高速列車(chē)帶載斷電暫態(tài)特性研究

潘登麟

摘要：高速列車(chē)運(yùn)行途中，可能遇到因?yàn)橥獠凯h(huán)境造成帶載斷電的工況。本文通過(guò)建立簡(jiǎn)化電路模型，分析列額定功率分閘所產(chǎn)生的電磁暫態(tài)過(guò)程的機(jī)理，并通過(guò)建立精確電路模型仿真分析，進(jìn)一步研究額定功率分閘時(shí)的電磁暫態(tài)特性。仿真結(jié)果表明，帶載分閘過(guò)程中，可產(chǎn)生相比空載合閘更為強(qiáng)烈的暫態(tài)過(guò)程，高壓電纜外層耦合電壓最高可達(dá)近20000V，持續(xù)約40μs時(shí)間，瞬態(tài)電纜電流可達(dá)2000A。在列車(chē)整車(chē)電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，可采取提高系統(tǒng)阻尼或是吸收暫態(tài)電能的方式，來(lái)提升整車(chē)電氣系統(tǒng)性能。

關(guān)鍵詞：高速列車(chē);分閘;電磁暫態(tài)

0? 引言

和各類(lèi)高壓電氣系統(tǒng)一樣，高速列車(chē)設(shè)置有切除全列負(fù)載的高壓斷路器。根據(jù)操作要求，需要在切除主負(fù)載的情況下，再進(jìn)行分閘斷電操作。但特殊情況下，受外部環(huán)境影響，也會(huì)因保護(hù)邏輯啟動(dòng)帶載斷電。當(dāng)前國(guó)內(nèi)外，對(duì)高速列車(chē)空載分合閘時(shí)產(chǎn)生的操作過(guò)電壓研究較多。文獻(xiàn)[1]對(duì)通過(guò)對(duì)列車(chē)空載合斷的機(jī)械及電磁特性進(jìn)行分析，指出了變壓器對(duì)地電容是操作過(guò)電壓的重要影響因素，并提出了采用RC裝置濾波的方式減小操作過(guò)電壓。文獻(xiàn)[2]通過(guò)對(duì)車(chē)載真空斷路器空載合閘電磁暫態(tài)過(guò)程的仿真分析，對(duì)合閘角和過(guò)電壓之間的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行研究。盡管對(duì)高速列車(chē)操作過(guò)電壓的研究已取得一系列成果，但對(duì)帶載斷電工況研究仍然較少。鑒于該工況有著不亞于操作過(guò)電壓的影響，本文選取國(guó)內(nèi)某型號(hào)高速列車(chē)為代表，對(duì)高速列車(chē)帶載斷電的電磁暫態(tài)特性進(jìn)行研究。

1? 高速列車(chē)帶載斷電機(jī)理分析

高速列車(chē)的高壓供電系統(tǒng)由受電弓、高壓電纜及高壓斷路器組成。當(dāng)列車(chē)額定功率運(yùn)行時(shí)，單是輸出的牽引功率就可達(dá)近9000kW。列車(chē)按要求切斷負(fù)載后再分閘操作時(shí)，不會(huì)造成電網(wǎng)波動(dòng)或是浪涌沖擊。但當(dāng)列車(chē)遭遇外部環(huán)境變化如電網(wǎng)波動(dòng)導(dǎo)致高壓斷路器斷開(kāi)時(shí)，由于列車(chē)系統(tǒng)的感性效應(yīng)，將產(chǎn)生感應(yīng)電流并需經(jīng)過(guò)高壓部件及車(chē)體、接地電阻進(jìn)行釋放?，F(xiàn)建立高速列車(chē)額定功率分閘的簡(jiǎn)化電路模型，分析其暫態(tài)過(guò)程產(chǎn)生機(jī)理。

根據(jù)我國(guó)高速鐵路典型供電方式，由牽引變電所提供25kV單相交流電，經(jīng)由接觸網(wǎng)為高速列車(chē)提供電能。高速列車(chē)額定功率分閘可簡(jiǎn)化為圖1所示的電路。各電氣元件均視為集中參數(shù)元件，其含義如圖中標(biāo)注。

分閘即K斷開(kāi)時(shí)，列微分方程求解uc（t）及i（t），得

其中K、λ、α、β由簡(jiǎn)化電路中的各元件參數(shù)決定。上式可知，i（t）、uC（t）均為震蕩衰減，峰值與列車(chē)自身參數(shù)及供電電源相位角相關(guān)。

對(duì)于變壓器側(cè)，由于高壓斷路器的滅弧功能，可吸收大量的暫態(tài)電能，涉及的暫態(tài)過(guò)程可予以忽略。

2? 高速列車(chē)帶載斷電仿真分析

進(jìn)一步建立精確電路模型并仿真。首先建立圖2所示的分閘等效電路，各元件符號(hào)及參數(shù)[3-4]如圖中標(biāo)注。

使用Matlab/Simulink軟件，令時(shí)間t=0.01s，K由合變?yōu)閿噙M(jìn)行仿真，可得各車(chē)車(chē)體耦合電壓及高壓電纜內(nèi)部暫態(tài)電流波形。根據(jù)仿真結(jié)果，各車(chē)頂耦合電壓峰值由小到大依次為01≈07≈08≈0V<02<04=05=06<03≈20000V，選取最高電壓的圖3進(jìn)行分析?？梢钥闯?，電壓峰值為近20000V，約40μs衰減完畢，電纜瞬態(tài)電流達(dá)2000A。整個(gè)暫態(tài)過(guò)程中，因各車(chē)車(chē)頂電勢(shì)的差異，可能形成暫態(tài)的局部環(huán)流，驗(yàn)證可能對(duì)弱電系統(tǒng)造成影響。綜合分析，列車(chē)分閘后，由于牽引網(wǎng)、車(chē)體電路的感性效應(yīng)，和高壓電纜對(duì)車(chē)頂?shù)碾娙菪?yīng)，將在牽引網(wǎng)、高壓電纜和高壓電纜對(duì)屏蔽層間形成震蕩，震蕩頻率取決于系統(tǒng)中1/的大小，衰減時(shí)間取決于振蕩電路中綜合輸入?yún)?shù)RLC的大小。

3? 結(jié)論

通過(guò)機(jī)理及仿真分析，可知高速列車(chē)帶載斷電時(shí)，將在高壓電纜及各車(chē)頂產(chǎn)生相比操作過(guò)電壓更為強(qiáng)烈的暫態(tài)過(guò)程。分閘后，高壓電纜瞬態(tài)電流可達(dá)2000A，通過(guò)屏蔽層耦合到車(chē)頂?shù)淖畲箅妷簽榻?0000V，約40μs衰減完畢。在高壓電纜設(shè)計(jì)及運(yùn)用檢修中，需考慮長(zhǎng)期尖峰電流沖擊對(duì)高壓電纜、電纜終端的絕緣性能造成的影響。根據(jù)影響因素分析，可考慮增大系統(tǒng)輸入感抗來(lái)抑制浪涌，或是設(shè)計(jì)浪涌吸收電路吸收浪涌，從而提高列車(chē)弱電控制系統(tǒng)的可靠性。

參考文獻(xiàn)：

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