基于高通滤波器的地面自动过分相的过电压抑制

  吴  强，陈赵曦，李圣清，吴丽然 （湖南工业大学 电气与信息工程学院，湖南 株洲 412007）会对电气化铁路的安全造成非常大的影响，为了研究抑制过 电压的方法，建立了地面自动过程中的电压波形对过电 压的产生原理做多元化的分析研究。从而提出加装RLC装置，RLC装置不但可以组成高通滤波器来抑制机车中的网侧 变流器产生的

  在我国电气化铁路建设之初，采用的是27.5 kV单 相工频交流供电制式为电力机车供电。但是机车如果仅 从三相供电网中的某一相取电，这便会导致供电网产生 大量负序电流。为解决以上问题，电气化铁道采用分段 换相供电。同时，为防止不同相之间发生短路，电气化 铁路依靠空气和绝缘器件将各相隔离，这便是我们所说 的电分相。而关节式电分相因不存在机械硬点，使得机 车在过分相时，可以平滑地进入或驶出中性段，所以， 被普遍的应用于电气化铁道中。目前主流的自动过分相方案有两种，即机车断电自 动过分相和地面自动过分相。而机车断电自动过分相因 具备断电时间长，因此导致机车在过分相时速度损失大 的缺点。所以，地面自动过分相必将成为电气化铁路的 主要发展趋势。但是在实际运行中，机车经过电分相时 会产生过电压，这有几率会使机车放电间隙被击穿、牵 引变电所跳匝等事故。因此，研究怎么样抑制机车在过电分相时产生的过电压对电气化铁路安全运营很有重 要的意义。

  所以，想要抑制机车过分相时产生的过电压，我们 第一步是要对接触网的结构特征有一定的了解。目前我国 电气化铁路接触网主要是采用六跨、七跨、八跨、九跨、 十二跨、十六跨锚段关节式电分相。其中，十二跨、 十六跨电分相主要运用于高速铁路，如秦沈线、武广线 等。而在干线铁路中七跨关节式电分相得到了广泛的运 用

  ，如京广线所示为七跨关节式电 分相结构图，其由2个四跨锚段关节重叠构成，两跨之 间约为90 m，A、B分别表示左右两侧供电臂。

  为了能进一步分析地面自动过分相的电磁暂态过 程，本文对地面自动过分相进行建模，然后利用实际参 数对机车过分相的整一个完整的过程进行模拟。将理论分析与 仿真结果结合起来，以便更好地研究出一直过电压的 方案。锚段关节式电分相左右两侧供电臂长为25 km，建 立七跨关节式电分相的仿真模型，某高速铁路单线牵引 网接触线型号，承力索为JTMH220，钢 轨型号为P60。将接触网各参数汇总如表1。

  又因为供电臂长为25 km，根据式（7）可求出牵引 网等值电阻和电感为3.6 Ω和0.025 H。牵引网对地等值 电容为：

  根据这些参数可建立如图2所示的机车过电分相时 的牵引网等效电路模型。图2中机车模型由机车等效阻 抗Z9、机车变压器励磁阻抗Z10、高压互感器Z11以及受电弓对地电容C6组成。CB3、CB4、CB5模拟的是 机车在过分相的过程中，受电弓在接触网上的不同的 位置。

  2.1 操作过电压产生原理机车在过分相过程中，受电弓与接触网接触位置的 时刻变化，致使牵引供电系统内部电路结构发生变化， 从而发生电磁能量的突变引起过电压[2]

  2）当机车进入中性段一段时间后，CB1打开，中 性段与供电臂A断开连接。供电臂A停止给机车供电。 此时，机车上的感性负载的能量将逐渐转移到中性段对 地电容上，形成1个强烈的二阶振荡，中性段上产生截 流过电压

  CB1断开后，在经过1个短时间的延时后CB2闭合。 由于电机是感性负载，所以在这个短时间的延时过程 中，机车上任旧存在电流，这个电流在流过机车主变压 器的二次绕组时会耦合到一次侧，并在中性线产生电 压。因为此时机车处于中性段，该电压与中性线感应电 压叠加产生中性线闭合后，如果中性线 残压与供电臂上电压源UB存在瞬态压差，那么中性线对 地电容和接触网上阻抗之间将产生1个振荡过程，该过 程中，当各点响应的暂态分量和稳态分量相位相同时， 两分量将会叠加由此产生合闸过电压。中性段上电压如 图4所示。

  3）机车离开中性段后CB2断开，中性段与供电臂B 断开连接，机车完成过分相。2.2 谐波

  交流电力机车是牵引供电系统中最主要的谐波源， 主要由网侧变流器中PWM控制中开关元件高频切换引 起的。根据文献

  机车产生的谐波可能在电网中引起并联谐振，此时 谐波电流将会急剧加大，同时叠加在基波电压上的谐波 电压也会急剧加大，从而引起过电压，导致机车空间间 隙被击穿、变电所跳匝等事故，进而影响铁路的安全运 行。所以，要解决这一个问题不仅要抑制机车过分相时产 生的操作过电压，还要滤除网侧变流器产生的谐波。

  RLC装置抑制过电压的原理如图7所示，其中，电 阻R可用来消耗高频振荡的能量；而电感L因具有通低 频阻高频的特性，所以流向R的工频电流将会减少，从 而降低工频电流的消耗；而电容C则是因为其具有电压 不能突变的特性，过电压上升速度将会得到减缓。

  RLC装置不仅能抑制过电压，同时还能构成1个二 阶高通滤波器，滤除谐波，其结构如图8所示。其阻抗 频率特性为：

  因此，RLC装置的阻抗在37～43 Hz时呈 现低阻抗。 因此，根据公式(9)～(13)可求出RLC装置中各器件 取值，电阻R可取20 Ω，电感L可取300 μH，电容C可 取21 μF。

  本文通过搭建锚段关节式电分相和机车的模型，对 机车通过地面自动过分相的过程进行了仿真模拟，然后 对地面开关的开合闸的瞬态过程进行了研究，分析了截 流过电压、合闸过电压以及谐波的产生原理，并阐明了 其带来的危害，最后提出在中性段上加装RLC装置从而 达到抑制操作过电压和滤除谐波的效果。仿真根据结果得出 理论分析正确有效，该方法有效地解决了过电压问题，保证了铁路的安全性与稳定性。

  参考文献：[1] 冉旺,李雄,刘冰,等.地面自动过分相中开关切换的瞬态过程研究 [J].电工技术学报,2011,26(11):151-154.

  [2] 黎欢.HX_D3型电力机车带电过分相的过电压分析与抑制措施 [D].成都:西南交通大学，2014.