交直流雙制式列車過分相暫態(tài)過程仿真研究*

劉衛(wèi)東 胥 偉 劉 飛 謝崇豪

(1. 中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 610031， 成都；2. 西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院， 610031， 成都∥第一作者， 高級工程師)

我國干線鐵路普遍采用交流供電制式，城市軌道交通主要采用直流供電制式。交直流雙制式(以下簡稱“雙制式”)作為一種新型的牽引供電系統(tǒng)技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)列車在鐵路和城市軌道交通兩種系統(tǒng)間的快速通行，滿足互聯(lián)互通的運(yùn)營需求[1-2]。

雙制式列車過分相時(shí)會出現(xiàn)電磁暫態(tài)過程，產(chǎn)生各類過電壓，進(jìn)而威脅牽引供電系統(tǒng)的正常運(yùn)行。目前我國尚無雙制式牽引供電系統(tǒng)的運(yùn)營案例，也鮮見雙制式列車過分相暫態(tài)過程的研究。文獻(xiàn)[3]介紹了雙制式牽引供電系統(tǒng)的構(gòu)成，并對其主要設(shè)備選取等方面進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[4]對傳統(tǒng)交流制式牽引供電系統(tǒng)過關(guān)節(jié)式電分相暫態(tài)過程進(jìn)行了仿真研究，分析產(chǎn)生過電壓的原因，并提出了過電壓抑制措施。文獻(xiàn)[5-6]對雙制式電力列車供電模式切換過程的暫態(tài)特性進(jìn)行了研究，分析了該類型列車牽引傳動系統(tǒng)在供電模式切換過程中產(chǎn)生的暫態(tài)電壓和電流沖擊對接觸網(wǎng)的影響，但并未考慮車-網(wǎng)耦合狀態(tài)下雙制式電力列車過分相過程對接觸網(wǎng)造成的沖擊。因此，研究雙制式列車過分相過程所產(chǎn)生的過電壓對交直流接觸網(wǎng)網(wǎng)壓造成的影響，優(yōu)化雙制式牽引供電系統(tǒng)電分相的設(shè)計(jì)方案，對雙制式牽引供電系統(tǒng)的運(yùn)維具有重要意義。

1 雙制式牽引供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

重慶市郊鐵路跳磴至江津線(以下簡稱“江跳線”)是我國首條采用雙制式的軌道交通線路。本文以江跳線為案例進(jìn)行雙制式牽引系統(tǒng)的研究。該線位于重慶市的西南部，由東向西串聯(lián)重慶軌道交通5號線、5號線支線、7號線和17號線，是該市江津區(qū)與主城區(qū)連接的主要快速通道。

江跳線從起點(diǎn)(跳蹬站)至中梁山隧道前的區(qū)段為直流側(cè)，采用直流1 500 V架空接觸網(wǎng)供電方式。其余區(qū)段為交流側(cè)，采用單相工頻25 kV交流制式、帶回流線直接供電方式，并設(shè)有供列車交直流轉(zhuǎn)換的區(qū)域。雙制式牽引供電系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 交直流雙制式牽引供電系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of AC/DC dual-system traction power supply system

在設(shè)計(jì)近期，江跳線車輛采用雙流制As型車，列車為6節(jié)編組，設(shè)有2個(gè)牽引受電單元。如圖2所示，每個(gè)牽引受電單元裝有2個(gè)受電弓，弓間距為13 m，且與母線連通；非連通受電弓的最大間距為73 m。

圖2 交直流雙制式列車牽引受電單元示意圖Fig.2 Schematic diagram of AC/DC dual-system locomotive traction power receiving unit

2 雙制式列車過分相過程等值模型

雙制式列車在進(jìn)入電分相之前，其主斷路器需確保處于斷開狀態(tài)，因此過分相過程只有受電弓和網(wǎng)壓互感器與牽引供電系統(tǒng)有電氣聯(lián)系。雙制式列車通過錨段關(guān)節(jié)式電分相、由交流段行駛至直流段的等值電路如圖3所示。

注：Uac——交流側(cè)電壓源；Udc——直流側(cè)電壓源；RS1、LS1——分別為交流變壓器的等值電阻和電感；R1、L1——分別為交流側(cè)接觸網(wǎng)的等值電阻和電感；R2、L2、C2——分別為無電區(qū)中性線的等值電阻、電感和對地電容；RS2、LS2——分別為直流變壓器的等值電阻和電感；R3、L3——分別為直流側(cè)接觸網(wǎng)的等值電阻和電感；Rc、Cc——分別為列車等效電阻和受電弓對地電容；C12——交流接觸網(wǎng)和無電區(qū)接觸網(wǎng)之間的等效電容；C23——直流接觸網(wǎng)和無電區(qū)接觸網(wǎng)之間的等效電容；K1、K2——為等效切換開關(guān)。圖3 雙制式列車通過錨段關(guān)節(jié)式電分相等值電路模型Fig.3 Equivalent circuit model of dual-system locomotive passing through anchor joint electrical separation phase

當(dāng)雙制式列車受電弓短接中性線和交流接觸網(wǎng)時(shí)，等效于開關(guān)K1由斷開狀態(tài)轉(zhuǎn)為閉合狀態(tài)，如圖4所示。由圖4可知，此時(shí)列車過分相過程所產(chǎn)生的暫態(tài)電壓主要與交流接觸網(wǎng)電壓源、中性線上原有感應(yīng)電壓及中性段電氣參數(shù)有關(guān)。

圖4 列車從交流段進(jìn)入中性段時(shí)的等值電路模型Fig.4 Equivalent circuit model of train entering neutral section from AC section

當(dāng)列車受電弓與交流接觸網(wǎng)斷開連接、僅與中性線接觸時(shí)，等效于開關(guān)K1由閉合狀態(tài)轉(zhuǎn)為斷開狀態(tài)，如圖5所示。由圖5可知，此時(shí)列車過分相過程所產(chǎn)生的暫態(tài)電壓主要與中性線上原有感應(yīng)電壓和中性段電氣參數(shù)有關(guān)。

圖5 列車受電弓與交流段接觸線分離時(shí)的等值電路模型Fig.5 Equivalent circuit model of train pantograph and AC section contact line separation

當(dāng)列車通過中性段后，受電弓從僅與中性線連接轉(zhuǎn)為短接中性線和直流段接觸線，等效于開關(guān)K2由斷開狀態(tài)轉(zhuǎn)為閉合狀態(tài)，如圖6所示。由圖6可知，此時(shí)列車過分相過程所產(chǎn)生的暫態(tài)電壓主要與中性線上原有感應(yīng)電壓、中性段電氣參數(shù)及直流側(cè)接觸網(wǎng)電壓源有關(guān)。

圖6 受電弓短接中性線與直流段接觸線時(shí)的等值電路模型Fig.6 Equivalent circuit model of pantograph shorting neutral line and DC contact line

當(dāng)列車駛出電分相，受電弓與中性線斷開連接，僅與直流段接觸線相連，等效于開關(guān)K2由閉合狀態(tài)轉(zhuǎn)為斷開狀態(tài)，如圖7所示。由圖7可知，此時(shí)列車駛?cè)胫绷鱾?cè)與中性線斷開連接，由于直流側(cè)采用雙邊供電，等值電路難以發(fā)生振蕩。

圖7 受電弓僅與直流段接觸線連接時(shí)的等值電路模型Fig.7 Equivalent circuit model when the pantograph is only connected to the DC contact line

3 雙制式列車過分相仿真與分析

3.1 列車過分相暫態(tài)過程仿真與分析

根據(jù)上文的等值電路模型，本文建立了雙制式列車過錨段關(guān)節(jié)式電分相時(shí)的MATLAB/Simulink仿真模型，如圖8所示。

圖8 雙制式列車過錨段關(guān)節(jié)式電分相仿真模型Fig.8 Simulation model of dual-system locomotive passing through anchor joint electrical separation phase

利用開關(guān)的閉合與斷開狀態(tài)模擬雙制式列車進(jìn)出錨段關(guān)節(jié)式電分相全過程，得到暫態(tài)過電壓波形如圖9～11所示。

圖9 受電弓短接交流接觸網(wǎng)與中性線時(shí)的暫態(tài)電壓Fig.9 Transient voltage of pantograph short-connected AC catenary and neutral line

圖10 受電弓與交流接觸網(wǎng)斷開時(shí)的暫態(tài)電壓Fig.10 Transient voltage of disconnection between pantograph and AC catenary

圖11 列車進(jìn)入直流側(cè)時(shí)的暫態(tài)電壓Fig.11 Transient voltage of locomotive entering DC side

由圖9可知，當(dāng)列車受電弓同時(shí)接觸交流接觸網(wǎng)與中性線時(shí)，將造成等值電路改變，從而引發(fā)振蕩，產(chǎn)生較大的暫態(tài)過電壓。由圖10可知，在受電弓與交流接觸網(wǎng)斷開時(shí)，過電壓現(xiàn)象不明顯，這主要是因?yàn)殡p制式列車采用了電阻分壓式的網(wǎng)壓互感器。由圖11可知，在受電弓短接直流接觸網(wǎng)與中性線時(shí)，因等值電路的變化產(chǎn)生了劇烈的過電壓現(xiàn)象，對直流接觸網(wǎng)的安全運(yùn)行造成極大威脅。但隨后在受電弓與中性線斷開連接時(shí)，由于直流側(cè)雙邊供電及中性線長度較短等原因，等值電路的變化未引起暫態(tài)振蕩。

3.2 列車過分相暫態(tài)過程的影響因素分析

3.2.1 接觸網(wǎng)電壓相位角

列車過關(guān)節(jié)式電分相暫態(tài)過程中，中性線上的電壓幅值與交流側(cè)供電電源相位有關(guān)。改變交流側(cè)電源的初始相位，得到該暫態(tài)過程暫態(tài)電壓峰值與交流接觸網(wǎng)電壓相位角的關(guān)系如圖12所示。由圖12可知，列車過分相時(shí)所產(chǎn)生的暫態(tài)過電壓幅值與交流接觸網(wǎng)電壓相位角有關(guān)，且存在一定的隨機(jī)性。當(dāng)交流接觸網(wǎng)電壓相位角為90°時(shí)，交流側(cè)過電壓達(dá)到64.11 kV，為交流側(cè)額定電壓的2.56倍。此時(shí)直流側(cè)過電壓達(dá)到13.83 kV，為直流側(cè)額定電壓的9.22倍，存在一定的安全隱患。

圖12 不同交流接觸網(wǎng)電壓相位角下的暫態(tài)電壓仿真Fig.12 Transient voltage simulation diagram at different voltage phase angles of AC catenary

3.2.2 牽引網(wǎng)諧波

上述模型中使用的均為理想電壓源，但實(shí)際線路中由于非線性負(fù)載的接入，接觸網(wǎng)電壓含有一定的諧波電壓。本文以我國某城市軌道交通線路為案例，取該線路的實(shí)測數(shù)據(jù)作為電壓源進(jìn)行仿真分析，得到的仿真結(jié)果如圖13～14所示。

圖13 諧波作用下受電弓短接交流接觸網(wǎng)與中性線時(shí)交流側(cè)的暫態(tài)電壓仿真Fig.13 AC side transient voltage simulation of pantograph short-connected AC catenary and neutral line under harmonic action

圖14 諧波作用下受電弓短接直流接觸網(wǎng)與中性線時(shí)直流側(cè)的暫態(tài)電壓仿真Fig.14 DC side transient voltage simulation of pantograph short-connected DC catenary and neutral line under harmonic action

由圖13～14可知，當(dāng)接觸網(wǎng)電壓含有一定的諧波分量時(shí)，雙制式列車過分相過電壓現(xiàn)象將加劇。在諧波作用下，列車受電弓短接交流接觸網(wǎng)與中性線時(shí)的過電壓可達(dá)91.84 kV，短接直流接觸網(wǎng)與中性線時(shí)的過電壓可達(dá)19.13 kV。為保障雙制式牽引供電系統(tǒng)的正常運(yùn)行，建議在軌道交通線路設(shè)計(jì)時(shí)加裝過分相暫態(tài)過電壓抑制裝置。

4 雙制式列車過分相設(shè)計(jì)的優(yōu)化方案

在牽引供電系統(tǒng)中，阻容保護(hù)器裝置常用于抑制列車過關(guān)節(jié)式電分相時(shí)產(chǎn)生的暫態(tài)過電壓。其原理是通過改變中性段的電氣結(jié)構(gòu)，使列車過分相過程的等值電路不發(fā)生振蕩，進(jìn)而有效控制暫態(tài)過電壓。

在雙制式牽引供電系統(tǒng)中，阻容保護(hù)器電阻值和電容值的選取不僅要保證列車進(jìn)出交流側(cè)接觸網(wǎng)時(shí)能降低暫態(tài)電壓的峰值，還要保證列車進(jìn)出直流側(cè)接觸網(wǎng)時(shí)的短時(shí)最高暫態(tài)電壓和最低暫態(tài)電壓均不超標(biāo)。為此結(jié)合文獻(xiàn)[7]，本文確定阻容保護(hù)器的電容值為0.12 μF，電阻值為150 Ω。

本文對交流接觸網(wǎng)電源初始相位角為90°時(shí)列車受電弓短接交流接觸網(wǎng)與中性線、受電弓短接直流接觸網(wǎng)與中性線兩種工況下的暫態(tài)過程進(jìn)行仿真，得到加裝阻容保護(hù)器裝置后暫態(tài)電壓的波形如圖15～16所示。

圖15 安裝阻容保護(hù)器后受電弓短接交流接觸網(wǎng)與中性線時(shí)的暫態(tài)過電壓Fig.15 Transient overvoltage of pantograph short-connected AC catenary and neutral line after installing RC protector

圖16 安裝阻容保護(hù)器后列車進(jìn)入直流側(cè)時(shí)的暫態(tài)過電壓Fig.16 Transient overvoltage of the locomotive entering DC side after installing the RC protector

由圖15～16可知，阻容保護(hù)器裝置對抑制列車通過關(guān)節(jié)式電分相時(shí)所產(chǎn)生的過電壓效果明顯：受電弓短接交流接觸網(wǎng)與中性線時(shí)，暫態(tài)過電壓降至48.43 kV；受電弓短接直流接觸網(wǎng)與中性線時(shí)，短時(shí)最高電壓降至1 667 V，短時(shí)最低電壓升至1 636 V，符合GB/T 1402—2010《軌道交通 牽引供電系統(tǒng)電壓》的規(guī)定。

5 結(jié)論

本文建立了雙制式列車通過錨段關(guān)節(jié)式電分相過程的暫態(tài)模型，對列車過分相各個(gè)階段進(jìn)行了仿真分析，并提出了抑制過電壓的設(shè)計(jì)優(yōu)化方案。通過對以重慶市郊鐵路江跳線為案例進(jìn)行仿真，得到結(jié)論如下：

1) 雙制式列車在通過錨段關(guān)節(jié)式電分相時(shí)，在交流接觸網(wǎng)產(chǎn)生了64.11 kV的過電壓，在直流接觸網(wǎng)產(chǎn)生了13.83 kV的沖擊電壓。這對于列車和相關(guān)電氣設(shè)備而言，均存在一定的安全隱患。

2) 交流接觸網(wǎng)電壓相位角使得過電壓現(xiàn)象的發(fā)生存在隨機(jī)性，而諧波電壓將導(dǎo)致過電壓現(xiàn)象加劇。

3) 加裝阻容保護(hù)器裝置能夠改變中性段的電氣結(jié)構(gòu)，從而有效地抑制列車通過關(guān)節(jié)式電分相時(shí)所產(chǎn)生的過電壓。