七跨式锚段关节式电分相过电压的分析与研究

七跨式锚段关节式电分相过电压的分析与研究

近年来，在既有线加快改造后的新线路中，逐步采用了7跨、9跨或11跨关节电相装置。对我国自有线提取改造后的接触网动态检测结果表明，绝缘端条的关节电相比较软，不利于弓网的运行安全。因此，有必要充分利用高速电气化铁路锚段电相装置，满足中国未来高速电气化路运行的要求，有效保障铁路运输安全。1a.缘锚段关节结构接触网的中性段是一个接触悬挂锚段,其两端与其它接触悬挂锚段各形成一个绝缘锚段关节,从而防止升起的受电弓通过时将不同电压制式或不同相位电压的接触悬挂短路连接.绝缘锚段关节是通过两支相邻接触悬挂的互相衔接部分的平行架设,使两支接触悬挂间有足够的空间绝缘间隙,形成彼此间电气上的相互隔离,因此绝缘锚段关节也叫气隙分段绝缘,它将各段接触网进行电分段.在列车高速行驶通过接触网时不允许采用器件式电气分段装置.截至目前,世界大多数国家的高速电气化铁路电分相也均采用锚段关节的电分相装置.七跨式绝缘锚段关节结构如图1所示.2关节电相疲劳分析与模拟2.1正反过错试验接触网动态检测结果表明,电力机车在通过关节式电分相时多次发生过电压现象,造成车顶绝缘保护间隙被击穿,以致变电所跳闸.接触网网压的额定有效值为27.5kV,峰值为38kV,关节式电分相出现过电压则具有以下特征:1)过电压发生频繁.在兰州铁路局兰州供电段武—嘉区段,上行线试验中超过60kV的过电压发生11次,出现1.5倍以上过电压的频率为30.3%;下行线试验中超过60kV的过电压10次,全程出现1.5倍以上过电压的频率为33.3%.2)过电压幅值高,过电压出现的随机性大.上行线试验中测到的最大过电压为70.1kV,是接触网标称电压峰值的2倍;下行线试验测到的最大过电压为86.2kV,是接触网标称电压峰值的2.46倍.3)过电压持续的时间长,过电压波形振荡.2.2接触网导线的形成过程1)在电力机车从接触网进入关节式电分相的过程中,受电弓在连接接触网导线的同时,逐渐与中性线非工作支接近,并最终与其相连,然后受电弓逐步离开接触网导线,仅与关节式电分相的中性线相连.此过程相当于将关节式电分相中性线与接触网接通和断开的过程.2)在电力机车离开中性线进入另外一边接触网的过程中,受电弓在与关节式电分相中性线相连的同时,逐渐与接触网导线接近,并最终与接触网导线相连;然后逐渐离开中性线,最终仅与接触网相连.此过程也相当于将关节式电分相中性线与接触网接通和断开的过程.3)在电力机车进出关节式电分相的过程中,受电弓均与接触网和中性导线之间产生电弧.2.3中性线上电压叠加保护间隙机车过分相时相当于关节式电分相中性线与接触网导通和断开的过程,中性线上原有的电压值与过分相时的电压叠加就有可能产生过电压.当叠加的电压大于车顶绝缘保护间隙能承受的电压时,保护间隙将被击穿;如果此时受电弓与接触网是电气连通的,就有可能导致变电所跳闸.2.4相位横截面分析与模拟2.4.1暂态过程的计算根据以上分析,电力机车过电分相可以按顺序分为以下4个暂态过程:1)受电弓与中性线接触时的暂态过程;2)受电弓与接触网分离时的暂态过程;3)受电弓与牵引网接触时的暂态过程;4)受电弓离开中性线时的暂态过程.2.4.2c.dcucdr2+rcd2+u以兰新线武-嘉段某区间接触网为例,受电弓与中性线接触时暂态过程的等效电路如图2所示.受电弓与关节式电分相中性线接触时,相当于开关K1己经长期处于闭合状态,K2闭合,此时电路过渡过程中的电压可以通过求解微分方程来得到.由于LT很大,LN相对整个串联回路很小,C0相对CN很小,因此可以忽略LT,LN,C0作用,并令L=LS+LOC,R=RS+ROC+RN,C=CN.根据电路原理列电压、电流回路方程为uL+uC+uR=uS(1)uL=Ldidt,uR=Ri,i=CduCdt(2)uL=Ldidt,uR=Ri,i=CduCdt(2)LCd2uCdt2+RCduCdt+uC=uS(3)1)零输入响应LCd2uCdt+RCduCdt+uC=0(4)求解得振荡电路的零输入响应uC(t)=U0ω0ωde-αtsin(ωdt+β)(5)2)零状态响应uS(t)=Umsin(ωt+ϕ)(6)其中,ω为电源角频率;ϕ为电源电压的初相角;ωd=√ω20-α2;α=R/2L为电路的衰减系数;ω0=1/√LC为电路的谐振角频率;U0为牵引网在中性线上的感应电压.中性段上感应电压有效值均为12.11kV,仅相位角不同.此时,方程变为LCd2uCdt2+RCduCdΤ+uC=Umsin(ωt+ϕ)(7)求解上述方程可得振荡电路的零状态响应为uC(t)=UmΖXC{sin(ωt+ϕ-φ-π2)+e-αtωd[ωsinωdtsin(ϕ-φ)+ω0sin(ωdt+β)cos(ϕ-φ)]}(8)由叠加原理可得电压的表达式uC(t)=[U0ω0ωd+UmXCΖsinβcos(ϕ-φ)]e-αtsin(ωdt+β)+UmXCΖsin(ωt+ϕ-φ-π2)-Ume-αtΖωdCsinωdtsin(ϕ-φ)(9)对式(9)利用导数求最大值可得:当Φ=100°或Φ=280°时,UC电压值最大,为71kV.过电压仿真波形如图3所示,图中上沿曲线部分为UC过电压波形线,下沿曲线部分为UC正常电压波形线.同理,在受电弓与接触网分离时的暂态过程中,当Φ=90°时,UC电压值最大,为111kV.过电压仿真波形如图4所示.在受电弓与接触网接触时的暂态过程中,当Φ=80°或Φ=260°时,UC电压值最大,为70kV.过电压仿真波形如图5所示.在受电弓离开中性线时的暂态过程中,当Φ=90°时,UC电压值最大,为115kV.过电压仿真波形如图6所示.3关节电分离的改善措施3.1rc保护装置RC保护装置是电力系统中常用的一种抑制操作过电压的防护方法,也可以考虑用它来抑制电力机车通过关节式电分相结构过程中产生的过电压.可以将RC保护装置连接到关节式电分相结构中性线上,在中性线上安装保护装置以后,电力机车过关节式电分相等效电路如图7所示.图中RD和CD分别为RC保护装置的电阻和电容.3.2性线上的感应电压的降低1)增大整个回路的电容,降低电路振荡的频率;2)使用电阻RD吸收能量,阻尼振荡,加速过电压的衰减;3)降低关节式电分相结构中性线上的感应电压.当保护装置未接入时,这是一个欠阻尼振荡频率很高的电路,当加入了保护电路以后,整个电路参数发生了改变,如果保护电路的电容取得较大,则电路的振荡频率将会下降,同时由于加入了电阻RD电路将由欠阻尼状态变为临界阻尼或者过阻尼状态,电路的过电压将会变小或者不产生过电压.3.3拉弧电压模拟1当通过电子表格的交换器分离时，相位角为90时的拉弧电压模拟波形如图8所示2当相位角为90时，如图9所示，抗弯电压模拟波形为3.4保护前后电压峰值1)通过仿真可知,加入保护装置后,在过分相的四个过程中,中性线上的最大电压都大幅度下降,仿真波形如图8、图9所示,电压值略高于接触网供电电压的峰值.2)经计算保护前后的电压峰值可得:受电弓与中性线接触时,保护前的电压最大值为71kV,加入保护装置后降到38kV,降幅为47%;受电弓与接触网分离时则降了66%;受电弓与接触网接触时峰值电压降了46%;受电弓与中性线分离时则降了67%.可以证明,加上保护装置后过电压已经降低,并达到了预期目的.4过一机制及最大工艺参数定义本文以七跨锚段关节电分相为例,分析了电力机车过电分相产生过电压的原因,对过电分相的暂态过程进行了计算,并使用MATLAB对其过程进行了仿真.分析表明:仿真结果与理论分析计算相吻合.最后提出了限制电力机车过分相过电压的保护措施.图2中各参数含义及取值分别为AC为牵引供电电压源(27.5kV);LS为牵引变电所变压器的等值电抗(0.1264H);RS为牵引变电所变压器等值电阻(0.2496Ψ);ROC为牵引接触网等值电阻(5.37Ψ)