电气化铁路过关节式电分相过电压分析与防护

摘要：电力机车通过关节式电分相时，多次发生过电压现象，导致牵引变电所跳闸，对接触网和牵引变电所的安全运行构成严重影响。关节式电分相是一种适应机车高速运行的电分相，为了适应电力机车的高速运行，过关节式电分相作为一种的新型电分相装置广泛应用在我国铁路牵引供电系统中。如何抑制高速电力机车过电分相时不产生过电压是广大电气化铁路科研工作者研究的一个重要课题。

关键词:电气化铁路；电力机车；关节式电分相；过电压

电分相概述电分相是接触网的关键结构之一。电气化铁道牵引变电所向接触网供电的馈线是不同相序的，不同相供电臂在接触网的相交处设置了绝缘结构，称电分相。电力机车的负载为单相负载，接触网供电方式为换相供电。本文通过对过关节式电分相装置进行分析并提出可靠的过电压防护措施，以满足客运专线电力机车安全通过过关节，保证客运专线的安全可靠运行。

一、关节式电分相

客运专线电气化铁路的牵引动力是电力机车，由于机车本身不是动力源，所需能源由铁路牵引供电系统提供。我国铁路接触网电分相设计采用七跨式双绝缘锚段关节形式，随着电力机车速度的不断提高，特别是动力车组的投入运行要求双弓间距不小于190m，将七跨电分相改为八跨电分相。为了保证高速电力机车顺利进行电源分相，保证铁路牵引供电网实现相与相之间电气隔离，必须在电力机车换相处加装电分相装置。

二、电分相过电压研究现状

电力机车在运行过程中，频繁的通过各个供电段之间的电分相装置，在分相短暂的瞬间供电系统由一相换为另一项必然会出现从一个电气参数量变化为另外一个电气参数量，必然会产生电压电流等电磁参量的瞬时变化，从而导致过关节分相过电压事故的产生，一些铁路局均出现过锚段关节式电分相过电压问题，严重影响铁路的安全运营。

电力机车过关节式电分相过电压问题也成为铁路研究工作者的研究重点，引起我国相关铁路部门的高度重视。要加强对过锚段关节式电分相产生的过电压的机理和规律问题的研究，并提出科学合理的防范解决措施。

目前研究电力机车分相过电压的方法大致有两种：现场试验和模拟仿真。

1.现场试验

现场试验就是在现场合理结合理论分析和现场测量数据，找出过电压可能产生的原因。由于电力机车在分相过程中发生过电压后电压和电流参数的变化复杂，呈显明显的非线形特性，不能和理论完全结合等，所以此法要受到严重试验条件的限制。

2.模拟研究

电力机车分相过电压发生影响因素众多，模拟研究不可能完全考虑各种因素的影响，只能从实际出发对影响机车分相过电压因素作为模拟对象，对过电压现象作适当简化，即为近似模拟，只能为实际现场分析提供一个理论参考。

三、电分相过电压

1.八跨锚段关节式电分相

电力机车高速行驶通过接触网时会产生高压，如果采用器件式电气分段装置将会导致电气分段装置电气设备的损害。我国在高速客运铁路专线设计中电分相均采用锚段关节的电分相装置，电力机车采用锚段关节式电分相利用空气绝缘间隙来达到电分相的目的，实现电力机车完成“合”-“断”-“合”整个分相过程。

2.动态结构谐振过电压

电力机车通过电分相时，由于经过“合”-“断”-“合”整个分相过程，供电区电“断”“合”力牵引网的电气结构参数是动态变化的。电力机车过电分相通常表现为:电力机车在过电分相之前过电压未超过允许的范围，随着接触网受电弓移动，当受电弓同时与接触网供电臂和中性嵌入线相连时极易发生电弧，即电力机车带电进入中性嵌入线这个过程会产生两次电弧，严重得就会导致过电压。

经分析研究认为:电力机车过分相时产生过电压的主要原因应当是牵引系统电互感器所引起的。在整个分相过程中，受电弓、机车车顶高压引线的对地电容、中性嵌入线以及电压互感器四者相互磁通的参数配合下，形成了一个完整的谐振支路，由于整个谐振支路的参数是动态变化的，因此电力机车过分相过电压可称为动态结构谐振过电压。

电力机车过分相时相当于关节式电分相中性嵌入线与接触网“合”和“断”的过程，中性嵌入线上原有的电压值与过分相时的电压叠加就有可能产生电压波形的“峰”――相遇情况，从而导致过电分相过“峰”电压，当叠加后的的电压波峰大于车顶绝缘保护间隙所设定的最大电压峰值时，电力机车保护系统中的保护间隙将被击穿，如果此时受电弓与接触网还处于同一供电回路的话，产生的巨大的电压峰值反馈会变电所继电保护装置就会导致变电所二次保护装置动作而跳闸。

四、防范措施

1.RC保护装置

RC保护装置是铁路牵引电力系统中常用的一种抑制操作过电压的防护方法，她也用来抑制电力机车通过关节式电分相结构过程中产生的过电压。RC保护装置可以改变电路的工作状态，让振荡电路变成无振荡电路，从而过电压幅值降低到电力机车控制系统绝缘强度允许范围以内，防止对电力机车、接触网、关节式电分相结构以及牵引变电带来严重的损失，提高电力机车运营的可靠性。

2.金属氧化物避雷器（MOA）

接触网工作的额定电压为25kV，当电力机车通过电分相时，接触网电压大大超过25kV，称为过电压。这种高峰值电压会使绝缘子闪络、击穿等造成接触网设备损坏、变电所跳闸事故短路事故。避雷器虽然不能对过电分相过电压进行保护作用，但安装了避雷器后，可以限制电力机车过分相时过电压的幅度，能限制过电压幅值，减少过电压带来的危害。

五、结语

本文以八跨锚段关节电分相为例，对高速电力机车过关节式电分相产生过电压的原因进行了深入的分析，并针对研究结果提出了限制合理的高速电力机车过关节式电分相产生过电压对应的保护措施，为以后电力机车过电压保护提高一种理论研究视觉。

【参考文献】

[1]陈珩．电力系统稳态分析[M]．北京：中国电力出版社.1995．

[2]杨永林．韶山7E型电力机车[M]．北京：中国铁道出版社.2006．

[3]冯慈璋．电磁场[M]．北京：高等教育出版社.1983．

[4]刘明光，路延安，魏宏伟等.关节式电分相过电压试验研究[J]．电气化铁道.2007，（4）:15～17.