的制动、受电弓以及车上各种气动机械要装置压缩机来提供风源等， 所有这些辅助装置除辅助压缩机用直流电动机拖动外，其余都用三相鼠笼式异 步电动机来驱动。为此，需要将电力机车单相交流变换成三相交流电源供辅助 机械使用。目前国产电力机车辅机电源采用三种供电模式 1 1 j ：一是采用旋转式 劈相机。对于劈相机供电的辅助系统来说，其特点是三相电源电压变化范围较 大，且受网压的变化影响较大，三相电流较不平衡：但其电压波形为标准正弦 波，阻抗电压低，短路电流大，这种方式在电力机车上广泛使用，主要用于交 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 直型直流传动电力机车，象鼹系列、s s 4 、蹈系列、船；、跞等。二是采用 电容器分相法；三是采用半导体静止逆变器。 2 3 绝缘锚断关节式电分相 由于电气化铁道牵引变电所向接触网供电的馈线是不同相序的，不同相供 电臂在接触网的相交处设置了绝缘结构，称电分相。传统的器件式电分相由三 个绝缘杆件组成，无电区总长3 0 m ，每个绝缘杆件与导线连接形成2 个接头， 一组分相就有了6 个接头，每个接头在接触网上就形成一个硬点，加速了接触 导线的磨损，同时也限制了列车速度。如列车在高速通过器件式电分相时，其 多个硬点不可避免有撞击机车受电弓的现象，严重时会造成机车受电弓的损坏 或发生弓网事故【1 2 j 。 为了消除接触网上的硬点，改善弓网关系，提高列车运行速度，接触网电 分相由器件式改造绝缘锚段关节式。绝缘锚段关节式电分相在我国最早应用于 广深高速铁路，打破了我国3 0 多年采用的传统式3 组绝缘部件构成的电分相模 式，在铁路电气化发展史上具有重要的意义，其技术已日趋成熟。七跨锚段关 节式电分相中性无电区由原来的3 0 m 延长至3 个跨距( 1 3 5 1 5 0 m ) ，从弓网 关系分析，绝缘锚段关节式电分相可以满足时速2 0 0 k i n 以上接触网系统的要求。 我国电气化铁道接触网通常采用的锚段关节式电分相有七跨式、八跨式和九跨 式3 种。其中，七跨锚段关节式电分相用于广深线；八跨锚段关节式电分相用 于京广线的衡广段；九跨锚段关节式电分相用于京广线的武衡段和哈大线。 2 3 1 绝缘锚断关节式电分相结构 西安供电段管内七跨式绝缘锚断关节式电分相，它是由二个4 跨绝缘锚段 关节交叉组合而成，从头到尾共有七个跨距，故称七跨锚段关节式电分相。其 共有锚柱2 根，转换柱2 根，中心柱2 根，锚柱加转换柱2 根，通过正线两个 锚段和一个中性锚段形成二个4 跨绝缘锚段关节，其原理是利用2 个四跨绝缘 锚段关节的空气绝缘间隙来达到电分相的目的。中性区正常情况下不带电( 无 机车通过时) ，但不允许接地，其对地仍按2 5 k v 电压等级要求绝缘。一般考虑 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 在关节处行车方向远端设置一台手动隔离开关，以疏导中性区的故障机车j 。 如图2 - 2 所示。 当电力机车准备经过电分相时，机车主断路器打开，受电弓不降弓通过。 电力机车在电分相中性无电区范围内利用中性锚段来作工作支，使受电弓平稳 的由一端正线锚段运行到另一端的正线锚段，该中性嵌入线从左侧的中1 处变 为工作支，到右侧中2 处开始抬升，变为非工作支，可保证约有1 0 0 1 5 0 m 长的 中性区。机车乘务人员须按照设置的“断”、“合”、电力机车禁停”标志断、合机 车主断路器，“断”电标应设在行车方向第一转换柱处，“合”电标应设在行车方 向第四转换柱处，同时要设置反向行车标志。如图2 - 3 、2 4 所示。 为了保证电力机车正常通过绝缘锚段关节式电分相绝缘器，原则上要求单 台受电弓升弓运行，确需多台受电弓同时升弓时，对受电弓间距离( x ) 作如 下限制：x 厶或x l ，。以保证受电弓通过中性段时不会短接分相绝缘器， 造成相间短路【1 5 】。 l 2 1 、f、 i 鞠t ，- l l 霹哳，71，t 下行 阔2 - 2七跨绝缘锚断关节式电分相 上行 。新。标设在行车方向第1 转换柱处 b 电力机车停橱 l t 禁止双弓t 断繁止双弓断( 反向为。台4 ：台。标设在行车方向第转换柱处 巳巳巳巳、巳竺! ! 二 分耜区域 图2 - 3下行方向行车标志的设置 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 。断4 标谩在行车方向第1 转换牲处 电力机车停标口一 。合。标设在行车方向第转抉柱处断( 反向为4 台。： 羹止双弓 t 断t 禁止双弓 二! 兰! ：! ! ：型 。型型型型 分相区域 图2 _ 4上行方向行车标志的设置 2 3 2 绝缘锚断关节式电分相技术标准 七跨绝缘锚断关节式的技术标准与四跨式绝缘锚段关节相同，对空气间隙 的绝缘距离提出较高要求，间隙绝缘一处不能满足要求，整组分相绝缘器功能 丧失。下面是西安段内的七跨绝缘锚断关节式电分相的技术标准1 1 6 j 。 1 ) 中心柱处两支承力索的水平间距为5 0 0 r a m ，误差为0 1 0 0 m m 。抬高支 承力索比另一支承力索抬高不小于5 0 0 r a m 。两支接触线距轨面等高，误差 1 0 r a m ，两支接触线的水平间距为5 0 0 r a m ，误差o 5 0 姗。 2 ) 中心拄处两支悬挂( 包括支撑装置、定位装置等) 之间的空气间隙不得 小于5 0 0 i n m 。 3 ) 中心柱处抬高支悬挂应在靠近支柱侧( 顺线路方向) 。 4 ) 转换柱处两支承力索的水平间距为5 0 0 r a m ，误差为0 1 0 0 m m 。非支承 力索比工作支承力索抬高3 0 0 r a m ，误差为o l o o m m 。两支接触线的水平间距 为5 0 0 m m ，误差为o 5 0 m m 。非支接触线比工作支接触线抬高5 0 0 m m ，误差 为5 0 m m 。非工作支分段绝缘子及其接头的最下端比工作支接触线抬高不得小 于3 0 0 m m 。 5 ) 同一组四跨绝缘锚段关节两转换柱分段绝缘子内侧两悬挂问的空气间 隙在任何情况下不得小于5 0 0 r a m 。 6 ) 转换柱和中心柱处，承力索应位于相对应的接触线的正上方。 7 ) 转换柱和锚柱间加装一组电连接器，两支承力索问的电连接线螺盘3 5 圈，圈径为线径的3 5 倍，承力索和接触线问的电连接线不盘圈。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 8 ) 两下锚支接触悬挂相交叉时，应保持5 0 m m 以上的距离。 9 ) 多功能定位器的最大抬升高度为1 0 0 m m ，误差为+ 1 0 m m 。无抬高量时， 防抬高间隙一般为：腕臂柱定位器为7 g m m ；软横跨定位器为5 7 m m 。 1 0 ) 七跨式电分相内的其它设备( 补偿装置、支撑装置、定位装置、隔离开 关、分段绝缘子、导线接头、承力索接头、接触线拉出值和高度及坡度、下锚 拉线、吊弦等) 的技术标准按t b 标准执行。 2 4 交流电弧产生的原理及特性 电弧是气体放电的一种形式，是一个电场、磁场、热场及流场变化的综合 作用过程，情况极其复杂。另外，在不同的条件下电弧在运动过程中其形态变 化较大，电弧特性也不相同，电弧可分为三个区域：阳极电位降区域、弧柱、 阴极电位降区域【1 7 】。文中n 8 j 指出：高压电路中产生的电弧，是触头电流通过空 气传导而产生的，所以又被认为是一种气体放电现象。电弧其实是一种等离子 体。其主要的外部特征有： 1 ) 是一种自持放电现象，它不用很高的电压就可以持续相当长时间的稳定 燃烧而不熄灭。 2 ) 是强功率的放电现象，在开断数十千安的短路电流时，电弧的温度可达 上万摄氏度甚至更高，并且具有强辐射。 3 ) 是等离子体，质量极轻，极容易改变形状。 交流电弧的电流变化速度很快，不可能建立稳定平衡状态，因此，其伏安 特性为非线性多值对应关系。一般说来故障电弧电流的波形大致为正弦波形， 但是电弧电压则较为复杂。图2 5 是典型的交流电弧电压、电流的示波图，从 图中可以看出，电弧电压波形为斜顶的梯形，电弧电流零区电弧电压变化率很 大。图2 6 是对应的伏安特性 1 9 j 1 2 0 j 。从伏安特性可以 2 1 】看出，电压顶部随时间 增加逐步倾斜，电弧的伏安特性有明显的滞环j1 2 3 j 。一条曲线低于另一条曲线， 这是由于电极和弧柱气体的热惯性所致，所以交流电弧的伏安特性与电流的数 值、电弧的冷却程度、电极的材料、气体的成分、电弧的长度以及电流的频率 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 等因素有关，其中电极材料和电弧长度对伏安特性的影响较为显著阻j 。从图2 - 6 中，可以看出电极材料的不同对伏安特性的影响。从2 7 图中可以看出，电弧 越长，热惯性影响就越显著。 在交流电弧中，因温度随电流而变化，电弧的温度也是变化的。但气体的 热惯性很大的，甚至在工频电流的情况下，也将引起温度的变化稍滞后于电流。 在电流过零时，电弧的温度并不是最低值，而仍然保持相当高的温度。研究表 明，交流电弧的温度随电流变化、且以电流的二倍频率上下波动陟】。 图2 _ 8 是交流电弧的温度变化曲线。 c a ) 碳电极 ( b ) 铜电极 图2 - 5典型的交流电弧的电压、电流示意图 u a 险 0 i a l 刘 u a l 一 产 ， - 一j o i a v (a)碳电极(”铜电极 图2 - 6对应与上图的交流电弧的伏安特性 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 u o 图2 - 7随电弧长度的增加、伏安特性的变化 图2 - 8交流电弧温度变化曲线 ( 开弧、电流2 5 a ，弧长1 0 m m ) 到目前为止，虽然在电弧数学模型方面进行了大量研究工作，几十年来大 多数关于电弧的研究都是以试验作为基础。但这些研究结果，大多只适用于某 一具体条件下电弧特性的计算，因为电弧是一个高度非线性的时变过程1 2 ”，电 弧包含电阻及等效的电感、电容分量，具体形态随着电弧电流、电弧长度、周 围环境等变化而千差万别，因此很难用数学模型来准确地描述，理论分析很困 难，且有较大的误差。所以还需要依靠实地试验来确定某些常数，因而缺乏普 遍的实用意义1 2 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 第三章电力机车通过电分相电气过程分析 3 1 电力机车断开主断路器通过电分相的分析 3 1 1 放电间隙、避雷器的过电压保护机理和存在的问题 电力机车长期运行于接触网下，不仅要经受接触网工频高压的考验，还要 经受来自于大气的雷击过电压和电力机车内部的操作过电压( 电气开关如主断 路器的分、合操作) 与晶闸管换相过电压的侵袭。早期的电力机车都仅仅安装 了棒棒放电问隙，根据电气化铁道对电网的测试表明，无论是牵引供电系统 产生的操作过电压或是来自机车自身产生的操作过电压，一般在系统最高工作 电压最大值( 即2 7 5 k v 1 4 1 4 ) 的1 3 1 6 倍。由于工频放电电压有效值为5 5 k v ， 相当于系统最高工作电压最大值的1 4 倍，所以放电间隙也会在操作过电压下击 穿放电，相当于牵引网对地短路，从而引起牵引变电所跳闸。除此之外，放电 间隙的放电电压受温度、湿度、气压等因素的影响很大，导致放电电压分散性 大，保护值不稳定，性能较差。 为了克服放电间隙以上缺点，从鼹。、s s , 改、蹈等电力机车开始，在机 车原边分别加装了y 1 0 w 2 4 2 1 0 5 t d 或t q e l 2 4 2 型金属氧化物避雷器。它具有 优异的非线性特性，相应地具有过压保护特性好、自恢复能力强的特点。由于 电气化铁道供电额定电压为2 7 5 k v ，比电力机车规定的额定电压2 5 k v 高，再 加上牵引供电电压常常偏高，有时高达3 1 5 k v ，对于长期与电力机车一起并联 于接触网的避雷器来说，其持续运行电压就必须高于3 1 5 k v 。如果按照铁标规 定将避雷器的持续运行电压设计成3 0 k v ，那么在3 1 5 k v 以上情况下使用，避 雷器的工作安全可靠性就会有所下降。为了保证在3 1 5 k v 以上的情况下可靠运 行，就必须减少持续运行电流，随之而来必然会增大其残压值，实际上被抑制 的过电压值提高了。这两种避雷器都是参照电气化铁道用避雷器来设计的，对 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 电力机车来说，其保护特性参数是否满足机车运行的具体要求还有待研究1 2 9 j 。 虽然在电力机车的主变压器原边普遍设置了放电间隙和避雷器以期保护电 力机车上的电气设备免受过电压的伤害。但是，由于放电间隙和避雷器与机车 的配合不尽合理，不能十分有效地抑制各种过电压，而且机车避雷器要长期受 到操作过电压的考验m j 。 由于本课题旨在研究分析电力机车经过电分相过程，故本章节对电力机车 过电分相时主断路器的分、合操作时产生的过电压和过电流进行分析。 3 1 2 截流过电压 为防止电力机车受电弓通过中性区时拖带电弧烧损绝缘件和接触网导线或 造成其它供电事故，国内大多数采取的措施是司机在车上进行手动切换操作经 过电分相，即采用的是逐步退级过分相方法。这样保证机车在无电流情况下进 出分相区的，从而保证了受电弓和接触网的寿命。 因此在电力机车切断主断路器时刻，将发生类似于切除空载变压器的暂态 过程。由于一般国产电力机车主断路器的分断是靠通过支持瓷瓶上来的压缩空 气进入灭弧室，使动静触头分离。此时，压缩空气在触头喷口处形成一股高速 气流，对动静触头分离产生的电弧进行强烈的气吹和冷却，迫使电弧在电流过 零时熄灭。电弧熄灭后，弧隙迅速由新鲜的空气填充，使断口间的绝缘介质迅 速恢复，避免了重击穿，从而实现电路的可靠分断。当司机通过操作主断k 来 切除电力机车，电流的切断过程与断路器的灭弧能力有关。所以当空气断路器 j ： 在分断小电感电流时，由于灭弧能力太强，则半很大，极易产生截流过电压1 3 1 j 。 珊 实际上切除空载变压器产生过电压的实质是断路器的截流迫使变压器中存储的 磁场能量转换为电场能量所致，所以，断路器的截流能力越高，截流瞬间电流 越大，产生的过电压越高。 主断路器切除电力机车负荷的等值电路如图3 - i 所示l ，2 j 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 l 圈3 - 1主断路器切除电力帮l 军负衙等值电路 其中岛为电源等值电感，e 为牵引网对地杂散电容，丘为变电所至电力机 车连线的电感，置为机车主断路器，三为机车主变激磁电感，c 为机车主变等 值对地电容。 在主断路器切除电力机车之前，c 的数值很小，容抗很大，所以流过c 的 电流远小于流过中的电流，因此可忽略c 的存在，流过主断路器髟的电流就 是电感电流i 。 按图3 - 1 的单相等值回路可列出回路方程叫： c a = + 三f 砌：0( 3 1 ) d tl 即万d 2 u + 去= o 由此方程得： “2 qs i n ( d o t + a 2cos(dot(3-2) 当通过k 断开电力机车时，由于断路器的灭弧能力是按断开晚= 7 圣， l l 若t = 0 时，( o ) = 叫o ， 由( 3 - 2 ) 得口2 ，因= c 掣= 一c 【口l d o o c o s t o o t - - c 2 s i n c o o t ( 3 3 ) a f t 若f = o 时，f ( o ) = l ，由( 3 - 3 ) 式得q = l 抬。 则电力机车的端电压为= 抬s i n 嘞f 一c o s f ( 3 - 4 ) 其中，一厶考s i n 喘f 为电感l 中的磁场能量引起的过渡振荡分量，也就是 截流过电压，一c o s 瓯f 为电容c 中电场能量引起的过渡振荡分量，它与第一 西南交通大学硕士研究生学位论文第19 页 项相位差9 0 。，所以高频振荡电压的最大幅值可达到2 、露昙+ 诉。可见， 过电压随着变压器的特性阻抗j 昙的变化而变化，即和变压器的回路参数、中 心点接地方式、变压器接线及构造等因素有关。 设f i o = j 。s i n o 埘截流，此时电容上的电压为= l c o s 口，既为电源 e ( t 1 的幅值。 于是，截流后产生的过电压的倍数j 0 为 骆生：臣：墨竺! 兰生兰 ， e me me m 将l = 瓦e m 云，厶= 妻= 荔另贡代入上式得 x 。= ( 3 - 6 ) 考虑到有铁芯电感元件的回路里，磁场能量转化为电场能量过程中必然有 变压器的铜损和铁损。若考虑该项损耗，可在式( 3 - 6 ) 根号内的代表磁能的项 ( 争 2 s 缸2 口乘以损耗系数巩帆 ，所以邑 1 。即玑 u 。 变压器在切换过程中产生的过电压多为持续时间甚短的高频振荡波。对此， 目前大多时候为了抑制截流过电压和降低恢复电压的上升速度，为此在主动静 触头间并联了一个非线性电阻。其电阻随外加电压的升高而降低，其伏安特性 可用u = 舡4 ( a 为材料参数，口为非线性系数) 表示。或者采用并联氧化锌避 雷器来限制截流过电压阻j 。 3 1 3 合闸过电压 对于变压器空载合闸的过渡过程，以往人们普遍认为只会产生励磁涌流， 把变压器空载合闸过电压也没有被列为常规的内部过电压，而且在系统中由于 该过电压对电力系统的影响确实不太显著( 并非没有影响，而是常被现场人员 误认为是其它性质的内部过电压) 【3 5 】【3 6 】。近年来，越来越多的人通过现场实测 或软件仿真发现，变压器空载合闸充电过程中出现了哀减的过电压，哀减时间 从零点几秒到几秒不等d 7 】d ”。 但是变压器合闸过电压的产生机理究竟是电磁振荡过电压或电磁谐振过电 压还是侠速暂态过电压( ，i d ) i 柏】，人们对此看法不一。吉林省电力科学研究院 分别测试了2 2 0 k v 电铁的德惠、扶铁及长春3 个牵引变电站主变压器的空载投 运合闸过程，综合分析测量波形及数据后认为合闸过程中出现的是高频振荡过 电压1 4 ”。 ， 对于电力机车主变压器合闸产生振荡过电压的模型如图3 - 2 所1 4 z 。图中 t 为电源等值电感，c 。为母线对地杂散电容，k 为主断路器，l 为变压器的 励磁电感，r 为泄漏电阻，c 为变压器入口电容与空载变压器侧全部连线及电气 设备对地电容的并联值。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 图3 - 2主变合闸产生振荡过电压模型 假设变压器合闸时电压初相角口= 0 ，则可得合闸瞬间电压的零状态响应 为： 矸21 = “一南( s i n r o t - 言s i n t o o ) ( 3 - 9 ) 式中刀= t o , t o o = l 厶( c + c ) l 。) t ；翻。为固有振荡频率，翻为 工作频率。 式o 9 ) 指出，计及系统参数的影响后，变压器端部电压，不是纯粹的工频分 量，而是叠加了一个瞬态分量，其值依系统的固有振荡频率对工作频率比值n 而定。合空载变压器所产生的过电压，实际上是合闸时的过渡过程所产生的暂 态过电压。另外，合闸操作过电压具有很大的随机性，与合闸相角有关，合闸 相角在0 0 附近会出现较高的过电压。另外还与变压器所连接的电气设备多少及 连接导线长度有关。 并且，由于电力机车过分相的断电期间，在电力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，辅助系统仍有转速。这样，有的电机 为电动机，有的则为发电机，这时辅机系统可等效于一个电源，辅助绕组上的 电压耦合到主变压器的一次侧，就表现为残压( 注：异步机群发电与人们通常 认为的异步电机自励发电需要电容的理论是有差别的) ，使得中性段带有残压， 残压的大小和相位与机车运行的级位以及投入的辅机数目有关，因而其大小和 相位具有随机性。西安科研所现场试验中发现，中性段通过电压互感器检测到 一次约8 0 k v 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 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 而不能恢复，造成牵引网对地短路，引起变电所跳闸事故驯。 因此，当中性段上有残压，相当于此时合闸瞬间电压的零状态响应为“与 残压之和。 电力机车空载合闸电压和残压叠加是造成机车过电分相合闸时主电路过电 流和过电压、辅助电路过电流的主要原因。过电流使保护动作，主断路器跳闸； 过电压使放电间隙击穿，引起变电所馈线保护动作。此外频繁的过电压和过电 流冲击，影响牵引变压器、变流器及辅助电机系统的寿命。我国目前的电力机 车除8 k 电力机车之外，辅助电机系统都使用了旋转劈相机供电，过电分相时必 然造成残压。国外机车使用的是静止逆变器驱动辅助电机系统，过电分相时， 辅助电机系统可以等合闸后再变频启动，这样辅助电机系统被逆变器隔离，不 能将电压祸合到机车变压器一次铡形成残压，从而避免了过电压和过电流【3 0 j 。 3 1 4 空载合闸电流 在电力机车经过电分相时，不仅要产生合闸过电压，同时还会产生合闸涌 流。因为电力机车通过中性段时将产生瞬时失电，而失电后进入另一相时，由 于变压器铁心存在饱和现象，在电力机车用电回路中产生很大的涌流容易造成 电力机车过流保护启动跳闸。 空载合闸时出现的过电流现象是和主磁场的建立密不可分的，所以应首先 分析磁场建立的过程。当变压器所加电压为正弦波时，合闸时变压器一次回路 的电势方程为1 4 3 j ： 砘：函s 砥甜+ ) ：i o 吒+ 譬 ( 3 1 0 ) m 式中：瓯一空载合闸时电压的初相角 o ，一与一次绕组交链的总磁通，包括主磁通和漏磁通 一次绕组电阻 形一一次绕组匝数 由于1 比较小，在分析瞬变过程的初始阶段可以忽略不计。但是的存在 使合部闸电流衰减，因此，在考虑瞬态电流的衰减时，应该计及n 的影响。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 3 页 当忽略弛时，式( 3 - 1 0 ) 变为： 砘= 形i 生d t = 勿。s 试甜+ ) 抛，= 压鲁s 砥甜+ ( 3 - 1 1 ) 积分得： 卟 - 压蔫o o s + ) + c b = 一o 。