基于高通濾波器的地面自動過分相的過電壓抑制
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吳? 強，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：因為機車在過電分相的過程中產(chǎn)生的過電壓會對電氣化鐵路的安全造成很大的影響，為了研究抑制過 電壓的方法，建立了地面自動過分相的等效電氣模型，并根據(jù)該模型以及機車過分相過程中的電壓波形對過電 壓的產(chǎn)生原理進行分析研究。從而提出加裝RLC裝置，RLC裝置不僅可以組成高通濾波器來抑制機車中的網(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抑制過電壓。通過計算可得出該裝置各個元件具體參 數(shù)，然后以此建立仿真模型，通過仿真驗證表明該方法正確有效。
0 引言
在我國電氣化鐵路建設(shè)之初，采用的是27.5 kV單 相工頻交流供電制式為電力機車供電。但是機車如果僅 從三相供電網(wǎng)中的某一相取電，這便會導(dǎo)致供電網(wǎng)產(chǎn)生 大量負(fù)序電流。為解決上述問題，電氣化鐵道采用分段 換相供電。同時，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 的電分相。而關(guān)節(jié)式電分相因不存在機械硬點，使得機 車在過分相時，可以平滑地進入或駛出中性段，所以， 被廣泛運用于電氣化鐵道中。
目前主流的自動過分相方案有兩種，即機車斷電自 動過分相和地面自動過分相。而機車斷電自動過分相因 具備斷電時間長，從而導(dǎo)致機車在過分相時速度損失大 的缺點。所以，地面自動過分相必將成為電氣化鐵路的 主要發(fā)展方向。但是在實際運行中，機車經(jīng)過電分相時 會產(chǎn)生過電壓，這可能會導(dǎo)致機車放電間隙被擊穿、牽 引變電所跳匝等事故。因此，研究如何抑制機車在過電分相時產(chǎn)生的過電壓對電氣化鐵路安全運營有著非常重 要的意義。
所以，想要抑制機車過分相時產(chǎn)生的過電壓，我們 首先需要對接觸網(wǎng)的結(jié)構(gòu)特征有一定的了解。目前我國 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用于高速鐵路，如秦沈線、武廣線 等。而在干線鐵路中七跨關(guān)節(jié)式電分相得到了廣泛的運 用[1]，如京廣線、廣深線等。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電壓的產(chǎn)生機理。因此本文 對機車通過電分相的過程進行了仿真，并通過研究分相 區(qū)牽引網(wǎng)的等效電氣參數(shù)和數(shù)學(xué)模型來分析機車在過電 分相時產(chǎn)生過電壓的原因，從而提出相應(yīng)的過電壓抑制 措施。
1 地面自動過分相模型
為了能進一步分析地面自動過分相的電磁暫態(tài)過 程，本文對地面自動過分相進行建模，然后利用實際參 數(shù)對機車過分相的整個過程進行模擬。將理論分析與 仿真結(jié)果結(jié)合起來，以便更好地研究出一直過電壓的 方案。
錨段關(guān)節(jié)式電分相左右兩側(cè)供電臂長為25 km，建 立七跨關(guān)節(jié)式電分相的仿真模型，某高速鐵路單線牽引 網(wǎng)接觸線采用CTMH250型號，承力索為JTMH220，鋼 軌型號為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供電臂長度為 l=25 km、接觸網(wǎng)對地的等值深度D=930 m。根據(jù)Carson 理論可分別計算出牽引網(wǎng)等效參數(shù)，其中接觸線和承力 索對地回路的單位長自阻抗，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)對地回路單 位長度阻抗為：
鋼軌對地回路單位長度阻抗為：
鋼軌對地回路與接觸網(wǎng)對地回路的單位長度互阻抗為：
牽引網(wǎng)的單位長度阻抗為：
又因為供電臂長為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)對地等值 電容為：
式中Rε 和fc 分別表示接觸線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所示的機車過電分相時 的牽引網(wǎng)等效電路模型。圖2中機車模型由機車等效阻 抗Z9、機車變壓器勵磁阻抗Z10、高壓互感器Z11以及受電弓對地電容C6組成。CB3、CB4、CB5模擬的是 機車在過分相的過程中，受電弓在接觸網(wǎng)上的不同的 位置。
2 過電壓、諧波產(chǎn)生原理
2.1 操作過電壓產(chǎn)生原理
機車在過分相過程中，受電弓與接觸網(wǎng)接觸位置的 時刻變化，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電壓[2]。機車在過分相 的過程中可分為3個階段，各階段電壓變化如下。
1）在進入中性段之前，機車在供電臂A上運行并由 其供電。當(dāng)機車即將進入中性段時，中性段與供電臂A 相連，使機車能帶電過分相。此時電壓如圖3所示。當(dāng) CB1閉合時，中性段電壓由感應(yīng)電壓變?yōu)闋恳儔浩麟?壓，此時電壓值明顯變大。
2）當(dāng)機車進入中性段一段時間后，CB1打開，中 性段與供電臂A斷開連接。供電臂A停止給機車供電。 此時，機車上的感性負(fù)載的能量將逐漸轉(zhuǎn)移到中性段對 地電容上，形成1個強烈的二階振蕩，中性段上產(chǎn)生截 流過電壓[3]。
CB1斷開后，在經(jīng)過1個短時間的延時后CB2閉合。 由于電機是感性負(fù)載，所以在這個短時間的延時過程 中，機車上仍然存在電流，這個電流在流過機車主變壓 器的二次繞組時會耦合到一次側(cè)，并在中性線產(chǎn)生電 壓。因為此時機車處于中性段，該電壓與中性線感應(yīng)電 壓疊加產(chǎn)生中性線殘壓[4-6]。在CB2閉合后，如果中性線 殘壓與供電臂上電壓源UB存在瞬態(tài)壓差，那么中性線對 地電容和接觸網(wǎng)上阻抗之間將產(chǎn)生1個振蕩過程，該過 程中，當(dāng)各點響應(yīng)的暫態(tài)分量和穩(wěn)態(tài)分量相位相同時， 兩分量將會疊加從而產(chǎn)生合閘過電壓。中性段上電壓如 圖4所示。
3）機車離開中性段后CB2斷開，中性段與供電臂B 斷開連接，機車完成過分相。
2.2 諧波
交流電力機車是牽引供電系統(tǒng)中最主要的諧波源， 主要由網(wǎng)側(cè)變流器中PWM控制中開關(guān)元件高頻切換引 起的。根據(jù)文獻[7]可知當(dāng)機車處于牽引網(wǎng)不同位置時， 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，諧振將引起機車壓嚴(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
機車產(chǎn)生的諧波可能在電網(wǎng)中引起并聯(lián)諧振，此時 諧波電流將會急劇加大，同時疊加在基波電壓上的諧波 電壓也會急劇加大，從而引起過電壓，導(dǎo)致機車空間間 隙被擊穿、變電所跳匝等事故，從而影響鐵路的安全運 行。所以，要解決這個問題不僅要抑制機車過分相時產(chǎn) 生的操作過電壓，還要濾除網(wǎng)側(cè)變流器產(chǎn)生的諧波。
其中抑制操作過電壓可采用以下幾種方法[7]：①使 用IGBT等可控制通斷時間的器件來改變通斷時電壓電 流的相角；②在線路上加裝保護裝置，如阻容吸收裝 置、氧化鋅避雷器（MOA）等。
根據(jù)文獻[8]可知抑制諧波有兩種方法：①針對機車 上的網(wǎng)側(cè)變流器進行治理，即針對其控制方法和拓?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個高通濾波器來濾除機 車網(wǎng)側(cè)變流器產(chǎn)生的諧波，同時該裝置中的電阻R、電 容C還可組成阻容吸收器來抑制操作過電壓。因此本文 提出在中性段加裝RLC裝置來解決過電壓問題。
3.1 過電壓抑制原理
RLC裝置抑制過電壓的原理如圖7所示，其中，電 阻R可用來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的工頻電流將會減少，從 而降低工頻電流的消耗；而電容C則是因為其具有電壓 不能突變的特性，過電壓上升速度將會得到減緩。
當(dāng)開關(guān)CB1閉合時，因為電感上電流不能突變，此 時回路方程為：
此方程臨界值為：
此時，回路處于欠阻尼狀態(tài)，不會出現(xiàn)振蕩過電 壓。所以，在RLC抑制裝置中，R滿足
同時，為防止與機車主變壓器產(chǎn)生共振，所以還需 滿足公式：
其中，f0 為機車主變壓器自振頻率，約為12 kHz。
3.2 諧波抑制原理
RLC裝置不僅能抑制過電壓，同時還能構(gòu)成1個二 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：
又因為機車網(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 車過分相過程中中性段上的電壓如圖9所示，已基本抑 制過電壓和濾除諧波。
4 結(jié)論
本文通過搭建錨段關(guān)節(jié)式電分相和機車的模型，對 機車通過地面自動過分相的過程進行了仿真模擬，然后 對地面開關(guān)的開合閘的瞬態(tài)過程進行了研究，分析了截 流過電壓、合閘過電壓以及諧波的產(chǎn)生原理，并闡明了 其帶來的危害，最后提出在中性段上加裝RLC裝置從而 達到抑制操作過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電壓問題，保證了鐵路的安全性與穩(wěn)定性。
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