解决方案：关节式电分相过电压的分析及抑制措施
单位：大秦铁路股份有限公司侯马北供电段作者：李耀云 安晓华
0引言
高速铁路的快速发展，对接触网设备的设计要求也越来越高。接触网系统的各种技术参数标准也越来越高。普速区段分相处往往采用器件式分相，这在高速铁路往往会形成硬点，对受电弓产生巨大冲击。高速铁路普遍采用关节式分相，既能保证隔离不同相位电压，同时又使受电弓通过时平滑过渡。关节式分相通过中性区进行绝缘空气隔离，列车通过时由一相电进入中性区，再由中性区进入另一相电，电气参数由一个状态变到另一个状态，容易产生操作过电压，同时由于电路的等值电感变化，出现谐振过电压现象。从而致使关节式电分相事故的频繁产生。兰州铁路局、郑州铁路局及济南铁路局的一些关节式分相已经多次出现此类问题。本文针对高铁目前存在的过电压问题展开讨论，并现场测量分析，建立数学模型。对重点对中性区的过电压进行重点分析，最后提出合理的解决措施，利用金属氧化物避雷器和加装RC阻容装置进行改进，并利用Matlab/Simulink进行仿真分析，最后得出预期的仿真结果。
1.关节式电分相结构
图1六跨关节式分相图
以大西高铁目前采用的六跨式关节分相为例，该分相由两个绝缘锚段关节重叠组成，中性区长度小于190m。接触线与中性区的平行距离为500mm，六跨锚段关节具有断电滑行距离短，速度损失小，较少动车停于无电区。但也存在支柱跨距短，悬挂张力大、调整难度大等缺点。受电弓在与接触线和中性线同时接触，到只与中性线接触的区段，叫过渡区段。图中隔离开关的作用是使因故停留在分相区的列车，在闭合开关后获得电能驶出中性区。
大西高铁运营开通以来，我们结合工区人员在地面对管内关节式电分相进行观察记录得到，当列车从一侧供电臂进入中性区过程中，受电弓首先与逐渐接近的非工作支产生小电弧，离开接触线进入中性区瞬间再次产生小电弧。当列车从中性区进入供电臂的另一侧时，受电弓和逐渐接近的接触线之间产生小电弧，离开时再次发生小电弧。
另外根据登乘人员对车上网压显示器进行观察、记录，发现列车进入关节式分相或离开关节式分相过程中，电压有多次出现超压现象。根据采集得到的数据，绘制出以下波形图。
图2关节式电分相电压采集波形（单位：kV）
大西高铁日常平推检修过程中发现在一侧供电臂和中性区接触线过渡跨距内，接触线表面有麻点，有拉弧留下的痕迹。平时工区检修分相时重点对关节式分相的参数进行测量，对线索的状态进行重点检查，防止拉弧引起线索烧伤的情况发生。
2.关节式分相过电压的理论分析
关节式过电压包括操作过电压和谐振过电压。列车进入或离开关节式电分相时，列车车顶存在的电感、电容、中性区接触网参数等一起构成高阶振荡电路，产生谐振过电压。同时接触网-电力机车-电分相系统的电气参数也一直改变，系统不断从一种状态到另一种状态改变，这就是系统的暂态过程。暂态过程中会不断出现过电压情况，也叫操作过电压。出现过电压有以下四种情况，列车刚进入关节式电分相处，受电弓逐渐与中性线接触，当距离达到一定值时，空气绝缘被击穿产生过电压；在受电弓离开左供电臂进入中性区时，产生过电压；受电弓在中性区平稳运行一段距离后，受电弓又逐渐与右供电臂逐渐接近，达到击穿距离时产生过电压；在受电弓离开中性线逐渐进入右供电臂时产生过电压。
2.1建立数学模型
列车在进入关节式分相时，列车的主断路器已断开，只有受电弓和高压互感器与接触网、中性线相连，供电臂可用电阻和电感串联电路进行等效，根据电路基本参数建立数学模型，如下图所示
图3电路状态建立的数学模型
上图中，和分别是两供电臂的电压；和分别是根据电路戴维南原理转换后的电阻和电感；和分别是导线中存在的等效电阻和电感；和分别表示中性区内的等效电阻和电感；表示受电弓相对大地的电容大小；表示中性区导线相对于大地的电容；和表示带电的接触线与中性区之间的电容；和分别表示高压互感器存在的电感和电阻。
根据建立的电路数学模型，得出以下式子：
(1) 式中
式子（1）可再次转换为：
（2） 将零输入响应和零状态响应叠加，得出中性线电压的全响应：
（3）2.2影响中性区电压因素
中性区一般是无电区，但实际上中性区存在于供电臂耦合作用形成的感应电压。中性区电压又要由电源的对地高度和电源的相角差决定的，当电源的同相位时，中性区的电压最大，与接触网的工频电压相接近。根据实际检测得到以下数据：
由上表可以得出中性区的感应电压主要由两端电源的相位角决定的，此外与中性区长度、中性区导线与接触线之间的距离、中性区导线的对地距离和、两供电臂电源的幅值差有一定的关系。增加中性区和接触线的距离能减少中性区的感应电压，但效果不明显。
利用式子（3）结果进行求导，得出中性线电压最大值与击穿时接触网电压的相角关系：
图4中性线中电压与接触线相位角变化关系图
由上图可知，中性区电压大小与列车进入中性区时的电压相位角有关系，且当相位角在100度和280度时产生的感应电压最大，达到了66.35kV。由于牵引供电系统中额定电压值为27.5kV，最大值为38.8kV。中性线上的感应电压达到了供电系统的最大值的1.71倍，为额定电压的2.42倍。以感应过电压大小设置为60kV，此时在=700-1200和=2500-3000，关节式电分相会产生过电压。
2.2.1受电弓跨接A相接触线和中性段接触线
列车在进入分相时击穿空气绝缘，第一次与中性线产生电弧连接两端电流，从而产生空载线路的合闸过电压。由于电路呈容性，合闸电路也呈容性，电压相位超前于电流90度。假如线路中电流在过零前，产生的电弧连接两线的情况下，此时电弧较短、电阻不是很大，中性线和接触线之间的电压很小，甚至近似认为相等，受电弓继续前行短接接触线和受电弓，这时不会产生新的过电压。
假如刚好在电流过零的状态，电弧熄灭还未产生的情况下，受电弓短接接触线和中性线，之后振荡过电压会再一次击穿受电弓和中性线前端部位的空气间隙，此时相当第二次合闸。这次合闸产生的后果比第一次更严重，因为线路是显容性的。当电流为零的情况下，电压会达到最大值。前一次合闸瞬间产生的过电压谐波频率很高，短接瞬间相位、幅度也难以确定。假如上次受电弓与中性线击穿合闸产生的振荡过电压幅值瞬间是负的最大值，供电臂的电压为正的最大值，之间的差值达到最大。以最大值计算，此时中性线上的电压大小为：
(4) 其中是中性线上在电流过零时的残压。
根据经验测得中性线上的振荡电压最大幅值大小为66.35kV。根据式子（4）计算可以得出二次合闸时的最大电压幅值为：=max|2-|=|76-（-66.35）|=142.35kV。这个电压已经非常之高，远远超出列车的放电间隙，对列车的正常运行造成严重威胁。
同样，机车从中性区离开进入另一供电臂时产生的效果与进入时相反。
2.2.2受电弓分离A相接触线和中性段接触线
由于受电弓离开接触线瞬间，中性段接触线的电压与接触线的电压相同，随着时间的变化，断口的电压差逐渐升高，极短的时间间隔内，电压差值的上升超过断口距离的扩大，会瞬间产生电弧，相当于把受电弓再拉回A相接触线，此次合闸过电压不是很大；电弧是否重燃，取决于机车此时的速度，只要机车的速度大于80.4km/h，就不会产生第二次电弧。、
2.2.3受电弓跨接中性段接触线和B相接触线
电力机车通过无电区之后，受电弓前段再次与B相接触线接近。与第一次跨接相比，需要特别注意高压互感铁磁特性。前者，车顶高压互感器直接连接在接触线上，有效值为额定电压；后者车顶高压互感器长时间连接在中性线上，有效值为中性线感应电压。因此，相对于第一次受电弓跨接，第二次受电弓跨接时，互感器的电压变化更大，该电压的突变，更容易导致互感器出现涌流，导致互感器铁磁饱和，等效电感降低，出现铁磁谐振。
2.2.4受电弓分离中性段接触线和B相接触线
机车通过右侧过渡区后，再次出现脱离接触线和中性段接触线的情形。这个过程与第一次分离接触线和中性段接触线的过程基本相同。已第一次分离时，此次情况更为恶劣，因为机车在进入分相前已经切断了牵引电流，经过中性段的惯性运行状态，达到分离右侧接触线和中性段接触线的位置时，机车的速度损失更大，产生2次电弧的概率更大。
根据以上理论分析，得出以下结论：
（1）电气列车过分相产生的过电压的性质主要为合闸时的振荡过电压，合闸过程由电弧连接或受电弓机械连接，二者同时存在，两次合闸使得振荡幅值更高。
（2）受电弓通过电分相的4个阶段都会出现电弧，相应产生合闸过电压。两次跨接时刻的过电压幅值很高，甚至有可能引起车顶高压互感器的铁磁饱和，使得等效电感降低，接近中性段接触线电容值，产生谐振，以谐振频率叠加在合闸过电压上，瞬时幅值最大，且不易衰减。
（3）两次分离时产生的过电压在机车速度条件满足时，幅值不大。机车速度大于80.4km/h，就不会产生2次电弧，若低于53km/h，就有可能产生最大为142.35kv的过电压。
（4）电气列车进电分相和出电分相都可能出现过电压击穿车顶放电间隙，出电分相时发生这种事故的概率更大。
3.关节式电分相过电压的原因分析
根据第二节关节式过电压的理论分析，得出关节式电分相过电压产生的性质为合闸振荡过电压，合闸过电压是由于电路由一种状态进入另一种状态产生的暂态过电压。列车过分相产生的四次电弧同时相应产生合闸过电压。列车通过关节式分相时由于合闸过电压影响，电路中等效电感降低，接近中性区电容值，从而在中性区上发生谐振。谐振电压叠加在合闸过电压上会使瞬间电压增大。因此从改变等值电路的参数入手，让振荡电路变成无振荡电路。
4.关节式电分相过电压抑制措施
4.1利用金属氧化物避雷器（MOA）
在合理位置安装金属氧化物避雷器，这种方法能够限制列车过分相时过电压幅度大小，并泄露过电压的冲击电流。但不能对过分相的过电压起保护作用。通过减小过电压的幅值从一定程度上减少了过电压带来的危害。
目前大西高铁关节式分相两边均设置金属氧化物避雷器，对限制过电压幅度有一定的作用。通过对临汾西网电工区《避雷装置检测（修）记录》中分相两边避雷器动作次数进行分析，发现一般关节式分相两边避雷器计数器动作次数较多。说明分相过电压现象普遍存在，安装避雷器可以减少接触网误跳闸。
图5临汾西分区所附近避雷器计数器动作统计
图6洪洞西变电所所附近避雷器计数器动作统计
下一步安排工区对分相附近避雷器计数器动作次数较多的处所，进行重点盯控，对该处线索状态进行重点检查。
4.2加装RC阻容保护装置
列车通过关节式分相由于等值电路的参数变化，致使电路发生振荡从而产生过电压。现在我们考虑在中性区段装设RC阻容保护器，通过改变电路参数抑制列车通过时产生的过电压。RC阻容保护器是供电系统中常用的抑制过电压的方法，抑制谐振释放中性区的能量。
总之，加装RC阻容装置对关节式电分相起到以下作用：（1）有效降低分相处中性线上感应电压；（2）回路中电容增大后破坏电路的谐振参数，降低振荡频率；（3）运用电阻吸收电路中的能量，阻滞电路中的振荡，使过电压加速衰减。
将RC阻容装置加入关节式电分相中性线中，并利用Matlab/Simulink建立模型进行仿真分析，取
。
。
经过以上仿真分析后，关节式电分相中性区加装RC阻容装置之后，列车经过分相处时过电压得到了明显的抑制，此时的电压控制在设备绝缘范围之内。对供电设备造成的危害大大降低。
5.结语
高速铁路日益发展，对供电设备的要求也越来越高。近年来，关节式分相为适应高铁而被广泛应用。然而关节式分相在列车运营过程中会出现一些问题，如弓网拉弧现象，甚至导致牵引变电所出现跳闸。针对此问题，本文从六跨式锚段关节进行分析研究，利用现场人员对分相处的观察结果进行分析，运用电路知识建立数学模型，对中性区的过电压进行重点分析，最后提出利用金属氧化物避雷器和加装RC阻容装置进行改进，并利用Matlab/Simulink进行仿真分析，得出RC阻容装置能有效改善过电压。
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中铁第二勘察设计院集团有限公司电化院总工程师
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何正友
西南交通大学电气工程学院副院长