电力机车自动过分相过电压分析
顾翼南，王毅，王宏
摘要：从原理上分析了电力机车地面自动过分相时，含有劈相机的机车行驶在中性段，在相控开关操作时系统的过渡过程，提出可以通过选择开关闭合时系统电压相位角的方法来避免过电压，并通过大型软件的仿真，证明了即使在不同现场条件下，该控制策略也切实可行。
关键词：电力机车；过电压；自动过分相；相控合闸；相控开关
Abstract: It is analysed theoreticaly that the electric locomotive with phase splitter makes the transitional current and over-voltage during auto-passing phase division with a phase selection strategy. A new control mode of intelligent phase division is put forward. On the basis of emulation, the study testifies the feasibility of the control mode under different phase division.
Key words: electric locomotive; over-voltage; auto-passing phase division; phasing closing；phasing switches
中图分类号：U225文献标识码：B文章编号：1007-936X(2009)03-00
1 问题提出
为了解决在陡坡和重载情形下，电力机车的运行效率和安全问题，有关单位将宝成线的2个分区所，由机车司机手动过分相改为地面自动过分相，且地面开关采用了相控开关。相控开关的最大特点是能够根据设定的最佳闭合相位角进行合闸操作，其时间精度为0.4 ms。实际运行中发现2个不同地方的分区所，同样是在相位角的90度处合闸，其合闸过电压的大小却相差很大。1#分区所是最早使用相控合闸技术的，自2004年运行至今，一切良好；而2007年投入试运行的2#分区所短时间内发生多次因相控开关的合闸过电压而击穿机车保护放电间隙，造成电网对地短路，引起变电所跳闸事故。因此，有必要对电力机车地面自动过分相时的过电压现象进行分析，以提出抑制其过电压的措施，确保列车安全运行。
2 合闸过电压产生机理的分析
2.1 地面自动过分相的原理
地面自动过分相的分区所一般采用的是带有中性段转换区的7跨式电分相锚段关节，在转换区两端设置空气绝缘锚段关节M、N，可保证机车受
作者简介：顾翼南.北京交通大学电气工程学院，硕士研究生，北京100044，电话：135********；
王毅.北京交通大学电气工程学院，教授；
王宏.沈阳亿佳三丰电气有限公司，工程师。
电弓在该处平稳过渡和连续受流。1FN、2FN是2台主用相控开关。见图1。
图1 系统接线及工作原理图
正常运行时（以机车从A区到B区为例），当机车驶入位置1时，相控开关1FN合闸，中性段换相区由A区供电；当机车驶入中性段换相区C 区的位置2时，相控开关1FN分闸，在检测到1FN 分闸后，闭合2FN，自动完成中性段换向区由A 区供电转换为B区供电的操作；机车通过换相区时，有0.1～0.15 s的失电时间。待机车进入位置3时，相控开关2FN分闸，中性段失电，恢复原始状态。
2.2 过电压的产生机理
我国既有的电力机车大多配置了劈相机，电力机车在过分相的失电期间（0.1～0.15 s），机车变压器的辅助绕组和异步辅助机群所构成的闭合回
路中仍有电流流通，同时辅助系统中的旋转设备也仍在旋转，因此有的电机表现为电动机，而有的则表现为发电机。这时可将辅助系统等效为一个电源，其上的电压耦合到主变压器的一次侧，该电压与中性线上的感应电压构成了残压，残压的大小与机车运行的级位以及投入的辅机数目有关。残压的频率、幅值、相位角随时间的变化而变化。
机车在通过分区所时断开相和待合相的关系可分为3种情况。第1种为断开相和待合相的相位角相同，记作A-A换相。第2种为断开相的相位角比待合相超前120?，记作A-B换相。第3种为断开相的相位角比待合相超前240?，记作A-C换相。以上3种不同的换相情况，直接影响到相控开关在闭合待合相时，施加在相控开关断口间的电压差，从而使合闸时的高频振荡（过渡过程）变得十分复杂。
由电路理论可知，在暂态过程中，电路上各点的响应是稳态和暂态分量的叠加，稳态分量为待合相的系统电压，频率为50 Hz；暂态分量频率为电路的固有频率，远远大于50 Hz。当振荡电压与稳态电压叠加时，就表现出过电压。仿真结果表明，过电压是因为合闸时电网与中性段有电压差，引起高频振荡所致，也与线路的分布参数等因素有关。
3 系统建模
（1）原始参数：供电变压器，25 MV A；供电方式，直供；供电区间，复线，长度20 km；机车型号，SS4型电力机车；过分相时间，100 ms。
（2）建模组件：供电变压器，饱和变压器；供电线路，等效电路；牵引变压器，多绕组可饱和变压器；辅机系统，劈相机、三相电动机、阻性负载。
（3）机车牵引系统：整流电路、牵引电动机。
建模采用的PSCAD是一款电力系统电磁暂态计算软件。该模型采用PSCAD建模的优点在于可仿真出劈相机的机电暂态过程。劈相机在过分相时由于机械惯性的影响仍然在旋转。这时可将其看做是一台发电机，但由于损耗的原因，频率和幅值均在衰减。这样可以较全面地模拟出电力机车过分相时劈相机的机电暂态过程。除此之外，该套软件还可模拟变压器的非线性特性（即铁心饱和的影响），所以可较真实地仿真出合闸涌流的大小。
4 仿真分析
前述2个分区所最大区别在于断开相和待合相的相序不同，所以本文主要仿真在各种换相条件下的合闸过电压。相控开关合闸时，待合相电压的相位角都设定为90?。在A-A换相的条件下，中性段上残压的初始相位角与断开相的相位角相同。失电时间100 ms时，残压相移为120?左右。
4.1 A-A换相（同相）时的过渡过程
仿真A-A换相时，中性段残压与待合相电压在相控开关的断口间形成20 kV的电压差，仿真得到过电压的峰值为60 kV（见图2）。
图2 A-A换相仿真曲线图
4.2 A-B换相（相位差为120?）时的过渡过程
仿真A-B换相时，中性段残压与待合相的电压的差值为21.5 kV，仿真得到过电压的峰值为63 kV（见图3）。
图3 A-B换相仿真曲线图
4.3 A-C换相（相位差为240?）时的过渡过程
仿真A-C换相，残压与待合相的电压的差值为53.9 kV，仿真得到过电压的峰值为88 kV（见图4）。
图4 A-C 换相仿真曲线图
仿真A-C 换相，残压与待合相的电压的差值为0 kV ，仿真得到过电压的峰值为40 kV （见图5）。
图5 待合相和残压相等时的波形图
根据上述仿真可以看出，过电压的大小与待合相电压和残压的差值直接相关。当相控负荷开关的闭合点在待合相和残压相等的时闭合，此时系统没有合闸谐振过程，也就没有过电压。过电压大小还与线路上有无其他机车及负载大小、过分相时机车的级位及分区所距变电所的远近和线路参数有关。
5 抑制过电压的措施
前述2个不同分区所的相控开关都是在待合相电压相位角90?时合闸，这样在不同的分区所（A-A 、A-B 、A-C ）现场条件下，所产生的过电压的大小也是不同的。根据资料显示，机车车头的放电间隙的击穿电压设定一般小于90 kV ，而机车实际运行时该放电间隙的击穿电压值具有分散性，一般在70～90 kV 之间。相同的控制方式对于机车A-C 过分相就要比A-B 过分相击穿放电间隙的几率大得多。
这就可以解释为什么在相同的控制系统和控制策略下2#分区所比1#分区所的过电压要大得多。
解决过电压的理想方法是控制开关在中性段的残压和待合相的电压相等时闭合。
考虑到现在已经投运的或正在改造的自动过
分相分区所，都不具备检测中性段残压的条件，如果在该情况下想要达到减小机车在自动过分相时的过电压，可采用只检测待合相电压，控制开关闭合在待合相电压的0?处，此时不论是A-A 、A-B 、A-C 方式过分相，都可以大大减小过电压，基本能将过电压控制在50 kV 以内。该方法的处理原理就是在不检测中性段残压的情况下，最大可能地减小中性段残压和待合相电压的差值，此时其差值的最大值为残压的幅值，通常情况下小于17 kV ，见图6。当然，此时若中性段的残压已衰减到零值，则会在车载变压器中出现较大的涌流，需另文讨论。
图6 待合相电压的0?处的波形图
6 结论
综上所述，抑制过电压的根本方法就是采用相控合闸技术，控制相控开关在中性段电压和待合相电压相等的位置闭合。不论是A-A 、A-B 、A-C 哪一种换相方式，不论机车负载的大小，不论线路参数的差异都可将合闸过电压控制在一个较小的范围内，保证列车安全运行。如果有一些相分段无法检测中性段的残压，可采用闭合在待合相电压的0?附近的方法来减小过电压的幅值。 参考文献：
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收稿日期：2009-01-30
Simulation and Analysis of Over-Voltage during Auto-passing Phase Division
Gu Yi Nan , Wang Yi , Wang Hong
(Beijing Jiaotong University)