基于ATP-EMTP的電力機車過分相暫態(tài)過程研究

謝曲天 盛義發(fā) 李永勝 張楷翼 范 波

（南華大學電氣工程學院，湖南 衡陽 421001）

電力機車通過錨段關節(jié)式分相區(qū)的過程中，其等效電路的拓撲結構不斷發(fā)生變化，加之電路中有大量的儲能元件，將會形成暫態(tài)過電壓，從而擊穿機車放電間隙，嚴重影響電力機車的安全運行。因此，電力機車過電分相暫態(tài)過程的問題是學者與工程技術人員一直研究的熱點之一。但是大多都是從理論上分析暫態(tài)過程，研究的電路模型也通過理想簡化的[1-2]。基于此，本文在分析電力機車過分相過程的數(shù)學機理的基礎上，將錨段關節(jié)式過分相分成過渡區(qū)和無電區(qū)兩部分建模，基于ATP-EMTP 仿真分析電力機車過分相過程的暫態(tài)過程，采用RC 保護裝置抑制暫態(tài)，以達到消除或減小電力機車過分相暫態(tài)過程的目的。

1 電力機車過分相的過程機理

1.1 電力機車分相區(qū)暫態(tài)過程界定

電力機車過分相時，受電弓與接觸線、中性線頻繁的接觸和分離，電力機車和牽引網(wǎng)形成的等效電路拓撲結構也不斷發(fā)生變化，當電路拓撲結構從一種形式變換為另一種形式時，將會出現(xiàn)暫態(tài)過程。電力機車高速運行平滑通過分相區(qū)時采用錨段關節(jié)式車載斷電自動過分相，其七跨度錨段關節(jié)式過分相如圖1所示[3]。

圖1 七跨度錨段關節(jié)式過分相

電力機車在即將進入分相區(qū)時，機車主電路斷電。電力機車只有受電弓、高壓互感器和車頂高壓引線與牽引網(wǎng)連接。在整個通過分相區(qū)過程中將經(jīng)歷4 個暫態(tài)過程[4]。

1）當機車運行到b 處時，此時中性線與供電臂α 相距的距離小于受電弓的寬度。受電弓開始同時與中性線和供電臂α 接觸。在受電弓剛剛接觸中性線的瞬間，等效電路拓撲結構發(fā)生變化將經(jīng)歷第一次暫態(tài)過程。

2）當機車到達c 處時，此時受電弓間與供電臂α 分離，等效電路拓撲結構再次發(fā)生變化，進入第二次暫態(tài)過程。

3）當機車到達f 處時，受電弓將又同時接觸中性線和供電臂β，等效電路的拓撲結構發(fā)生變化，出線第三次暫態(tài)過程。

4）當電力機車運行到g 出時，受電弓與中性線分離只與供電臂β 接觸，運行到h 處后出分相區(qū)合上機車主電路，機車在供電臂β 上運行。

電力機車在過程1）和過程3）中運行時，其暫態(tài)過程的性質相同可等效為空載合閘過電壓過程。同樣在過程2）和過程4）中運行時的性質相同，可以放在一起分析研究。

1.2 電力機車過分相暫態(tài)過電壓理論分析

電力機車在進入過分相前，分相區(qū)與供電臂之間是沒有電氣上的連接的。但是由于供電臂與分相區(qū)相距很近，分相區(qū)上將會有感應電壓的產(chǎn)生?？筛鶕?jù)基爾霍夫定理，列出節(jié)點電壓方程如下[5-7]：

求解可得

式中，Un為中性線上的電壓。電力機車進入電分相等效為RLC 串聯(lián)電路根據(jù)基爾霍夫定律可得

根據(jù)電感，電容特性可列出電力機車進入過分相時的方程如式（1）至式（3）所示。

零輸入響應：

零狀態(tài)響應：

將式（4）求導求最大值，得出不同相角時的中性線上過電壓的最大值與如圖2所示。

圖2 合閘相角與中性線過電壓的關系曲線

從圖2可以看出，電力機車進入分相區(qū)時，當電源的相角在110°或者290°附近時中性線上的過電壓最?。蝗欢?，當電源電壓的相角在10°或者190°附近時，中性線上的過電壓最大。

2 基于ATP-EMTP 的電力機車過分相暫態(tài)過程仿真

2.1 系統(tǒng)建模

牽引網(wǎng)導線：承力索型號JTMH120，接觸線型號CTMH150，鋼軌型號P60。接觸導線距軌頂高度6000mm，接觸網(wǎng)結構高度1300mm，承力索弛度600mm。根據(jù)電力機車過分相的特點建立電力機車過分相區(qū)的模型，其中包括以下部分：①牽引網(wǎng)供電臂；②過分相過渡區(qū)；③過分相無電區(qū)；④電力機車。等效電路模型如圖3所示。

圖3 分相區(qū)等效電路

根據(jù)Carson 導線—地回線理論[5-6]求牽引網(wǎng)供電臂，過分相過渡區(qū)和過分相無電區(qū)的等效阻抗；根據(jù)對地電容和并聯(lián)線路的電容公式求各段的電容。Rs，Ls分別表示牽引變壓器歸算到低壓側的等值電阻和電感；RT1，RT2，LT1，LT2表示供電臂α，β 與過分相的中性線過渡區(qū)的等值電阻和電感；Rn，Ln表示過分相中性線無電區(qū)的等值電阻和電感。CT1=CT2表示過分相中性線無電區(qū)的等值電阻和電感。CEN表示中性線與供電臂過渡區(qū)的等值對地電容；CN表示中性線無電區(qū)的對地電容。由于電力機車主電路斷開，只有高壓電壓互感器和高壓導線通過受電弓與牽引網(wǎng)相連，所以電力機車模型等效成R、L和C的混聯(lián)電路。

2.2 仿真分析

分相區(qū)空載時，由于供電臂與中性線相距很近，在兩導線之間存在線間電容，所以在分相區(qū)中性線上將存在感應電壓。通過ATP-EMTP[7-8]仿真研究可知中性線上的感應電壓為12.15kV 與計算結果相差不大。

電力機車進入分相區(qū)，受電弓與分相區(qū)中性線和供電臂α同時接觸時，暫態(tài)過程可以看成操作過電壓和諧振過電壓的共同作用。與電力機車進入分相區(qū)性質相同的是電力機車從無電段駛出時，此時可看成受電弓與分相區(qū)中性線和供電臂β 同時接觸，暫態(tài)過程與電力機車進入分相區(qū)的過程相同。如圖4所示電力機車在牽引網(wǎng)電源相角為10°進入過分相時的中性線暫態(tài)過電壓波形。

圖4 機車進入分相區(qū)的中性線過電壓

電力機車進入分相區(qū)的無電段和電力機車離開分相區(qū)的過程性質相同，以電力機車進入分相區(qū)無電區(qū)為例，電力機車受電弓和供電臂分離，此時受電弓也沒有接觸到另一供電臂上，所以電力機車進入了一個無電惰行的狀態(tài)。如圖5所示電力機車進入無電段的中性線上的電壓波形。

圖5 機車受電弓脫離供電臂的中性線電壓

從圖4和圖5可以看出在電力機車通過過分相過程中在進入過分相時存在操作過電壓和諧振過電壓，在電力機車脫離供電臂時存在諧振，如果受電弓有拉弧時可能造成二次重合閘那么諧振可能帶來更加嚴重的后果。

3 暫態(tài)過程的抑制措施

從以上的仿真過程中可以出，電力機車通過分相區(qū)時的暫態(tài)過程主要由操作過電壓和鐵磁諧振過電壓組成，RC 保護裝置是電力系統(tǒng)中最常用的一種抑制暫態(tài)過程的方法。將RC 保護裝置并聯(lián)在線路中，裝置中的電容可以補償原系統(tǒng)中的鐵磁諧振，電阻則能增加線路中的阻尼，使得暫態(tài)過程能更快的衰減。圖6反映的是以電源電壓相角為10°時，電力機車進入電分相為例，在中性線上并聯(lián)電阻為200Ω，電容為0.5 μF 的RC 保護裝置時的中性線電壓波形。

圖6 安裝有RC 保護裝置的中性線電壓

對比圖4和圖6可以明顯發(fā)現(xiàn)中性線上的操作過電壓和鐵磁諧振過電壓明顯降低，在圖4中中性線過電壓最大值值達到額定電壓值的2.14 倍，而如圖6在中性線上加裝RC 保護裝置后，其中性線過電壓的最大值只有額定電壓的1.2 倍。綜上分析，RC 保護裝置對于消除電力機車過分相的暫態(tài)過程具有一定的作用。

4 結論

本文以七跨度錨段關節(jié)式過分相為研究對象，通過數(shù)學推導得出過分相的相角與過電壓的關系。并運用ATP-EMTP 電磁暫態(tài)分析軟件對電力機車過分相的過程進行仿真研究。得出以下結論：

1）電力機車過分相時，機車與供電臂與中性線接觸時，電源的相角決定了暫態(tài)過程的大小，所以進入分相區(qū)的相角對于機車過分相很重要。

2）電力機車過分相過程的暫態(tài)過程集中在機車與中性線和供電臂同時接觸時的瞬間。有比較明顯的諧振過電壓和操作過電壓。

3）ATP-EMTP 仿真分析比較直觀的得出電力機車過分相過程中的暫態(tài)過程的情況。RC 保護裝置通過仿真可知對于抑制電力機車過分相的暫態(tài)過程有比較明顯的效果。

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