- 頭條列車不停電過分相時，抑制過電壓的最佳方法2021-06-10 作者：王小君 畢成杰 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語列車不停電過分相時，存在過電壓和過電流現象，給電氣化鐵路帶來不利影響。基于此，北京交通大學電氣工程學院、國網北京豐臺供電公司的研究人員王小君、畢成杰、金程、姚超，在2021年第1期《電工技術學報》上撰文，結合仿真數據研究了不同暫態過程中的過電壓水平特性，分析了開關操作相角對過電壓幅值的影響，研究了合閘角度、分相位置、剩磁大小等因素對過分相時的勵磁涌流的影響程度。最后，針對不停電過分相過程，提出了三種過分相的優化策略及抑制措施，從控制難度、投資成本、抑制效果方面進行比較后，確定了晶閘管與阻容吸收裝置搭配是最適合不停電過分相的優化策略。
現行電氣化鐵路中，為使單相的牽引負荷在三相電力系統中盡可能均勻分配，牽引網采用了輪換相序、分相分區供電的方案。為避免在換相時列車發生相間短路，分相分區處用絕緣器件或絕緣錨段關節分割相鄰供電區，形成電分相，稱作中性段（即為電分相）。
過分相即為列車行駛過中性段的過程，目前最常見的過分相方式是車載式自動過分相，該方式需要多次列車主斷路器動作，并存在過中性段時列車無牽引電流導致列車降速和無法達到運載量期望值的問題。
機車過分相時保持持續供電的地面式不停電過分相技術是未來發展的趨勢。以三菱公司為代表的基于高壓晶閘管閥組的帶電過分相系統和以日本“明電舍”為代表的使用機械開關帶電過分相系統是目前比較常見的不停電過分相裝置，但是它們仍存在短時失電，實際運行效果并不理想。2017年，由中國中車承擔的“先進軌道交通”國家重點研發計劃項目對“虛擬同相柔性供電技術”開展了技術研究與示范，提出了一種柔性不斷電過分相裝置，具有較好的先進性，但是尚未規模化應用。
在帶電過分相的整個過程中，列車從一個穩定狀態切換到另一個穩定狀態，電氣量不斷變化，錨段關節處往往伴隨過電壓、過電流的暫態過程，可能引發燒毀車頂設備等安全問題。所以列車過分相的暫態過程分析及其抑制措施研究十分重要。
地面式自動過分相采用錨段關節式的電分相結構，在圖1中，Q1、Q2是在絕緣錨段關節側起連接作用的真空開關，用于接通與斷開中性段和其兩側的接觸網，CG1~CG4是在地上安裝的傳感器，用于監測機車的位置信息然后向開關發送控制信號，JY1、JY2代表分相區。通常Q1和Q2都保持斷開，中性段處于不帶電狀態。
機車從左向右行駛，當接近傳感器CG1時，傳感器向開關Q1發送控制信號使其連通，這時A相供電臂向中性段提供牽引電流，當傳感器CG2周圍監測到機車接近時，傳感器立即向開關Q1發送控制信號使其斷開，并在較短時間后向開關Q2發送控制信號使其閉合，這時B相供電臂給中性段提供牽引電流。機車過分相時保持持續受流，并且沒有增加對于機車的控制，所以這也被叫作機車不停電過分相。
不停電過分相方式無需對機車操作，列車失電時間短，速度損失小，適用于我國多車型的復雜鐵路系統。其缺點是整個過程比較依賴開關的帶負荷切換，對開關的機械和電氣壽命要求較高，所以要考慮開關的在線備份和檢修，投資較大；另外開關切換時可能出現較高過電壓和過電流，對車網的運行形成嚴重威脅。
不間斷過分相方式通過控制開關切換時間，可減少電弧產生，減少對弓網的沖擊。整體上，相關研究缺少勵磁涌流對過分相系統影響的分析，對不同抑制裝置的橫向分析比較也顯得不足。
圖1 地面式自動過分相
北京交通大學電氣工程學院、國網北京豐臺供電公司的研究人員對比了合閘過程過電壓抑制三種方法，通過三種鐵路過分相過電壓抑制的裝置（從控制難度、投資成本、抑制效果方面）的對比，得到最佳不停電過分相過電壓抑制方法對比抑制效果，阻容吸收裝置最好，而MOA避雷器只能夠應對高值過電壓。
1）控制難度。阻容吸收裝置和金屬氧化鋅避雷器不需要附加控制措施，而合閘電阻需要增加額外設備控制其開關，其開關分合時間會影響對過電壓的抑制效果。所以裝設合閘電阻的方案控制難于另外兩種，并且會引起額外的暫態過程。
2）投資成本。對于阻容吸收裝置，僅需裝設一組裝置在中性段，因為電阻和電容決定其抑制效果，所以要求電阻電容具有較高的性能和質量。另外，長時間運行可能產生額外的損耗，對裝置壽命有所減少，使得后期所需的維護費用升高；對于MOA，不需要安裝在每個分相區，只要裝設在車上，另外該裝置具有無工頻續流、通流能力強的優點，并能夠多次放電釋壓，前期成本較少。
但本體的封裝、裝置上電阻片都可能產生故障，后期的MOA預防性試驗也會提高成本；對于合閘電阻，需裝設控制開關，提高了成本，另外頻繁地動作開關也增加了對于開關的后期檢修和維護成本。
3）抑制效果。對于阻容吸收裝置，設定電阻為300Ω、電容為3μF，中性段上過電壓降低了37.35%，合閘過程電壓過渡平穩，并且很大程度地減少了中性段上的諧波含量和感應電壓。但不足之處在于參數影響抑制效果較大，所以實際中需要通過多組試驗取得最合適的參數。
對于金屬氧化鋅避雷器裝置，設定起始電壓后，中性段上過電壓降低了18.81%，并且該裝置也能夠防護雷電過電壓。但因為其具有非線性伏安特性，不能夠將起始動作電壓設定得過低，所以無法抑制低值過電壓。對于合閘電阻裝置，設定電阻為300Ω，合閘后中性段上過電壓降低了23.71%。
北京交通大學電氣工程學院、國網北京豐臺供電公司的研究人員基于地面式不停電過分相方式，研究了過分相的暫態過程，分析了過電壓的相關影響因素與產生機理，并且優化了列車過分相過程，使列車能夠可靠、安全、穩定地通過分相區，得到如下結論：
1）開關帶載合閘時可能造成較大勵磁涌流，通過仿真分析了合閘勵磁涌流與電壓相位、剩磁通大小等多種因素之間的關系。
2）通過列車模型的仿真分析，探究了列車過分相四個不同的暫態過程中過電壓幅值與操作相角之間的關系。對進一步研究過分相抑制提供有益指導。
3）針對不停電過分相中的分合閘暫態過程，提出了改善的方案，對方案優化效果進行比較，得出阻容吸收裝置對不停電過分相具有最好優化效果的結論。
以上研究成果發表在2021年第1期《電工技術學報》，論文標題為“電氣化鐵路不停電過分相電磁暫態及抑制措施研究”，作者為王小君、畢成杰、金程、姚超。
