列车不停电过分相时，抑制过电压的最佳方法

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列车不停电过分相时，存在过电压和过电流现象，给电气化铁路带来不利影响。基于此，北京交通大学电气工程学院、国网北京丰台供电公司的研究人员王小君、毕成杰、金程、姚超，在2021年第1期《电工技术学报》上撰文，结合仿真数据研究了不同暂态过程中的过电压水平特性，分析了开关操作相角对过电压幅值的影响，研究了合闸角度、分相位置、剩磁大小等因素对过分相时的励磁涌流的影响程度。最后，针对不停电过分相过程，提出了三种过分相的优化策略及抑制措施，从控制难度、投资成本、抑制效果方面进行比较后，确定了晶闸管与阻容吸收装置搭配是最适合不停电过分相的优化策略。

现行电气化铁路中，为使单相的牵引负荷在三相电力系统中尽可能均匀分配，牵引网采用了轮换相序、分相分区供电的方案。为避免在换相时列车发生相间短路，分相分区处用绝缘器件或绝缘锚段关节分割相邻供电区，形成电分相，称作中性段（即为电分相）。过分相即为列车行驶过中性段的过程，目前最常见的过分相方式是车载式自动过分相，该方式需要多次列车主断路器动作，并存在过中性段时列车无牵引电流导致列车降速和无法达到运载量期望值的问题。

机车过分相时保持持续供电的地面式不停电过分相技术是未来发展的趋势。以三菱公司为代表的基于高压晶闸管阀组的带电过分相系统和以日本“明电舍”为代表的使用机械开关带电过分相系统是目前比较常见的不停电过分相装置，但是它们仍存在短时失电，实际运行效果并不理想。2017年，由中国中车承担的“先进轨道交通”国家重点研发计划项目对“虚拟同相柔性供电技术”开展了技术研究与示范，提出了一种柔性不断电过分相装置，具有较好的先进性，但是尚未规模化应用。

在带电过分相的整个过程中，列车从一个稳定状态切换到另一个稳定状态，电气量不断变化，锚段关节处往往伴随过电压、过电流的暂态过程，可能引发烧毁车顶设备等安全问题。所以列车过分相的暂态过程分析及其抑制措施研究十分重要。

地面式自动过分相采用锚段关节式的电分相结构，在图1中，Q1、Q2是在绝缘锚段关节侧起连接作用的真空开关，用于接通与断开中性段和其两侧的接触网，CG1~CG4是在地上安装的传感器，用于监测机车的位置信息然后向开关发送控制信号，JY1、JY2代表分相区。通常Q1和Q2都保持断开，中性段处于不带电状态。

机车从左向右行驶，当接近传感器CG1时，传感器向开关Q1发送控制信号使其连通，这时A相供电臂向中性段提供牵引电流，当传感器CG2周围监测到机车接近时，传感器立即向开关Q1发送控制信号使其断开，并在较短时间后向开关Q2发送控制信号使其闭合，这时B相供电臂给中性段提供牵引电流。机车过分相时保持持续受流，并且没有增加对于机车的控制，所以这也被叫作机车不停电过分相。

不停电过分相方式无需对机车操作，列车失电时间短，速度损失小，适用于我国多车型的复杂铁路系统。其缺点是整个过程比较依赖开关的带负荷切换，对开关的机械和电气寿命要求较高，所以要考虑开关的在线备份和检修，投资较大；另外开关切换时可能出现较高过电压和过电流，对车网的运行形成严重威胁。

不间断过分相方式通过控制开关切换时间，可减少电弧产生，减少对弓网的冲击。整体上，相关研究缺少励磁涌流对过分相系统影响的分析，对不同抑制装置的横向分析比较也显得不足。

图1  地面式自动过分相

北京交通大学电气工程学院、国网北京丰台供电公司的研究人员对比了合闸过程过电压抑制三种方法，通过三种铁路过分相过电压抑制的装置（从控制难度、投资成本、抑制效果方面）的对比，得到最佳不停电过分相过电压抑制方法对比抑制效果，阻容吸收装置最好，而MOA避雷器只能够应对高值过电压。

1）控制难度。阻容吸收装置和金属氧化锌避雷器不需要附加控制措施，而合闸电阻需要增加额外设备控制其开关，其开关分合时间会影响对过电压的抑制效果。所以装设合闸电阻的方案控制难于另外两种，并且会引起额外的暂态过程。

2）投资成本。对于阻容吸收装置，仅需装设一组装置在中性段，因为电阻和电容决定其抑制效果，所以要求电阻电容具有较高的性能和质量。另外，长时间运行可能产生额外的损耗，对装置寿命有所减少，使得后期所需的维护费用升高；对于MOA，不需要安装在每个分相区，只要装设在车上，另外该装置具有无工频续流、通流能力强的优点，并能够多次放电释压，前期成本较少。

但本体的封装、装置上电阻片都可能产生故障，后期的MOA预防性试验也会提高成本；对于合闸电阻，需装设控制开关，提高了成本，另外频繁地动作开关也增加了对于开关的后期检修和维护成本。

3）抑制效果。对于阻容吸收装置，设定电阻为300Ω、电容为3µF，中性段上过电压降低了37.35%，合闸过程电压过渡平稳，并且很大程度地减少了中性段上的谐波含量和感应电压。但不足之处在于参数影响抑制效果较大，所以实际中需要通过多组试验取得最合适的参数。

对于金属氧化锌避雷器装置，设定起始电压后，中性段上过电压降低了18.81%，并且该装置也能够防护雷电过电压。但因为其具有非线性伏安特性，不能够将起始动作电压设定得过低，所以无法抑制低值过电压。对于合闸电阻装置，设定电阻为300Ω，合闸后中性段上过电压降低了23.71%。

北京交通大学电气工程学院、国网北京丰台供电公司的研究人员基于地面式不停电过分相方式，研究了过分相的暂态过程，分析了过电压的相关影响因素与产生机理，并且优化了列车过分相过程，使列车能够可靠、安全、稳定地通过分相区，得到如下结论：

1）开关带载合闸时可能造成较大励磁涌流，通过仿真分析了合闸励磁涌流与电压相位、剩磁通大小等多种因素之间的关系。

2）通过列车模型的仿真分析，探究了列车过分相四个不同的暂态过程中过电压幅值与操作相角之间的关系。对进一步研究过分相抑制提供有益指导。

3）针对不停电过分相中的分合闸暂态过程，提出了改善的方案，对方案优化效果进行比较，得出阻容吸收装置对不停电过分相具有最好优化效果的结论。

以上研究成果发表在2021年第1期《电工技术学报》，论文标题为“电气化铁路不停电过分相电磁暂态及抑制措施研究”，作者为王小君、毕成杰、金程、姚超。

下载论文PDF版，请点击左下角“阅读原文”，访问期刊网站。

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