（高电压与绝缘技术专业论文）电力机车过关节式电分相过电压分析与防护.pdf

摘要 电气化铁路牵引供电接触网是一种特殊的单相供电网，它每隔3 0 k i n 左右就要 设置一个电分相，电分相两端电压相位不同。关节式电分相是一种适应机车高速 运行的电分相，但是电力机车在通过关节式电分相时，多次发生过电压，造成车 项保护间隙放电，引起牵引变电所跳闸，严重地影响到电气化铁路的安全运营， 因此迫切需要对电力机车通过关节式电分相暂态过程的过电压进行研究。 本文首先介绍了电力机车通过关节式电分相过电压的研究现状。然后对电力 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。根据牵引变电、牵引 供电接触网和关节式电分相中性线的实际参数对电力机车过关节式电分相过程中 中性线上的电压进行了工程计算，并对计算结果进行了分析。 其次本文对p s c a d 酬t d c 的功能进行了简单介绍，利用p s c a d e m t d c 对电力 机车过关节式电分相过程建立了仿真模型并进行了仿真，得到了暂态仿真波形， 再对波形进行了分析，验证了理论分析和计算的正确性。然后将工程计算和模型 仿真的结果与试验测试得到的数据对比，验证了两者的正确性。 最后，本文提出了两项减小电力机车过关节式电分相过电压的措施，分别是 r c 保护装置和m o a 防护，然后利用p s c a d e m t d c 对这两种防护方式进行了建模和 仿真，仿真结果表明这两种保护方法都能够有效的降低电力机车过关节式电分相 过电压。 关键词；电气化铁路，电力机车，关节式电分相，过电压，电磁暂态过程 分类号： v a b s t r a c t a b s t r a c t t h eo v e r h e a dc o n t a c ts y s t e mo f e l e c t r i cr a i l w a yi sas p e c i a ls i n g l ep h a s ep o w e r n e t w o r k i tm u s ts e t t i n gp h a s ei n s u l a t o re a c h3 0 k i n , w h i c hi n s u l a t et w od i f f e r e n tp h a s e a r t i c u l a t e dp h a s ei n s u l a t o ri san e w t y p ep h a s ei n s u l a t o r , i ti se s p e c i a l l ys u i t a b l ef o rt h e e l e c t r i cl o c o m o t i v er u n n i n gi nh i g h a p e e d b u tt h eo 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 t p 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 nt h ee l e c t r i cl o c o m o t i v er u n s t h e y c a u s et h er o o fp r o t e c t i o ng a pd i s c h a r g eo ft h ee l e c t r i cl o c o m o t i v ea 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 ts e r i o u s l ya f f e c t st h ee l e c t r i cr a i l w a y ss a f eo p r a t i o n s ； t h e r ei sa nu r g e n tn e e df o re l e c t r i cl 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 r t r a n s i e n tp r o c e s so v e r v o l t a g er e s e a r c h i nt h ep a p e r , i tf i r s ti n t r o d u c e st h ep r e s e n tr e s e a r c hc o n d i t i o n so ft h eo v e r v o l t a g e a ta r t i c u l a t e dp h a s ei n s u l a t o rw h e nt h ee l e c t r i cl o c o m o t i v ep a s s i n g t h e ni ta n a l y z e s t h e o r e t i c a l l ya n dc o m p u t e st 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 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 i tc 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 f t h ev o l t a g eo f t h e t h ea r t i c u l a t e dp h a s ei n s u l a t o r sn e u t r a lc o n d u c 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 c l 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 ep a p e ra l s od o e se n g i n e e r i n g c o m p u t eo 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 ri nt h ee l e c t r i cl o c o m o t i v ep a s s i n g a m l s i t i o n a lc o u r s ea n da n a l y z e st h ec o p u t er e s u l t s e c o n d a r i l y , t h ep a p e rs i m p l yi n t r o d u c e st h ef u n c t i o no ft h ep s c a d 厄盯d c s o f t w a r e i tu s e st h ep s c a d ，e m l l ) ct 0d oe l e c t r o m a g n e t i ct r a n s i s e n ts i m u l a t i o no f t h ev o l t a g eo f n e u t r a lc o n d u c t o ri nt h et r a n s i s e n t i o n a lc o u r s eo f t h ee l e c t r i cl o c o m o t i v e p 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 r ，g a i n st h et r a n s i s e n ts i m u l a t i o nw a v e f o r m sa n d a n a l y z e st h e m t h e nt e s t sa n dv e r i f i e st h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dc o m p u t e 。弛e e x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t et 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 tf o r t h et r a n s i t i o n a lc o u r s eo f e l e c t r i cl 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 r f i n a l l y , t h ep a p e rp r e s e n t ss e v e r a lm e a s u r e so fr e d u c i n gt h eo v e rv o l t a g eo ft h e n e u t r a lc o n d u c t o ri nt h et r a n s i s e n t a lc o n r s eo 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 , i n c l u d i n gt h er cp r o t e c t i v ei n s t a l l a t i o na n dm o a p r o t e c t i v ep a t t e r n , t h e nu s e st h ep s c a d 忸m t d ct ob u i l dm o d e la n ds i m u l a t et h e p r o t e c te f f e c to ft h er cp r o t e c t i v ei n s t a l l a t i o na n dm o ap r o t e c t i v ep a t t e r n f i n a l l y r e a c h e st h ec o n c l u s i o nt h a tt h et w op r o t e c t i v e p a r e n t sb o t hc a nd e c r e a s et h e v 北京交通大学硕十论文 o v e r v o l t a g eo f t h en e u t r a lc o n d u c t o r k e y w o r d s ：e l e c t r i cr a i l w a y , e l e c t r i cl o c o m o t i v e ，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 e l e c t r o m a g n e t i ct r a n s i e n tc o u r s e c l a s sn o ： v i l l 致谢 本论文的工作是在我的导师刘明光教授的悉心指导下完成的，从论文的选题、 系统方案的设计、实验现象的分析及论文的审阅等方面都凝聚着导师的心血，导 师严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三 年来刘明光老师对我的关心和指导。 在实验室工作及撰写论文期间，徐志强、李娜、李敏、吕洋、焦剑扬、陈新 军等同学对我的研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外在读研期间得到了家人的充分理解和支持，使我能够在学校专心完成我 的学业，在此表示深情谢意。 i l l 绪论 1 1 电气化铁路电分相概述 1 绪论 电气化铁路接触网是向电力机车供电的特殊供电线路，沿铁路线布置的牵引 变电所从地方电网取得电能，把电压降至适合电力机车使用的电压等级后，经牵 弓 侧母线上的馈线向接触网供电。为了使接触网末端不低于电力机车的最低工作 电压，牵引变电所馈出母线上的额定电压为2 7 5 k v ，牵引变电所设置的距离为 4 0 6 0 k m l l l 。 在交流牵引供电系统中，电力机车是由单相电供电的，为了平衡电力系统的 a 、b 、c 各项负荷，牵引变电所对接触网一般要实行a 、b 相轮流供电，为了防 止相间短路，a 、b 相之间要进行分开，这称为电分相。根据上述要求，在变电 所出口处及两牵引变电所之间( 供电臂末端) ，必须设置电分相装置【2 】。在目前的 国内的交流电气化铁路上，一般每隔2 0 3 0 k m 设置一个分相绝缘，即电分相装 置，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【3 】。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 2 电力机车过电分相过电压及研究现状 电力机车在运行过程中，频繁的通过牵引供电接触网各个供电段之间的电分 相装置，这个过程中不断的出现接触网一电力机车一电分相系统的电气参数改变， 电力机车、牵引供电接触网和电分相系统不断的从一个状态变化到另一个状态， 在这个过程中必然产生电压电流等电磁参量的变化，经常出现过电压现象。 兰新线上武威南一嘉峪关区段牵引供电系统大部分的电分相采用的是关节式 电分相，在这些关节式电分相上没有安装自动过分相装置，而是由机车司机在车 上人工手动操作过电分相。投入运行以来，在电力机车通过关节式电分相时，在 关节式电分相中性线和电力机车受电弓上频繁产生过电压。由于电力机车过分相 过电压导致多次车顶保护间隙放电、车载微机系统死机、牵引变电所跳闸、烧毁 车顶支持绝缘子和避雷器外绝缘、关节式电分相中性线和承力索烧损、导致运行 的电力机车在路上或分相的中性段上突然停车。给铁路部门造成了巨大的损失， 严重影响到电气化铁路的安全运营。 北京交通丈学硕士论文 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p j 【4 j 。 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项上产 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，目前尚未有专门的研究，因此，需要采用必要的方法和工具，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。 目前，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，其结果具有定的合理性和正确性【2 】。近年来p s c a d e m t d c 电力系 统仿真软件的不断完善和计算经验的不断增加为模拟计算提供了条件，通过 p s c a d e m t d c 可对电力机车过关节式电分相过电压及其影响因素进行计算研 究，本文采用p s c a d e m n ) c 进行模拟仿真研究。 1 3 本文研究内容 本文通过对电力机车过关节式电分相过渡过程的分析计算，得出了机车通过 关节式电分相过程中关节式电分相结构中性线上电压的数学表达式，并计算出电 压的最大值以及相应的波形。同时利用p s c a d e m t d c 针对关节式电分相结构、 电力机车以及牵引供电网的实际数据，建立了电力机车通过关节式电分相过程中 电磁暂态的仿真模型，并进行了电磁暂态仿真，得出了电力机车过关节式电分相 结构过程中的过电压幅值与波形，并与现场试验数据进行了对比。 本文主要做了以下工作： ( i ) 对电力机车通过关节式电分相过程进行理论分析； 2 ( 2 ) 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 ) 根据关节式电分相结构和电力机车的实际参数，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p s c a d e m t d c 电力系统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，并对波形进行了分析； ( 5 ) 将计算结果和仿真结果与现场实际测量数据进行比较； ( 6 ) 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。 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和工具， 最后总结了本文的主要研究内容。 电气化铁路电分相与过分相方式 2 电气化铁路电分相与过分相方式 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，这是一种由三组分段 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 r a m ，高度为6 0 r a 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。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。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【5 1 。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1 6 1 ，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。 图2 - 1 电分相绝缘器结构图 f i g u r e2 - 1s r t u c t u r a ld i a g r a mo f p h a s eb r e a ki n s u l a t o r r 1 北京交通大学硕士论文 2 1 2 锚段关节式电分相 接触网悬挂中的承力索和接触线在延续到一定长度后，为了满足机械手里方 面的要求以及方面施工，必须分为一个个相互独立的线段，这些相互独立的线段 即为接触网的机械分段，机械分段的作用是缩小事故范围，即当某一个线段发生 故障时，不影响另一个线段的接触悬挂，也便于在线段的两端设置张力自动补偿 装置。必要时还可以将其设置成电气上能够相互分开的线段，同时起电分段的作 用。 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，使接触网不问断的贯通于全线。锚段关节分为 三种： 园仅起机械分段作用的称为非绝缘锚段关节，该处相邻的两个锚段在电气上 是连通的； 不仅起机械分段作用，同时又起同相电分段作用的锚段关节，称为绝缘锚 段关节； 固带有中性嵌入段，既起机械分段作用，又具有电分相功能的，称为电分相 锚段关节，也称为关节式电分相。 在锚段关结处，两锚段关结的接触悬挂是并排平行架设的。对它的基本要求 是肖机车通过时，应保证受电弓能平滑地由一个锚段过渡到另一个锚段。根据锚 段关节所含跨距数可分为二跨、三跨、四跨、五跨、七跨以及九跨式锚段关结。 所谓三跨式锚段关节，就是锚段关节内含有三个跨距，其余类推。 对于高速电气化铁路，其电分相已不能用常规带有绝缘滑条式的电分相装置， 这是因为常规电分相绝缘器动态特性差，在实际应用中会在电分相处形成一连串 的硬点，不仅会造成接触线磨耗加剧，而且特别严重时会形成火花升值拉弧，烧 损接触线，同时对高速运行的受电弓也会造成危害或者烧伤，因此对于1 6 0 k m h 以上的准高速电气化铁路，电分相都应采用锚段关节的过渡形式，最常用的是七 跨电分相锚段关节。 七跨电分相锚段关节的结构如图2 - 2 所示。 6 电气化铁路电分相与过分相方式 图2 - 2 七跨锚段关节式电分相结构图 f i g u r e2 - 2s t r u c t u r a ld i a g r a mo f 7s p a no v e r l a p p i n ge l e c l r i c a ls e c t i o n i n gd e v i c e 从图中可以看出，七跨锚段关节中加入一个七跨长的中性嵌入线( 简称为中 性线) ，中性线保证在中间5 个跨距内是绝缘的，该中性线从左侧的刁3 处变为工 作支，到右侧z j 3 处开始抬升，变为非工作支，有三个跨距长度处于工作状态， 可保证约有1 0 0 1 5 0 m 长度的中性区。 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，郾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 车过电分相方式是在电力机车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 r a 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，过电分相交得越来越频繁。若列车运行速度按照1 6 0 k m h 计算，每 9 - 1 0 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，目前国内在少部分地区 使用自动过电分相，自动过电分相方式有：柱上式自动切换、车载断电自动切换 和地面开关式自动切换。 2 2 1 车上人工转换 目前我国绝大部分线路采用的是车上人工转换法。当电力机车驶近电分相时， 机车司机将级位手柄到“0 位”( 这实际上是关断了牵引负荷) ；再逐个断开各辅 7 北京交通大学硕十论文 助开关、制动风机、通风机、压缩机、劈相机开关；在距离电分相的无电区大约 1 2 0m 的“断”字标牌前断开主断路器，电力机车依靠惰力运行通过电分相；在 离开无电区大约1 2 0m 的“合”字标牌前合上主断路器，并逐个闭合各种辅助开 关、劈相机、压缩机、通风机、制动风机；再根据需要操作手柄进级，恢复电力 机车的牵引能力，完成电力机车通过电分相的全部操作。 2 2 2 柱上式自动切换 柱上式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【7 l 。它的特点 是自动转换过电分相的设备安装在支柱上，在过分相的瞬问对电力机车实行断电， 设备简单、节省空间、维护费用较少。其基本原理如图2 - 3 所示。 m 耵l l ， k 1 i ，即r 2 考时，p l 和见是两个不相等的负实数，可解得 电容上的电压为 = 羔( p 2 e t m - - p l e p 2 t ) (39)p2 一a 电流为 汪哮= 一与7 , ( 儿纱) b 留( 阢一i 、 ， 该情况称为非振荡放电或非周期放电过程。 ( b ) 当a = ，即胄= 2 吾时，电路只有一个固定频率，特征方程具有 重根 r a 2 仍一西一口 微分方程式( 3 3 ) 的通解为 = ( 4 - i - 4 f ) 矿“ 根据仞始条件可得： 4 = “ a 2 = a v o 所以： 中性线上的电压为 = v o ( 1 + a t t ) e - “ ( 3 1 1 ) 电流为 b c 警= 誓旷“ b 疵三 从式( 3 1 1 ) 、( 3 1 2 ) 可以看出，i 、不作振荡变化，即具有非振荡的性质。 然而这种过程是振荡与非振荡过程的分界线，所以r = 2 吾时的过渡过程称为 临界非振荡过程。 1 s 电力机车通过关节式电分相过程分析与计算 则 c 。，当口 ，即r 2 丢时，特征根肌和仇是一对共轭复数。着令： 砑= 去一 于是有： c ： = 嗣= i a ：厢 p l = 一口+ j ( o d ，p 2 = 一口一，4 令= 司+ 口2 ，：a r c 锄丝，则有 中性线上的电压为 ：u o ( o oe - a s i n ( ( o a t + ) ( 3 - 1 3 ) 电流为 i：。垫：一粤e-at$in啄(3-14)dt d l 从式( 3 1 3 ) 、( 3 1 4 ) 可以看出，u c 和i 的波形将呈现衰减振荡的状态，这 是一种振荡放电情形。在整个过程中，它们将周期性地改变方向，储能元件也将 周期性地交换能量。根据式( 3 1 5 ) 、( 3 1 6 ) 还可以得出： ( 1 ) 当f = k z ，k = o ，1 ，2 ，3 - - 为电流i 的过零点，即的极值点； ( 2 ) 当( o a t = k z + f l ，k - - - o ，1 ，2 ，3 为电感电压札的过零点，也即电 流i 的极值点； ( 3 ) 当( o d t = 切一，k - - - o ，1 ，2 ，3 为电容电压u c 的过零点。 根据上述零点划分的时域可以看出元件之间能量转换、吸收的概况，见表 3 1 0 1 1 。 1 9 北京交通大学硕士论文 袭3 - l 元件之间能量转换和吸收的概况 0 f p c o a t 冗- f l冗一p 2 毒时，无振荡衰减波；当= r = 2 去时， 为临界状态，r 0 为临界电阻值。r c 保护装置的原理就是用它来改变电路的工作 状态，让振荡电路变成无振荡电路，以此来抑制电路的操作过电压。为了消除电 路的振荡，保护装置的电容必须足够大，以使得振荡频率至少接近于工频，但又 不能太大，否则会造成浪费。保护装置的电阻也必须足够大到接近r o 值，也不能 太大，因为那样不只是浪费，还会影响r c 保护装置的作用f 2 7 1 。 7 1 2r c 保护装置防护效果 将r c 保护装置接入关节式电分相结构中性线后，对过电压的抑制效果可以 使用p s c a d e m t d c 建立模型进行仿真分析。按照7 1 1 中介绍的参数选取原则， 可以取c o = 4 3 3 , u f 。r o = 1 8 4 q 。 在电力机车进入关节式电分相过程中，受电弓与中性线接触时的模型如图7 2 所示。 图7 - 2 带r c 保护装置的受电弓与中性线接触仿真模型 f i g u r e7 - 2s i m u l a t i o nm o d e lo f p a n t o g r a p hc o n t a c tn e u t r a lc o n d u c t o rw i t hr ce q u i p m e n t 仿真模型中各元件参数按照4 1 中计算所得，将接入的r c 串联电路参数设 定为选定的r c 保护装置参数，通过仿真可以得到关节式电分相结构中性线上最 大电压值出现在毋= 8 0 。时，此时电压仿真波形如图7 - 3 所示。电压的最大值为 4 3 1 3 k v ，为接触网供电电压最大值的1 1 l 倍，与未加装r c 保护装置时相比， 电压最大值下降了3 8 7 8 。同时关节式电分相中性线上感应电压也降低倒接近零 电力机车过分相过电压防护研究 图7 - 3 = 8 0 。时中性线上电压波形 f i g u r e7 - 3s i m u l a t i o nw a v e f o r mt h ev o l t a g eo nt h en e u t r a lc o n d u c t o rw h e n 西= 8 0 在电力机车进入关节式电分相过程中，受电弓与接触网分离时仿真模型如图 6 - 4 所示。 图7 4 带r c 保护装置的受电弓与接触网分离时仿真模型 f i g u r e7 - 4s i m u l a t i o nm o d e lo f p a n t o g r a p hl e a v eo v w e h e a dc o n t a c ts y s t e mw i t hr c e q u i p m e n t 仿真模型中各元件参数按照4 1 中计算所得，接入r c 保护装置后，通过仿 真可以得到关节式电分相结构中性线上最大电压值出现在= 8 0 。时，此时电压仿 真波形如图7 5 所示。电压的最大值为4 7 3 9 k v ，为接触网供电电压最大值的1 2 2 倍，与未加装r c 保护装置时相比，电压最大值下降了5 4 8 9 。 北京交通大学硕+ 论文 图7 - 5 = 8 0 。时中性线上电压波形 f i g u r e7 - 5s i m u l a t i o nw a v e f o r mo f t l i ev o l t a g eo nt h en e u t r a l , c o n d u c t o rw h e n 谚= 8 0 。 在电力机车离开关节式电分相结构过程中，当受电弓与接触网接触时仿真模 型如图7 6 所示。 图7 _ 6 带r c 保护装置的受电弓与接触网接触时仿真模型 f i g u r e7 - 6s i m u l a t i o nm o d e lo f p a n t o g r a p hc o n t a c to v w e h e a dc o n t a c ts y s t e mw i t hr c e q u i p m e n t 对该模型进行仿真可知，在接入了r c 保护装置以后，当电力机车离开关节 式电分相过程中，受电弓与接触网接触时，中性线上的最大电压出现在= 8 0 。， 此时电压最大值为4 3 1 3 k v ，为接触网电压最大值的1 1 l 倍，与未加装r c 保护 装置时相比，电压最大值下降了3 8 7 6 。此时中性线上电压波形如图7 7 所示。 电力机车过分相过电压防护研究 图7 - 7 = 8 0 。时中性线上电压波形 f i g u r e7 - 7s i m u l a t i o nw a v e f o r mo f t h ev o l t a g eo nt h en e u t r a lc o n d u c t o rw h e n 西= 8 0 。 当电力机车离开关节式电分相过程中，受电弓与中性线分离后在受电弓与中 性线之间出现击穿的模型如图7 8 所示，模型中已经加入了r c 保护装置。 图7 - 8 带r c 保护装置时受电弓与中性线分离时仿真模型 f i g u r e7 - 8s i m u l a t i o nm o d e lo f p a n t o g r a p hl e a v en e u t r a lc o n d u c t o rw i t hr ce q u i p m e n t 通过仿真可知，加入r c 保护装置后，中性线上的最大电压出现在= 8 0 。时， 此时电压最大值为4 7 4 4 k v ，是接触网供电电压最大值的1 2 2 倍，与未加装r c 保护装置时相比，电压最大值下降了5 9 1 8 。此时中性线上的电压波形如图7 - 9 所示。 北京交通大学硕十论文 图7 - 9 = 8 0 4 时中性线上e g f f , 波形 f i g u r e7 - 9s i m u l a t i o nw a v e f o r mo f t h ev o l t a g eo nt h en e u t r a lc o n d u c t o rw h e n 西= 8 0 。 7 1 3 结论 从7 1 2 的仿真可以看出，在关节式电分相结构中性线上安装r c 保护装置以 后，电力机车通过关节式电分相结构过程中的过电压得到了有效的抑制，最大的 电压产生在电力机车离开关节式电分相结构过程中受电弓与中性线在= 8 0 。时， 此时的电压值为4 7 4 4 k v ，是接触网供电电压最大值的1 2 2 倍。此时的过电压已 经降低到系统绝缘强度允许范围之内，不会对电力机车、接触网、关节式电分相 结构以及牵引变电所产生危害。 7 2m o a 防护研究 7 2 1m o a 简介 金属氧化物避雷器( m o a ) 是由氧化锌( z n o ) 基压敏电阻( 非线性电阻) 组成的。 它以氧化锌为主要成分，添加三氧化二铋( b i 2 0 3 ) 、三氧化二钴( c 0 2 0 3 ) 、二氧化锰 ( m n 0 2 ) 、三氧化二锑( s b z 0 3 ) 等金属氧化物经粉碎后高温烧结而成的。m o a 在低 电场强度下其电阻率为l o ”1 0 “q m ，而当电场强度达到1 0 6 1 0 7 v m 时，其电 阻骤然下降进入低电阻状态，氧化锌元件的伏安特性可以用下式表示 u = c 1 。( 7 2 ) 电力机车过分相过电压防护研究 其非线性系数口与电流密度有关，一般为0 0 1 - 4 ) 0 4 ，在大的雷电流( 1 0 k a ) 下，口也不大于o 1 2 s ，是相当理想的避雷器。 m o a 具有以下优点： ( 1 ) 具有极强的抗污性能； ( 2 ) 放电没有延时，提高了对设备保护的可靠性； ( 3 ) 没有工频续流，通过避雷器能量大为减少，可以承受多次放电； ( 4 ) 通流能力强 ( 5 ) 结构简单、尺寸小 ( 6 ) 易于制成直流避雷器 由于金属氧化物避雷器( m o a ) 具有这样一系列的优点，而且造价较低，所以 目前在电力系统以及电气化铁路上被广泛应用与限制雷电过电压以及操作过电 压。 7 2 2m o a 防护方式接线 鉴于避雷器的良好同流特性以及良好的伏安特性，它可以有效的抑制电力机 车通过关节式电分相时产生的过电压。如图3 - 1 所示，电力机车的避雷器安装在 主断路器q f l 之后，在过电分相时主断路器断开，避雷器不能对过分相时产生的 过电压进行防护。所以可以考虑在电力机车上主断路器与受电弓之间安装一台避 雷器，以限制电力机车过分相时过电压的幅度，其接线方式如图6 1 0 所示。 图7 1 0m o a 防护方式接线图 f i g u r e7 - 1 0w i r i n gd i a g r a mo f m o ap r o t e c t e dm o d e 其中b l i 为加装在车顶的避雷器，接在受电弓高压引线与地之间，用于限制 电力机车过分相时过电压的幅度。 北京交通大学硕士论文 7 2 3m o a 防护方式防护效果 图7 1 0 中b l l 采用电气化铁路上常用的y 5 w t - 4 2 1 1 4 型避雷器，其各项参 数如表7 - 1 所示 表7 - 1m o a 的基本参数 t a b l e7 - 1b a s i cp a r a m e t e ro f m o a 型号系统标准避雷器持续运直流参考电工频参考电流通容量 电压( k v )额定电行电压压( k v ) 不压( 阻性电2 m s 方波 有效值压( k v )( 1 ( v )小于( 1 m a )流下) ( k v )1 8 次( a ) 有效值有效值峰值不小于 y 5 w t -2 7 54 23 1 56 56 04 0 0 4 2 1 1 4 避雷器的伏安特性如表7 2 所示。 表7 - 2 b l i 的伏安特性 u ( k v )o 06 58 6 6 81 0 5 0 11 1 2 3 01 1 5 5 91 2 1 o o l ，( a )o 00 0 0 1ll o o5 0 01 0 0 03 0 0 0 p s c a d e m l d c 提供了较为真实的避雷器模型，按照选定的避雷器参数对 p s c a d 忸m 1 d c 中避雷器模型进行设定，可以建立电力机车过分相时带避雷器保 护效果仿真模型，由于避雷器的额定电压为4 2 k v ，而且从避雷器伏安特性可以看 出，避雷器在6 5 k v 时电流仍然较小，直到1 0 5 0 1 k v 时才突然增大，所以避雷器 对7 0 l 【v 左右的过电压没有保护效果，而且7 0 k v 左右的过电压对车顶绝缘危害不 大，因此在此只对电力机车过分相时过电压大于7 0 k v 时避雷器的保护效果进行 仿真，也就是对电力机车入分相过程中受电弓与接触网分离过程以及电力机车出 分相过程中受电弓与中性线分离过程的保护效果进行仿真。 电力机车进入关节式电分相结构过程中当受电弓与接触网分离时过渡过程仿 真模型如图7 1 l 所示。 00 6 3。57 b 电力机车过分相过电压防护研究 图7 - 1 i 带m o a 的受电弓与接触网分离时仿真模型 f i g u r e7 - 4s i m u l a t i o nm o d e lo f p a n t o g r a p hl e a v eo v w e h e a dc o n t a c ts y s t e mw i t hm o a 对带有m o a 的模型进行仿真可以得到，在= 9 0 。时中性线上电压最大，为 7 1 7 8 k v ，是牵引供电最大电压的1 8 5 倍，与未加装m o a 时相比，电压最大值 下降了3 1 6 7 。加装避雷器前后中性线上电压仿真波形如图7 - 1 2 ( a ) 和( b ) 所示。 ( b ) 图7 - 1 2 加装m o a 前后，= 9 0 。时中性线上电压波形 f i g u r e7 - 1 2s i m u l a t i o nw a v e f o r mo f t h ev o l t a g eo nt h en e u t r a lc o n d u c t o r w i t hm o a a n d w i t h o u tm o aw h e n 西= 9 0 。 在电力机车离开关节式过分相过程中，受电弓与中性线分离时中性线上电压 的过渡过程仿真模型如图6 1 3 所示。 7 1 北京交通大学硕士论文 图7 1 3 带m o a 保护装置时受电弓与中性线分离时仿真模型 f i g u r e7 - 1 3s i m u l m i o nm o d e lo f p a n t o g r a p hl e a v en e u t r a lc o n d u c t o rw i t hm o a 对此模型进行仿真可以得到，在谚= 9 0 0 时中性线上电压达到最大，最大值为 7 1 4 5 k v 。是牵引供电最大电压的1 8 4 倍，与未加装m o a 时相比，电压最大值 下降了3 8 5 2 。加装避雷器前后中性线上电压波形如图7 1 4 ( a ) 和( b ) 所示。 ( ” 7 2 电力机车过分相过电压防护研究 图7 - 1 4 加装m o a 前后，= 9 0 。时中性线上电压波形 f i g u r e7 - 1 4s i m u l a t i o nw a v e f o r mo f t h ev o l t a g eo l lt h en e u t r a lc o n d u c t o r w i t hm o a a n d w i t h o u t m o a w h e n 西= 9 圹 7 2 4 结论 从7 2 3 的仿真可以看出，在电力机车车顶受电弓高压导线上安装避雷器后， 电力机车通过关节式电分相结构时，中性线上过电压的幅值得到了抑制，安装 m o a 以后电力机车过分相时中性线上产生的电压的最大值降低倒7 1 7 8 k v ，这个 电压已经降低到电力机车和关节式电分相结构绝缘强度允许范围内，不会对电力 机车和电气化铁路的正常运行造成危害。与r c 保护装置的效果相比，m o a 仅能 限制过电压，而不能降低振荡的频率。 7 3 本章小结 本章主要介绍了r c 保护装置以及m o a 防护两种防护过电压的措施。然后 对这两种防护措施的防护效果利用p s c a d e m t d c 进行了建摸与仿真，仿真结果 证明这两种防护方式都能够有效的降低电力机车过分相时关节式电分相结构中性 线以及机车车顶的电压值，能够有效的保护电力机车、关节式电分相结构以及牵 引变电所。 结论 8 结论 本文首先介绍了电气化铁路电力机车过分相过电压研究的背景，接着对国内 常用的电分相装置以及电力机车过电分相方式进行了介绍。然后对电力机车通过 关节式电分相过程中产生的过渡过程进行了理论分析与计