潘登麟

摘要：高速列車運行途中，可能遇到因為外部環(huán)境造成帶載斷電的工況。本文通過建立簡化電路模型，分析列額定功率分閘所產(chǎn)生的電磁暫態(tài)過程的機理，并通過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的電磁暫態(tài)特性。仿真結(jié)果表明，帶載分閘過程中，可產(chǎn)生相比空載合閘更為強烈的暫態(tài)過程，高壓電纜外層耦合電壓最高可達(dá)近20000V，持續(xù)約40μs時間，瞬態(tài)電纜電流可達(dá)2000A。在列車整車電氣系統(tǒng)的設(shè)計過程中，可采取提高系統(tǒng)阻尼或是吸收暫態(tài)電能的方式，來提升整車電氣系統(tǒng)性能。

關(guān)鍵詞：高速列車;分閘;電磁暫態(tài)

0? 引言

和各類高壓電氣系統(tǒng)一樣，高速列車設(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，也會因保護(hù)邏輯啟動帶載斷電。當(dāng)前國內(nèi)外，對高速列車空載分合閘時產(chǎn)生的操作過電壓研究較多。文獻(xiàn)[1]對通過對列車空載合斷的機械及電磁特性進(jìn)行分析，指出了變壓器對地電容是操作過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電壓。文獻(xiàn)[2]通過對車載真空斷路器空載合閘電磁暫態(tài)過程的仿真分析，對合閘角和過電壓之間的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行研究。盡管對高速列車操作過電壓的研究已取得一系列成果，但對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電壓的影響，本文選取國內(nèi)某型號高速列車為代表，對高速列車帶載斷電的電磁暫態(tài)特性進(jìn)行研究。

1? 高速列車帶載斷電機理分析

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

根據(jù)我國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)為高速列車提供電能。高速列車額定功率分閘可簡化為圖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斷開時，列微分方程求解uc（t）及i（t），得

其中K、λ、α、β由簡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，峰值與列車自身參數(shù)及供電電源相位角相關(guān)。

對于變壓器側(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)過程可予以忽略。

2? 高速列車帶載斷電仿真分析

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，各元件符號及參數(shù)[3-4]如圖中標(biāo)注。

使用Matlab/Simulink軟件，令時間t=0.01s，K由合變?yōu)閿噙M(jìn)行仿真，可得各車車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?？梢钥闯觯妷悍逯禐榻?0000V，約40μs衰減完畢，電纜瞬態(tài)電流達(dá)2000A。整個暫態(tài)過程中，因各車車頂電勢的差異，可能形成暫態(tài)的局部環(huán)流，驗證可能對弱電系統(tǒng)造成影響。綜合分析，列車分閘后，由于牽引網(wǎng)、車體電路的感性效應(yīng)，和高壓電纜對車頂?shù)碾娙菪?yīng)，將在牽引網(wǎng)、高壓電纜和高壓電纜對屏蔽層間形成震蕩，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

通過機理及仿真分析，可知高速列車帶載斷電時，將在高壓電纜及各車頂產(chǎn)生相比操作過電壓更為強烈的暫態(tài)過程。分閘后，高壓電纜瞬態(tài)電流可達(dá)2000A，通過屏蔽層耦合到車頂?shù)淖畲箅妷簽榻?0000V，約40μs衰減完畢。在高壓電纜設(shè)計及運用檢修中，需考慮長期尖峰電流沖擊對高壓電纜、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)輸入感抗來抑制浪涌，或是設(shè)計浪涌吸收電路吸收浪涌，從而提高列車弱電控制系統(tǒng)的可靠性。

參考文獻(xiàn)：

[1]歐陽樂成，吳廣寧，高國強，李天鷙.車載真空斷路器操作過電壓及其保護(hù)研究[J].電工電能新技術(shù)，2013，32（02）：87-91.

[2]陳佳.牽引供電系統(tǒng)操作過電壓研究[D].北京交通大學(xué)，2016.

[3]董文哲.高速鐵路牽引供電系統(tǒng)電氣參數(shù)與仿真研究[D].中國鐵道科學(xué)研究院，2019.

[4]聶穎，胡學(xué)永.高速動車組升弓浪涌過電壓研究[J].機車電傳動，2013（04）：9-11.