基于高通濾波器的地面自動(dòng)過(guò)分相的過(guò)電壓抑制

吳? 強(qiáng)，陳趙曦，李圣清，吳麗然 （湖南工業(yè)大學(xué)?電氣與信息工程學(xué)院，湖南?株洲?412007）
摘? 要：因?yàn)闄C(jī)車(chē)在過(guò)電分相的過(guò)程中產(chǎn)生的過(guò)電壓會(huì)對(duì)電氣化鐵路的安全造成很大的影響，為了研究抑制過(guò) 電壓的方法，建立了地面自動(dòng)過(guò)分相的等效電氣模型，并根據(jù)該模型以及機(jī)車(chē)過(guò)分相過(guò)程中的電壓波形對(duì)過(guò)電 壓的產(chǎn)生原理進(jìn)行分析研究。從而提出加裝RLC裝置，RLC裝置不僅可以組成高通濾波器來(lái)抑制機(jī)車(chē)中的網(wǎng)側(cè) 變流器產(chǎn)生的諧波，其中的R和C還能組成阻容吸收器來(lái)抑制過(guò)電壓。通過(guò)計(jì)算可得出該裝置各個(gè)元件具體參 數(shù)，然后以此建立仿真模型，通過(guò)仿真驗(yàn)證表明該方法正確有效。 

關(guān)鍵詞：過(guò)分相；過(guò)電壓；諧波；仿真

0  引言 

在我國(guó)電氣化鐵路建設(shè)之初，采用的是27.5 kV單 相工頻交流供電制式為電力機(jī)車(chē)供電。但是機(jī)車(chē)如果僅 從三相供電網(wǎng)中的某一相取電，這便會(huì)導(dǎo)致供電網(wǎng)產(chǎn)生 大量負(fù)序電流。為解決上述問(wèn)題，電氣化鐵道采用分段 換相供電。同時(shí)，為防止不同相之間發(fā)生短路，電氣化 鐵路依靠空氣和絕緣器件將各相隔離，這便是我們所說(shuō) 的電分相。而關(guān)節(jié)式電分相因不存在機(jī)械硬點(diǎn)，使得機(jī) 車(chē)在過(guò)分相時(shí)，可以平滑地進(jìn)入或駛出中性段，所以， 被廣泛運(yùn)用于電氣化鐵道中。 

目前主流的自動(dòng)過(guò)分相方案有兩種，即機(jī)車(chē)斷電自 動(dòng)過(guò)分相和地面自動(dòng)過(guò)分相。而機(jī)車(chē)斷電自動(dòng)過(guò)分相因 具備斷電時(shí)間長(zhǎng)，從而導(dǎo)致機(jī)車(chē)在過(guò)分相時(shí)速度損失大 的缺點(diǎn)。所以，地面自動(dòng)過(guò)分相必將成為電氣化鐵路的 主要發(fā)展方向。但是在實(shí)際運(yùn)行中，機(jī)車(chē)經(jīng)過(guò)電分相時(shí) 會(huì)產(chǎn)生過(guò)電壓，這可能會(huì)導(dǎo)致機(jī)車(chē)放電間隙被擊穿、牽 引變電所跳匝等事故。因此，研究如何抑制機(jī)車(chē)在過(guò)電分相時(shí)產(chǎn)生的過(guò)電壓對(duì)電氣化鐵路安全運(yùn)營(yíng)有著非常重 要的意義。 

所以，想要抑制機(jī)車(chē)過(guò)分相時(shí)產(chǎn)生的過(guò)電壓，我們 首先需要對(duì)接觸網(wǎng)的結(jié)構(gòu)特征有一定的了解。目前我國(guó) 電氣化鐵路接觸網(wǎng)主要采用六跨、七跨、八跨、九跨、 十二跨、十六跨錨段關(guān)節(jié)式電分相。其中，十二跨、 十六跨電分相主要運(yùn)用于高速鐵路，如秦沈線(xiàn)、武廣線(xiàn) 等。而在干線(xiàn)鐵路中七跨關(guān)節(jié)式電分相得到了廣泛的運(yùn) 用^[1]，如京廣線(xiàn)、廣深線(xiàn)等。如圖1所示為七跨關(guān)節(jié)式電 分相結(jié)構(gòu)圖，其由2個(gè)四跨錨段關(guān)節(jié)重疊構(gòu)成，兩跨之 間約為90 m，A、B分別表示左右兩側(cè)供電臂。

其次我們還需要了解過(guò)電壓的產(chǎn)生機(jī)理。因此本文 對(duì)機(jī)車(chē)通過(guò)電分相的過(guò)程進(jìn)行了仿真，并通過(guò)研究分相 區(qū)牽引網(wǎng)的等效電氣參數(shù)和數(shù)學(xué)模型來(lái)分析機(jī)車(chē)在過(guò)電 分相時(shí)產(chǎn)生過(guò)電壓的原因，從而提出相應(yīng)的過(guò)電壓抑制 措施。

1  地面自動(dòng)過(guò)分相模型 

為了能進(jìn)一步分析地面自動(dòng)過(guò)分相的電磁暫態(tài)過(guò) 程，本文對(duì)地面自動(dòng)過(guò)分相進(jìn)行建模，然后利用實(shí)際參 數(shù)對(duì)機(jī)車(chē)過(guò)分相的整個(gè)過(guò)程進(jìn)行模擬。將理論分析與 仿真結(jié)果結(jié)合起來(lái)，以便更好地研究出一直過(guò)電壓的 方案。 

錨段關(guān)節(jié)式電分相左右兩側(cè)供電臂長(zhǎng)為25 km，建 立七跨關(guān)節(jié)式電分相的仿真模型，某高速鐵路單線(xiàn)牽引 網(wǎng)接觸線(xiàn)采用CTMH250型號(hào)，承力索為JTMH220，鋼 軌型號(hào)為P60。將接觸網(wǎng)各參數(shù)匯總?cè)绫?。

取真空介電常數(shù)ε 0.885x10^-12 F/m供電臂長(zhǎng)度為 l=25 km、接觸網(wǎng)對(duì)地的等值深度D=930 m。根據(jù)Carson 理論可分別計(jì)算出牽引網(wǎng)等效參數(shù)，其中接觸線(xiàn)和承力 索對(duì)地回路的單位長(zhǎng)自阻抗，以及它們之間的互阻抗分 別為：

根據(jù)公式（1）~（3），可求出接觸網(wǎng)對(duì)地回路單 位長(zhǎng)度阻抗為：

鋼軌對(duì)地回路單位長(zhǎng)度阻抗為：

鋼軌對(duì)地回路與接觸網(wǎng)對(duì)地回路的單位長(zhǎng)度互阻抗為：

牽引網(wǎng)的單位長(zhǎng)度阻抗為：

又因?yàn)楣╇姳坶L(zhǎng)為25 km，根據(jù)式（7）可求出牽引 網(wǎng)等值電阻和電感為3.6 Ω和0.025 H。牽引網(wǎng)對(duì)地等值 電容為：

式中R_ε 和f_c 分別表示接觸線(xiàn)的等效半徑和承力索馳度。

根據(jù)這些參數(shù)可建立如圖2所示的機(jī)車(chē)過(guò)電分相時(shí) 的牽引網(wǎng)等效電路模型。圖2中機(jī)車(chē)模型由機(jī)車(chē)等效阻 抗Z9、機(jī)車(chē)變壓器勵(lì)磁阻抗Z10、高壓互感器Z11以及受電弓對(duì)地電容C6組成。CB3、CB4、CB5模擬的是 機(jī)車(chē)在過(guò)分相的過(guò)程中，受電弓在接觸網(wǎng)上的不同的 位置。

2  過(guò)電壓、諧波產(chǎn)生原理 

2.1 操作過(guò)電壓產(chǎn)生原理 

機(jī)車(chē)在過(guò)分相過(guò)程中，受電弓與接觸網(wǎng)接觸位置的 時(shí)刻變化，致使?fàn)恳╇娤到y(tǒng)內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)發(fā)生變化， 從而發(fā)生電磁能量的突變引起過(guò)電壓^[2]。機(jī)車(chē)在過(guò)分相 的過(guò)程中可分為3個(gè)階段，各階段電壓變化如下。 

1）在進(jìn)入中性段之前，機(jī)車(chē)在供電臂A上運(yùn)行并由 其供電。當(dāng)機(jī)車(chē)即將進(jìn)入中性段時(shí)，中性段與供電臂A 相連，使機(jī)車(chē)能帶電過(guò)分相。此時(shí)電壓如圖3所示。當(dāng) CB1閉合時(shí)，中性段電壓由感應(yīng)電壓變?yōu)闋恳儔浩麟?壓，此時(shí)電壓值明顯變大。

2）當(dāng)機(jī)車(chē)進(jìn)入中性段一段時(shí)間后，CB1打開(kāi)，中 性段與供電臂A斷開(kāi)連接。供電臂A停止給機(jī)車(chē)供電。 此時(shí)，機(jī)車(chē)上的感性負(fù)載的能量將逐漸轉(zhuǎn)移到中性段對(duì) 地電容上，形成1個(gè)強(qiáng)烈的二階振蕩，中性段上產(chǎn)生截 流過(guò)電壓^[3]。 

CB1斷開(kāi)后，在經(jīng)過(guò)1個(gè)短時(shí)間的延時(shí)后CB2閉合。 由于電機(jī)是感性負(fù)載，所以在這個(gè)短時(shí)間的延時(shí)過(guò)程 中，機(jī)車(chē)上仍然存在電流，這個(gè)電流在流過(guò)機(jī)車(chē)主變壓 器的二次繞組時(shí)會(huì)耦合到一次側(cè)，并在中性線(xiàn)產(chǎn)生電 壓。因?yàn)榇藭r(shí)機(jī)車(chē)處于中性段，該電壓與中性線(xiàn)感應(yīng)電 壓疊加產(chǎn)生中性線(xiàn)殘壓^[4-6]。在CB2閉合后，如果中性線(xiàn) 殘壓與供電臂上電壓源UB存在瞬態(tài)壓差，那么中性線(xiàn)對(duì) 地電容和接觸網(wǎng)上阻抗之間將產(chǎn)生1個(gè)振蕩過(guò)程，該過(guò) 程中，當(dāng)各點(diǎn)響應(yīng)的暫態(tài)分量和穩(wěn)態(tài)分量相位相同時(shí)， 兩分量將會(huì)疊加從而產(chǎn)生合閘過(guò)電壓。中性段上電壓如 圖4所示。

3）機(jī)車(chē)離開(kāi)中性段后CB2斷開(kāi)，中性段與供電臂B 斷開(kāi)連接，機(jī)車(chē)完成過(guò)分相。 

2.2 諧波 

交流電力機(jī)車(chē)是牽引供電系統(tǒng)中最主要的諧波源， 主要由網(wǎng)側(cè)變流器中PWM控制中開(kāi)關(guān)元件高頻切換引 起的。根據(jù)文獻(xiàn)^[7]可知當(dāng)機(jī)車(chē)處于牽引網(wǎng)不同位置時(shí)， 其兩側(cè)牽引網(wǎng)將呈現(xiàn)出不同阻抗特性，當(dāng)兩側(cè)阻抗可分 別等效為容性阻抗和感性阻抗且兩側(cè)阻抗參數(shù)發(fā)生并聯(lián) 諧振匹配時(shí)，諧振將引起機(jī)車(chē)壓嚴(yán)重畸變，從而威脅到 牽引網(wǎng)的安全性與穩(wěn)定性。

3  抑制方法 

機(jī)車(chē)產(chǎn)生的諧波可能在電網(wǎng)中引起并聯(lián)諧振，此時(shí) 諧波電流將會(huì)急劇加大，同時(shí)疊加在基波電壓上的諧波 電壓也會(huì)急劇加大，從而引起過(guò)電壓，導(dǎo)致機(jī)車(chē)空間間 隙被擊穿、變電所跳匝等事故，從而影響鐵路的安全運(yùn) 行。所以，要解決這個(gè)問(wèn)題不僅要抑制機(jī)車(chē)過(guò)分相時(shí)產(chǎn) 生的操作過(guò)電壓，還要濾除網(wǎng)側(cè)變流器產(chǎn)生的諧波。 

其中抑制操作過(guò)電壓可采用以下幾種方法[7]：①使 用IGBT等可控制通斷時(shí)間的器件來(lái)改變通斷時(shí)電壓電 流的相角；②在線(xiàn)路上加裝保護(hù)裝置，如阻容吸收裝 置、氧化鋅避雷器（MOA）等。 

根據(jù)文獻(xiàn)^[8]可知抑制諧波有兩種方法：①針對(duì)機(jī)車(chē) 上的網(wǎng)側(cè)變流器進(jìn)行治理，即針對(duì)其控制方法和拓?fù)浣Y(jié) 構(gòu)提出抑制諧波的方法；②加裝濾波裝置。

而RLC裝置不僅可以組成1個(gè)高通濾波器來(lái)濾除機(jī) 車(chē)網(wǎng)側(cè)變流器產(chǎn)生的諧波，同時(shí)該裝置中的電阻R、電 容C還可組成阻容吸收器來(lái)抑制操作過(guò)電壓。因此本文 提出在中性段加裝RLC裝置來(lái)解決過(guò)電壓?jiǎn)栴}。

3.1 過(guò)電壓抑制原理 

RLC裝置抑制過(guò)電壓的原理如圖7所示，其中，電 阻R可用來(lái)消耗高頻振蕩的能量；而電感L因具有通低 頻阻高頻的特性，所以流向R的工頻電流將會(huì)減少，從 而降低工頻電流的消耗；而電容C則是因?yàn)槠渚哂须妷?不能突變的特性，過(guò)電壓上升速度將會(huì)得到減緩。

當(dāng)開(kāi)關(guān)CB1閉合時(shí)，因?yàn)殡姼猩想娏鞑荒芡蛔儯?時(shí)回路方程為：

此方程臨界值為：

此時(shí)，回路處于欠阻尼狀態(tài)，不會(huì)出現(xiàn)振蕩過(guò)電 壓。所以，在RLC抑制裝置中，R滿(mǎn)足

同時(shí)，為防止與機(jī)車(chē)主變壓器產(chǎn)生共振，所以還需 滿(mǎn)足公式：其中，f₀ 為機(jī)車(chē)主變壓器自振頻率，約為12 kHz。

3.2 諧波抑制原理 

RLC裝置不僅能抑制過(guò)電壓，同時(shí)還能構(gòu)成1個(gè)二 階高通濾波器，濾除諧波，其結(jié)構(gòu)如圖8所示。其阻抗 頻率特性為：

又因?yàn)闄C(jī)車(chē)網(wǎng)側(cè)變流器產(chǎn)生的37～43次諧波頻率可 能與牽引網(wǎng)諧振頻率重合，從而產(chǎn)生諧振，危及牽引網(wǎng) 及設(shè)備安全^[9]。

因此，RLC裝置的阻抗在37～43 Hz時(shí)呈 現(xiàn)低阻抗。 因此，根據(jù)公式(9)～(13)可求出RLC裝置中各器件 取值，電阻R可取20 Ω，電感L可取300 μH，電容C可 取21 μF。 

建立仿真模型，模擬中性段加裝RLC裝置以后，機(jī) 車(chē)過(guò)分相過(guò)程中中性段上的電壓如圖9所示，已基本抑 制過(guò)電壓和濾除諧波。

4  結(jié)論 

本文通過(guò)搭建錨段關(guān)節(jié)式電分相和機(jī)車(chē)的模型，對(duì) 機(jī)車(chē)通過(guò)地面自動(dòng)過(guò)分相的過(guò)程進(jìn)行了仿真模擬，然后 對(duì)地面開(kāi)關(guān)的開(kāi)合閘的瞬態(tài)過(guò)程進(jìn)行了研究，分析了截 流過(guò)電壓、合閘過(guò)電壓以及諧波的產(chǎn)生原理，并闡明了 其帶來(lái)的危害，最后提出在中性段上加裝RLC裝置從而 達(dá)到抑制操作過(guò)電壓和濾除諧波的效果。仿真結(jié)果表明 理論分析正確有效，該方法有效地解決了過(guò)電壓?jiǎn)栴}，保證了鐵路的安全性與穩(wěn)定性。

參考文獻(xiàn)：

[1] 冉旺,李雄,劉冰,等.地面自動(dòng)過(guò)分相中開(kāi)關(guān)切換的瞬態(tài)過(guò)程研究 [J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2011,26(11):151-154. 

[2] 黎歡.HX_D3型電力機(jī)車(chē)帶電過(guò)分相的過(guò)電壓分析與抑制措施 [D].成都:西南交通大學(xué)，2014. 

[3] 魏馳.地面自動(dòng)過(guò)分相方案與過(guò)電壓分析及抑制措施研究[D].成 都:西南交通大學(xué)，2015. 

[4] 宮衍圣.電力機(jī)車(chē)過(guò)關(guān)節(jié)式電分相過(guò)電壓研究[J].鐵道學(xué)報(bào), 2008,30(4):103-107. 

[5] 李銀生.關(guān)節(jié)式分相過(guò)電壓機(jī)理分析[D].成都:西南交通大學(xué), 2008. 

[6] 張遠(yuǎn).錨段關(guān)節(jié)式電分相過(guò)電壓分析與抑制研究[D].成都:西南 交通大學(xué),2014. 

[7] 崔恒斌,馮曉云,林軒,等.牽引網(wǎng)與交直交列車(chē)耦合系統(tǒng)諧波諧振 特性仿真研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2014,34(16):2736-2745. 

[8] 李子晗,趙元哲,周福林,等.高速電氣化鐵路 新型阻波高通濾波器的研究[J].電氣化鐵道,2014(1):13-17. 

[9] 謝旭欽.鐵路牽引供電系統(tǒng)諧波諧振分析及抑 制方法研究[D].北京:北京交通大學(xué),2016.