（电力系统及其自动化专业论文）电力机车过分相暂态过程分析.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l | 页 目置量鲁詈量暑詈皇詈詈詈皇曼毫! 曼皇量曼量鼍詈量量詈量詈量詈詈詈! 詈, i i i 鼍皇! 曼皇量曼置皇皇詈皇鼍詈! 皇詈鲁! 曼曼皇! a b s t r a c t s i g n a l - p h a s ea ct r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e mi sa p p l i e di ne l e c t r i f i e dr a i l w a y t r a c t i o n s u b s t a t i o nw h i c ho b t a i n sp o w e rf r o mp o w e rs y s t e ms u p p l i e sp o w e rf o ro v e r h e a dc o n t a c t s y s t e mb vf e e d e r s f o rt h ep u r p o s eo fb a l a n c i n gt h et r i p h a s el o a do fp o w e rs y s t e m ，d i f f e r e n t p h a s e sa n ds e c t i o n sp o w e rs u p p l ys y s t e mi sa 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 to n 也ec o m m o nb o u n d a r yo fd i f f e r e n tp h a s e s a r t i c u l a t e dp h a s ei n s u l a t o r si sap a s s i n gn e u t r a l l y m o d e ，w h i c hi s - e s p e c i a l l ys u i t a b l ef o rt h eo p e r m i o no fh i g h s p e e dr a i l w a y b u tt h e o v e r - v o l t a g e sf r e q u e n t l yh a p p e na tp h a s ei n s u l a t o ro fo v e r h e a dc o n t a c ts y s t e mw h e n 也e e l e c t r i cl o c o m o t i v ep a s s e s t h e yc a u s et h eb r e a k d o w no ft h er o o fp r o t e c t i o ng a po ft h e e l e c t r i cl o c o m o t i v ea n dt h eb u mo fn e u t r a ll i n ea n dl o a d - b e a r i n gr o p e a n di n d u c et r i p p i n g o p e r a t i o no ft h es u b s t a t i o n i tc a u s e sh u g el o s s e sf o rr a i l w a yi n t e r e s t s ，a n ds e r i o u s l ya f f e c t s t h es a f eo p e r a t i o n so fe l e c t r i cr a i l w a y t h e r e f o r e ，a n a l y s i sa n dr e s e a r c ho fo v e r - v o l t a g e so f t h ea r t i c u l a t e dp h a s ei n s u l a t o ri sv e r yi m p o r t a n tf o rt h es a f eo p e r a t i o no fh i g h s p e e dr a i l w a y i nt 1 1 i sp a p e r ，t h em o d e so fp a s s i n gn e u t r a l l yp h a s ei n s u l a t o r sa n dt h et h e o r i e so fi n t e m a l o v e r v o l t a g ei np o w e rs u p p l ys y s t e ma r ei n t r o d u c e d t h e nt h et r a n s i t i o n a lc o u r s eo fe l e c t r i c l o c o m o t i v ep a s s i n gt h ea r t i c u l a t e dp h a s ei n s u l a t o ri sa n a l y z e st h e o r e t i c a l l ya n dc o m p u t e s i t c o m e so f f t h em a t h e m a t i c a lf o r m u l ao ft h ev o l t a g eo ft h en e u t r a lc o n d u c t o ro ft h ea r t i c u l a t e d p h a s ei n s u l a t o ri nt h et r a n s i t i o n a lc o u r s eo fe l e c t r i cl o c o m o t i v ep a s s i n g a c c o r d i n gt ot h er e a l p a r a m e t e ro ft h et r a c t i o ns u b s t a t i o n o v e r h e a dc o n t a c ts y s t e ma n dt h en e u t r a lc o n d u c t o r , t h e v o l t a g eo ft h en e u t r a lc o n d u c t o ri nt h ee l e c t r i c1 0 c o m o t i v ep a s s i n gt r a n s i t i o n a lc o u r s ei s c o m p u t e d 。a n dt h ec a l c u l a t i o n si sa n a l y z e d s e c o n d a r i l y , t h em a t l a b s i m u l i n ks o f t w a r ei su s e dt od oe l e c t r o m a g n e t i ct r a n s i e n ts i m u l a t i o n o ft h ev o l t a g eo fn e u t r a lc o n d u c t o ri nt r a n s i e n tp r o c e s so ft h ee l e c t r i cl o c o m o t i v ep a s s i n gt h e a r t i c u l a t e dp h a s ei n s u l a t o r 刀始t r a n s i e n ts i m u l a t i o nw a v e f o r m si sg a i n e da n da n a l y z e d b y t e s t i n ga n dv e r i l y i n gt h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o n t h ee x p e r i m e n tr e s u l t si n d i c a t e t h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dt h es i m u l a t i o n sa r er i g h t m o r e o v e r , ap a t t e r no fr e d u c i n gt h e o v e r - v o l t a g eo ft h en e u t r a lc o n d u c t o ri sg i v e n t h ep r o t e c te f f e c ti ss i m u l a t e db yt h e m a t l a b s i m u l i n k ，w h i c hr e a c h e st h ec o n c l u s i o nt h a tt h ep r o t e c t i v ep a t t e mc a nr e d u c et h e v o l t a g eo fn e u t r a lc o n d u c t o r f i n a l l y , h i g h - s p e e dr a i l w a yi so p e r a t i n gi nt h ep r e s e n tp e r i o d t h eo v e v v o l t a g eo fn e u t r a l c o n d u c t o ri ss t i l le x i s t e n t t h em a t l a b s i m u l i n ki su s e dt od oe l e c t r o m a g n e t i ct r a n s i e n t s i m u l a t i o no ft h ev o l t a g eo fn e u t r a lc o n d u c t o ri nt r a n s i e n tp r o c e s so fh i g h s p e e dr a i l w a y k e yw o r d s ：e l e c t r i f i e dr a i l w a y ；a r t i c u l a t e dp h a s ei n s u l a t o r ；o v e r - v o l t a g e ；t r a n s i e n tp r o c e s s 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密彩使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ) 梨文作2 麓0 、啦忆搿”麓、；撼 日期： id 5 冬1 日期：如i p i 形【飞 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： 对电力机车过关节式电分相时的过渡过程进行了理论分析和计算，得出了电力机 车过关节式电分相过程中关节式电分相中性线的电压数学表达式。 利用m a t l a b s i m u l i n k 仿真软件对电力机车过关节式电分相过程建立了仿真模型并 进行仿真，得到了暂态仿真波形。提出了两种减小电力机车过关节式电分相过电压的 措施，并利用m a t l a b s i m u l i n k 仿真软件对这种保护方式进行了建模和仿真， 利用m a t l a b s i m u l i n k 仿真软件对高速铁路过分相过程进行了建模和仿真。 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成 果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰 写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明。 本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。 学位论文作者签名： 支 l 互 岂 日期： 2 口id 5 弓1 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 牵引供电系统电分相概述 我国电气化铁路采用单相工频交流牵引供电系统。铁路沿线布置的牵引变电所从 电网取得电能，把电压降至适合电力机车使用的2 7 5 k v 后，经馈线向接触网供电。为 了平衡电力系统的a 、b 、c 三相的负荷，牵引变电所对接触网一般要实行q 、b 相轮 流供电，为了防止相间短路，q 、b 两相之间要进行分开，即称之为电分相，如图1 1 所示。为了能使电力机车顺利通过电分相，必须装设过电分相装置【3 】。在电分相两端由 不同的两相供电，电气化铁路接触网在电分相处存在一定距离的供电死区。电分相装 置是电气化铁路牵引供电网实现相与相之间电气隔离的不可缺少的设备1 4 】。 图1 - 1 牵引供电系统 1 2电力机车过电分相过电压及研究现状 随着列车速度的大幅度提高，器件式过分相装置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，消除了器件式过分相装置导致的硬点问题，因此在我国， 无论是既有线改造，还是在建的客运专线，都开始大量采用这种绝缘锚段关节式电分 相装置。 但随着绝缘锚段关节式电分相投入运行以来，在电力机车通过关节式电分相时， 在关节式电分相中性无电区和电力机车受电弓上频繁产生过电压，甚至伴有电弧的产 生。产生的过电压多次导致车顶保护间隙被击穿、车载微机系统死机、关节式电分相 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 中性线和承力索烧损、车顶支持绝缘子和避雷器外绝缘烧毁、甚至牵引变电所跳闸， 其中尤以兰新线上的武威南一嘉峪关区段和陇海线上的洛阳东一荥阳区段中，关节式 电分相过电压尤为典型，给铁路部门造成了较大的损失，严重影响到电气化铁路的安 全运营。 绝缘锚段关节式电分相在我国各大铁路既有线改造和新线建设中的应用才刚刚进 行，对于关节式电分相过电压问题的研究也才刚刚开始。目前电力机车过电分相过电 压的研究主要集中在电力机车过电分相时，主断路器分闸时牵引主变压器截流过电压； 主断路器合闸时电力机车主电路过电压与过电流等方面。而电力机车通过关节式电分 相前，由司机先断开机车各项负荷，再断开机车主断路器，然后惰行通过关节式电分 相。在电力机车正常通过关节式电分相过程中，机车主电路与接触网是断开的，仅有 受电弓和机车高压电压互感器与接触网和关节式电分相相连。所以电力机车过电分相 时在关节式电分相和机车车顶上产生的过电压与电力机车主断路器截流以及主断路器 残压无关，对于这种类型的过电压研究还不是很多，因此，需要采用必要的方法和设 备，对电力机车通过关节式电分相时电分相和车顶发生过电压的原因以及过电压的电 磁暂态进行研究，并提出解决问题的手段【4 】【7 1 。 现阶段，人们采用的研究方法主要有两种：试验研究和模拟研究。试验研究是经 常采用的方法，但是试验研究要受到试验条件的限制( 例如：开关、电路参数的变化不 够灵活，试验危险性很大、试验次数不可能很多等等) ，因而具有很大的局限性。模拟 研究在上述方面具有试验研究所无法比拟的优势，然而电力机车过电分相过电压现象 复杂，影响因素众多，模拟研究要很好的考虑各种因素的影响，尚存在许多困难，但 是如果从实际出发对过电压现象作适当简化，突出所要研究问题的主要方面，对问题 的某些地方作适当近似，这种模拟可称为近似模拟。近似模拟是在前人研究基础之上 进行的，是以对过电压发展过程和实际情况的熟悉为前提的，其结果具有一定的合理 性和正确性i j j 。 对电力机车过电分相过电压的研究一直是国内外研究的热点。在文献 9 、 1 0 中， 北方交通大学的秦晓灵和西南交通大学的马德明分别对这一问题进行了数学建模和仿 真，各自提出了对于这一问题的原因的分析。在文献 5 】、 6 】中，西南交通大学的周福 林博士对这一问题做了深入的研究，并提出了解决的方法。 1 3 本文研究的主要内容 本文以关节式电分相为重点，分析电力机车通过关节式电分相产生过电压的原因， 并建模分析，据此提出降低电力机车过电分相过电压的方案。本文主要做以下几方面 内容： ( 1 ) 研究锚段关节式电分相的结构特点和特性，对实际线路进行测试，并进行现 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 场调研，从而得到关节式电分相产生过电压详细情况； ( 2 ) 对电力机车通过关节式电分相过程进行理论分析。计算得到了电力机车通过 关节式电分相时关节式电分相结构中性线上电压的数学表达式； ( 3 ) 利用现场调研的实际参数，对电力机车通过电分相时关节式电分相结构中性 线的电压进行了计算，并对结果进行了分析； ( 4 ) 利用m a t l a b s i m u l i n k 仿真软件对电力机车过关节式电分相过程进行了电磁暂 态仿真，得出了暂态仿真波形，对波形进行了分析，并与计算结果进行比较； ( 5 ) 提出降低电力机车过电分相过电压的方案，并对方案进行仿真分析； ( 6 ) 利用m a t l a b s i m u l i n k 仿真软件对高速铁路运行过程中发生的过分相过电压情 况进行仿真，得出了暂态仿真波形，对波形进行了分析。 1 4 本章小结 本章首先介绍了电气化铁路电力机车过电分相过电压的背景，然后介绍了电气化 铁路电力机车过分相过电压研究现状，提出了本文采用的研究方法，最后总结了本文 的主要研究内容。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 第2 章电分相结构和过电分相方式 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，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。实现 电分相，当前采用的有两种方法，其一是利用锚段关节进行电分相，另一种是利用专 门的电分相装置进行电分相，后者称为电分相绝缘器【3 1 。 一 2 1 常用电分相装置 2 1 1电分相绝缘器 电分相绝缘器是一种常用的电分相装置，接触网导线在机械上通过电分相绝缘器 连接在一起。常规电分相绝缘器的构造如图2 1 所示，这是一种由四组分段绝缘元件 串联组成的分相设备，串联在接触网导线中，绝缘器件为环氧树脂玻璃布层压板，每 件绝缘元件长度为1 8 m ，宽度为2 5 m m ，高度为6 0 m m ，在底部开有斜沟槽。两端部 绝缘元件之间的不带电区段称为中性区段，电力机车通过中性区段时为断电惰行通过， 电分相绝缘器件两端的接触网为不同相供电，它应保证列车安全通过而不发生短接事 故【3 】。中性区段不宜过长，其长度以电力机车升起双弓时不短接不同相接触线为限。电 分相绝缘器上方的承力索，通过与绝缘器件相对应的3 片悬式绝缘子( 每串4 片) 断 开f 1 5 】。 图2 - 1 四组件式电分相绝缘器 分相绝缘器的设置应注意：避开线路的大坡道，以利于电力机车惰行，同时还要 考虑信号显示调车作业，供电线径路以及维修管理方面等条件。在我国2 0 世纪8 0 9 0 年代的电气化工程改造中普遍采用了这种绝缘材料制作的器件式电分相，这类电分相 结构简单，在速度不太高( 1 4 0 k m h 以下) 的情况下能基本满足弓网关系要求，大大减 少了施工和维修难度，由于其中性区很短，特别适合在重载，大坡度区段使用【l o l 。 实际运营和检修中发现了分相绝缘器存在如下缺陷： ( 1 ) 因为分相绝缘器与普通接触线的线密度差异大，使得分相绝缘器与普通接触 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 线的弹性系数、分弓网抬升量和接触压力的差异都很大，导致接头处接触线磨损严重， 多次引发断线事故。 ( 2 ) 分相绝缘器与接触线相连的接头线夹处存在硬点，也就是绝缘件在导线上形 成的接头点，容易发生“打弓”现象，加速了受电弓的磨耗，对弓网关系的稳定性影 响很大。 ( 3 ) 受电弓离开接触线而与分相绝缘器接触瞬间，在导线和受电弓之间常会产生 电弧，烧伤接触线和绝缘器( 维修中发现了很多底部烧灼凹槽) ，这种电痕可能致使绝 缘器件丧失绝缘效能，成为“导体”。 ( 4 ) 绝缘棒底部与受电弓通过摩擦吸附铜粉( 受电弓与接触线磨耗) ，降低绝缘效能， 有造成异相短路的隐剧1 2 】。 基于以上原因，器件式电分相已基本在高速电气化线路上停止使用。 2 1 2 锚段关节式电分相 接触网进行机械分段的线段称为锚段，相邻两个锚段的衔接区段( 重叠部分) 称为锚 段关节，锚段关节的设置，使接触网不间断的贯通于全线。采用两个锚段关节间的两 个空气间隙进行分相隔离的电分相装置，称之为锚段关节式电分相，简称关节式电分 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。 相对于器件式电分相，锚段关节式电分相具有如下优点： ( 1 ) 没有硬点，电力机车受电弓能平滑的实现接触线和中性线的过渡，无需降弓 运行。 ( 2 ) 无电区较长，能有效避免高速电力机车的受电弓过分相时，拉弧所引发的异 相短路。 ( 3 ) 容易改造成为自动过分相，适合高速铁路的技术需要。 基于以上优势，锚段关节式电分相在世界范围内的高速铁路建设中得到了广泛应 用，也成为我国高速铁路新线建设和电气化改造的主要电分相方式，目前我国电气化 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，所谓九跨 式锚段关节，就是锚段关节内含有九个跨距，其余类推【9 】。而其中最为常用的，也是本 文主要研究的锚段关节式电分相是七跨式锚段关节式电分相，如图2 2 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 列车运行方向 b 中性无电区叫 图2 - 2 七跨式锚段关节式电分相 从图中可以看出，七跨绝缘锚段关节式电分相由两个四跨锚段关节重叠，包含八 个支柱，即两根锚柱，两根转换柱，两根中心柱，两根锚柱加转换柱，构成七个跨距。 其中一个七跨长的中性嵌入线( 简称为中性线) 保证在中间5 个跨距内是绝缘的。支 柱b 和支柱c 之间，接触线和中性线平行悬挂，间隔为5 0 0 m m ，此处由于受电弓同时 跨接两线，一段时间后将过渡到只与中性线接触的状态，所以称为过渡区。同样，支 柱f 和支柱g 之间也称为过渡区。支柱c 和支柱f 之间，由于没有任何电气连接，处于 非带电状态，称为无电区，机车在此区域，完全依靠惯性滑行。隔离开关的作用是， 当电力机车因为故障停在分相区域的无电区内，可以通过闭合开关，使得中性段带电， 让机车能够得到电能，驶出分相斟4 。 2 2 常用过电分相方式 按照牵引供电网和电力机车运行要求，在电力机车通过电分相时，必须断电运行， 即在过电分相前将电力机车主电路与牵引供电网断开，机车依靠惯性惰行通过电分相， 之后再将电力机车主电路接入牵引供电网。目前我国常用的电力机车过电分相方式之 一是在电力机车上人工进行转换，也就是在电力机车通过电分相时由司机在电力机车 上进行一系列切断和接入主电路的操作。电气化铁路每2 5 3 0 k m 就设置一处电分相， 每个分相区段长度在8 0 , - - 4 0 0 m 之间，随着列车运行速度的提高，过电分相变得越来越 频繁。若列车运行速度按照1 6 0 k m h 计算，每9 l o 分钟就要过一处电分相，极大的加 大了司机的劳动强度。随着列车提速以及高速电气化铁路的发展，自动过电分相越来 越显得重要，目前国内主要使用自动过电分相，自动过电分相方式有：柱上自动过电 分相、车载断电自动过电分相和地面开关式自动过电分相【16 1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 2 2 1 柱上自动过分相 柱上自动过分相装置是在接触网的电分相中性区域安装相应实现自动过分相的装 置和设备，实现在无人干预的情况下，机车通过电分相区域，如图2 3 所示。它的特 点是自动转换过电分相的设备安装在支柱上，在过分相的瞬间对电力机车实行断电， 设备简单、节省空间、维护费用较少。 图2 - 3 柱上自动过分相装置示意图 图中l l 、l 2 为磁控线包，k l 、k 2 为真空灭弧室，m 为电压吸收器，x y 段为中 性段绝缘滑道，2 、3 为两个分段绝缘器。假使机车由左向右行驶，由a 相驶入，进入 b 相。当机车行驶到1 2 的位置，即进入线包受流区时，机车通过磁控线包l 1 受流， 真空灭弧室k 1 合闸，2 - x 区段带电。当机车驶过2 以后，离开了控制线包受流区，进 入k 供电的分段区，真空灭弧室分闸，机车断载。此时机车不带电通过2 3 之间电分 相的x y 主绝缘区。过了3 以后，机车通过b 相的受流线包l 2 得到b 相的电流，经过 4 以后，由b 相供电。机车反方向行驶时，同理，依次由b 相过渡到a 相【2 1 1 。 2 2 2 车载断电自动过分相 车载断电自动过分相系统是基于地面定位技术的车载自动过分相控制系统，如图 2 - 4 所示。机车通过感应地面定位信号来确定机车与分相点的相对位置，地面定位和机 车感应信号分别采用斜对称埋设和备份接收，以保证自动过分相的安全和可靠。 禁止理弓牌 aa禁止双弓牌i 耖扩 l 4 5 m 3 0 mi 接触网分相区i3 0 m 4 5 m l i 电相标志牌布置” i - 6 5 m i 5 m 3 0 m il3 0 m 5 m 1 6 5 m i i参 i 1 列车前进方向 l 1 存 一磁性感应器 地面感应器布置 3 孝 图2 4 车载断电自动过分相装置示意图 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 1 群地面感应器是电力机车过分相的预备信号，当机车通过地面感应器1 群点，接收 到该信号时，控制装置记录机车即时速度v ，根据速度计算出延时时间( 包括司机指令 回零时间、各辅助机组断开时间、劈相机断开时间和主断路器断开时间) 。同时，司机 台的过分相指示灯亮，表示控制装置己接收到分相点前车位定位信号，控制装置开始 进行自动过分相控制。2 地面感应器是过电分相时的立即断电信号，为了防止没有接 收到过电分相的预备信号，它还起到应有的保护作用。当机车收到该信号时，控制装 置经过延时后，执行完毕自动过电分相的全部动作。3 f | 地感器是车载过分相系统通过 分相区后自动恢复信号发生器，当机车感应器接收到其信号时，控制装置自动执行合 主断路器、合各种辅机等一系列动作【2 引。 2 2 3 地面开关式自动过分相 地面开关式自动过分相装置，其结构和原理图如图2 5 所示。此种自动过分相中 性段带电通过，与列车检测轨道电路组合，在变电所及分区所内设置断路器，瞬间自 动切换电源，使列车在分相中性区可以带电牵引运行。电分相的长度可以不受机车类 型及前后受电弓距离的限制。 1 c g2 c g 3 c g 图2 5 地面开关式自动过分相装置示意图 本装置采用地面开关切换的技术方案。在接触网分相处嵌入一个中性段，其两端 分别由绝缘器1 j y 、2 j y 与两相接触网绝缘。1 j y 、2 j y 采用锚段关节结构空气绝缘， 以保证机车受电弓滑过时能连续受流。2 台真空负荷开关1 z k ，2 z k 及其串联、并联 的真空开关3 z k 、4 z k ，分别跨接在1 j y ，2 j y 上，使两相接触网能通过它们轮流向中 性段供电。在线路边设置3 台列车位置传感器1 c g 、2 c g 、3 c g ，由它们将机车位置 信息发送给控制屏，经逻辑运算发出相应命令控制开关动作，实现中性段供电相位的 自动转换。机车可不断电、带负荷通过相分段。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 2 2 4 三种自动过分相方式比较 柱上自动过分相具有如下优缺点： 在过分相的瞬间，对电力机车进行断电，设备简单，无须设立分区所，相应投资 要较少，维护费用较少，机车上的主断路器不需进行分断操作。但是在电力机车通电分 相时，会产生较大的过渡效应，过电压和涌流问题十分突出，容易造成机车主断路器跳 闸。且真空开关带负荷分断，需要经常维护【2 。 车载断电自动过分相具有如下优缺点： 车载断电自动过分相装置采用免维护材料，投资较小，对现有的分相系统改造少， 推广容易。特别是在坡度较小线路上性能优越，避免了司机对电分相的频繁操作，而 且使过电分相区提高了安全度，并减少了机车速度损失。但在大坡道运行时，自动过 分相断电和合闸时间较长，机车速度损失较大，且需要对所有的电力机车改装控制系 统，进行软硬件升级，工作量大【2 2 。 地面开关式自动过分相具有如下优缺点： 由于地面开关式分相装置为瞬间切换断路器，保证机车带电通过中性段，接触网 无供电死区，机车速度损失极小，特别适用于大坡道运行。电压转换完全在中性区完 成，电力机车通过两个空气间隙时不会产生电弧，减少了产生过电压现象的概率。机 车过电分相时无须司机操作，机车上主断路器无须动作。真空负荷开关是该系统的关 键设备，要保证机车通过电分相时瞬间迅速实现断或合的切换，并且要求要有较高的 机械和电气寿命。该系统的缺点为过分相时过电压过电流暂态过程冲击较大，同时真 空负荷开关带负荷断合，必须考虑在线备份及检修设备，投资较大。 综上所述不难发现，柱上断电过分相方式在通过分相时候，容易产生截流过电压 和重燃过电压。车载自动断电过分相方式，对目前的接触网结构改造少，对机车改造 容易，技术简单( 对于大部分机车仅是增加进入分相的提示信号接收装置) ，平均投资 也比较低，适宜于现有的改造。而地面开关自动过分相方式技术含量最高，由于在网 上实现电源的切换，与机车操作无关，没有供电死区，速度损失最小，尤其适合大坡 段地区使用。并且合、分闸的过程，由灭弧能力很强的真空断路器完成，是未来较有 发展前途的技术方案。 2 3 本章小结 本文首先详细介绍了电气化铁路中几种常用的电分相装置，然后对三种自动过分 相方式作了介绍，并从技术和经济角度，综合比较了三种自动过分相方案。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 第3 章机车过分相过电压现象分析 机车通过电分相时，由于受电弓的滑动连接，使得牵引供电系统的电路结构发生 变化，在此过程中产生的过电压属于内部过电压的范畴。 3 1内部过电压的分类及成因 由于电网中能量的转化或传递所产生的电网电压升高，叫做电网的内部过电压。 这里所说的能量转化是指磁能转化为电能，所说的能量传递则主要是通过各部分相互 之间的电磁耦合。电网内的操作( 拉闸或合闸) 和故障( 断线或接地) 都是激发能量 转化的原因。因操作或故障引起暂态电压升高，称操作过电压；操作过电压是由于电 力系统内发生开关操作、故障、断线等原因，导致该处参数改变，引起电网从某一稳 态过渡到另一稳态的电磁暂态过程中出现的过电压。操作过电压与暂时过电压相比， 持续时间较短，一般在o 1 s 之内。常见的操作过电压有：电弧接地过电压、空载变压 器分闸过电压、空载线路分闸过电压、空载线路合闸过电压和切除空载变压器过电压。 因系统的电感电容参数配合不当，出现各种持续时间很长的谐振现象及其电压升高， 称谐振过电压。常见的有线性谐振过电压、铁磁谐振过电压、参数谐振过电压等【29 1 。 内部过电压的能量来源于系统本身，其幅值与系统的额定电压大致成正比。内部 过电压的幅值与系统最高运行相电压的幅值之比，叫做内部过电压倍数k ，并以k 来 表示内部过电压的大小。它具有统计性质。通常在中性点直接接地的系统中，如果不 采取限压措施，操作过电压的最大幅值可达最高运行相电压幅值的3 倍以上；在中性 点非直接价额滴的系统中，最大操作过电压可达最高运行相电压的4 倍以上；谐振过 电压的幅值则在2 倍以上【3 0 j 。 此外，电力系统中在正常或故障时还可能出现幅值超过最大工作相电压、频率为 工频或接近工频的电压升高。这种电压升高统称为工频电压升高，或称工频过电压。 发电机突然甩负荷，空载长线的电感电容效应和电网单相接地时使工频电压升高的主 要原因。工频过电压显然会影响到各种内部过电压的数值，因为后者的倍数是以工频 电压为基准的。工频过电压一般不应超过最高运行相电压的1 3 倍( 线路断路器的变电 站侧) 或1 4 倍( 线路断路器的线路侧) p 。 应该指出，操作过电压存在的时间远比谐振过电压和工频过电压存在的时间短， 是暂态性质的；而对谐振过电压和工频过电压来说，如不采取措施是可以长期存在的， 是稳态性质的。在实际运行中为确保电网的安全运行要采取措施避免谐振过电压和工 频过电压的长期存在，即只允许其暂时存在，因此人们又把这两种过电压列入暂时过 电压的类别。据此可把内部过电压分为暂态性质的操作过电压和稳态性质的暂时过电 压两大类。下面分别进行介绍。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 3 1 1 工频过电压 电力系统中出现的幅值超过最大工作电压，频率为工频或接近工频的过电压称为 工频过电压，也称为工频电压升高【2 引。工频过电压就其过电压倍数的大小来说，对系 统中正常绝缘的电气设备一般是不构成危险的，但是考虑到下列情况，须对工频电压 予以重视。 ( 1 ) 工频过电压的大小将直接影响操作过电压的实际幅值，伴随工频电压的升高， 若同时出现操作过电压，那么操作过电压的高频分量将叠加在升高的工频电压之上， 从而使得操作过电压的幅值达到更高的数值。 ( 2 ) 工频过电压的大小影响保护电器的工作条件和保护效果。 ( 3 ) 工频过电压持续时间很长，这对设备绝缘及其运行性能有重大影响。 根据工频电压升高原因的不同，三种主要的工频过电压是：空载长线路电容效应引 起的工频过电压；不对称短路时，健全相上的工频过电压；甩负荷引起的工频电压升高。 由于牵引供电系统不存在工频过电压，故对这一概念不作详细撰述。 3 1 2 合闸过电压( 操作过电压) 电力系统中具有许多电感、电容元件，组成复杂的振荡回路，当进行操作或发生 故障时，电力系统从一种稳定工作状态通过振荡转变到另一种稳定工作状态，在此过 渡过程中将会产生暂态性质的过电压，称为操作过电压。一般操作过电压存在的时间 为几毫秒到几十毫秒。 操作过电压的幅值与系统的额定电压大致成正比。所以常用过电压倍数k ( 过电 压峰值与系统最高运行相电压幅值之比) 来表示它的大小。k 值与系统结构、系统容 量和参数、故障类型及其具体的操作过程等有关。由于影响过电压的各种因素具有明 显的统计特性，过电压的幅值亦为随机数值，因此操作过电压的定量计算具有一定的 难度。目前，对操作过电压的定量分析，大都依靠系统中的实测记录、模拟试验和电 子计算机电算来进行。下面对合闸过电压进行详细表述。 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) 。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 充电过程中出现了衰减的过电压，衰减时间从零点几秒到几秒不等。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快速暂态过电压 ( v e t o ) ，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l l 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 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 1 所示，图中l s 为电源 等值电感，c s 为母线对地杂散电容，k 为主断路器，l m 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。 a c l sk r l m 图3 1 主变合闸过电压模型 假设变压器合闸时电压初相角a = 0 。，则可得合闸瞬间电压的零状态响应为： = “，而n 2 ( s i n 删一i 1 s i nw ) ( 3 1 ) 式中n = 0 3 ，0 0 0 = 1 厶( o + c ) ( l m 口l s ) ，c o o 为固有振荡频率，为工作频率1 2 9 1 。 式( 3 1 ) 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 。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【2 圳。 并且对于老式的带劈相机的电力机车，由于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 的异步电机白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而不能恢复，造成牵引网对地短 路，引起变电所跳闸事故。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u 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 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 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s 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侧形成残压，从 一而避免了过电压和过电流 3 1 3 谐振过电压 电力系统中存在着许多电感和电容元件，如电力变压器、互感器、发电机、消弧 线圈、电感器、线路导线电感等均可作为电感元件，而线路导线对地和相间电容、补 偿用的并联和串联电容器组、高压设备的杂散电容均可作为电容元件。当系统进行操 作或发生故障时，这些电感、电容元件可形成各种振荡回路，在一定的能源作用下， 会产生串联谐振现象，导致系统中某些部分( 或元件) 出现严重的谐振过电压【2 9 1 。 所谓谐振，是指振荡系统的莫一自由振荡频率等于外加强迫频率的一种趋势( 或 准稳态) 现象，在这种周期性或准周期性的运行状态中，发生谐振的哪个谐波的振幅 会急剧上升。 谐振过电压的持续时间要比操作过电压长得多，甚至可稳定存在，直到破坏谐振 条件为止。在某些情况下，谐振现象并不能自保持，在发生一段短促的时间后，自动 消失。 谐振是一种稳态性质的现象，当系统产生谐振过电压时，能危及电气电气设备的 绝缘，也能因持续的过电流而烧毁小容量的电感元件设备( 如电压互感器) ，还影响保 护装置的工作条件，如影响避雷器的灭弧条件。 运行经验表明，谐振过电压可在各种电压等级的网络中产生，尤其是3 5 k v 及以下 的电网中，因谐振造成的事故较多，己成为一个普遍注意的问题，在电网设计时及进 行操作前，由必要作一些估计和安排，尽量防止谐振的发生或缩短谐振存在的时间。 电力系统中的有功负荷是阻尼振荡和限制谐振过电压的有利因素，通常只有在空 载或轻载的情况下才发生谐振。但对零序回路参数配合不当而形成的谐振，系统的正 序有功负荷是不起作用的。 电力系统中的电容和电阻元件，一般可认为是线性参数。可是电感元件则不然， 由于振荡回路中包含不同特性的电感元件，谐振将有三种不同的类型： ( 1 ) 线性谐振 谐振回路由不带铁芯的电感元件( 如输电线路的电感、变压器的漏感) 或励磁特 性接近线性的带铁芯的电感元件( 如消弧线圈，其铁芯中有气隙) 和系统中的电容元 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 件所组成。在正弦电源作用下，当系统自振频率与电源频率相等或接近时，可能产生 线性谐振。 ( 2 ) 铁磁谐振( 非线性谐振) 谐振回路由带铁芯的电感元件( 如空载变压器、电压互感器) 和系统的电容元件 组成。因铁芯电感元件的饱和现象，使回路的电感参数是非线性的，这种含有非线性 电感元件的回路，在满足一定谐振条件时，会产生铁磁谐振，并具有许多特有的性质。 ( 3 ) 参数谐振 由电感参数作周期性变化的电感元件( 如凸极发电机的同步电抗的周期变化) 和 系统电容元件( 如空载线路) 组成回路，当参数配合时，通过电感的周期性变化，不 断向谐振系统输送能量，将会造成参数谐振过电压。 下面将对铁磁谐振进行详细表述。 当电感元件带有铁芯时，一般都会出现饱和现象，这时电感不再是常数，而是随 着电流或磁通的变化而改变，在满足一定条件时，就会产生铁磁谐振现象。这种谐振 的频率也同样不固定，同样的回路中，既可能是产生等于电源频率的基波谐振，也可 能产生高次谐波( 例如2 次、3 次、5 次等) 和分次谐波( 例如1 2 、1 3 、1 5 次等) 谐振，具有各种谐波谐振的可能性是铁磁谐振的一个重要特点【3 0 1 。与机车过电分相相 关的谐振过电压类型显然是铁磁谐振，铁磁谐振的几个主要特点是： 1 ( 1 ) 发生铁磁谐振的必要条件是谐振回路中( c o l o ) 七，l o 为正常运行条件下，即 纨 非饱和状态下回路中铁芯电感的电感值。这样，对于一定的电感值，在很大的c 值范 1 围内( c ) 都可能产生铁磁谐振【3 们。 l o ( 2 ) 对于满足必要条件的铁磁谐振回路，在相同的电源电势作用下，回路可能有 不止一种稳定工作状态( 如就基波而言，就有非谐振状态和谐振状态两种稳工作状态) 。 回路究竟是处于谐振工作状态还是处于非谐振工作状态，要看外界激发引起过渡过程 的情况。在这种激发过程中，伴随电路由