自動過電分相過電壓仿真分析

1、自動過電分相過電壓仿真分析郭育華連級三鄒濱張代潤摘要：分析了自動過電分相合閘時產(chǎn)生過電壓的原因，建立了 SS型 電力機車過電分相合閘時的等效電路模型，并用PSPICE進行了仿真。1仿 真結(jié)果表明過電壓的存在，其大小與合閘時電網(wǎng)和中性段的殘壓差有關(guān)； 與過電分相機車的級位有關(guān)；與線路上有無其它機車及其負載大小有關(guān)。 最后提出了兩種抑制過電壓的方法，并對其抑制效果進行了仿真。關(guān)鍵詞：電力機車；自動過電分相；殘壓；過電壓；仿真 中圖分類號：U264文獻標識碼：ASimulation and Analysis of Over-Voltage duringAuto-Passing Phase Divis

2、ionGUO Yu-hua， LIAN Ji-san， ZU Bin，ZHANG Dai-yun(School of Electric Eng., Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China )Abstract: In this paper,the cause of over-voltage during switch-on in auto-passing phase division is analyzed. An equal circuit module of type SS electric locomotive is bui

3、lt and simulated via PSPICE. The result of simulation indicates that over-voltage exists and its intensity is relative of the difference between wire netting and remained voltage in middle section at the time of switch-on, the grade of locomotive, other locomotives and their load. Two measurements o

4、f restraining over-voltage are put forward and their effects are simulated. Keywords: electric locomotive; auto-passing phase division; remained voltage; over-voltage; simulation1問題的提出圖1是鄭州鐵路局西安科研所研制的相分段自動轉(zhuǎn)換裝置原理圖。 機車由A相駛向B相，當機車到達1CG處時，真空斷路器1ZK閉合，中 性段由A相供電，待機車進入中性段，到3CG處時，1ZK分斷，2ZK隨即 迅速閉合，中性段由A相供電轉(zhuǎn)向B

5、相供電，完成相間自動轉(zhuǎn)換。西安 科研所現(xiàn)場試驗中發(fā)現(xiàn)：當1ZK分斷后，2ZK閉合時在中性段通過電壓 互感器檢測到一次約80 kV的過電壓，并且后來多次發(fā)生因合閘過電壓擊穿機車上的放電間隙而不能恢復，造成電網(wǎng)對地短路，引起變電所跳 閘事故。圖1自動過電分相裝置原理圖2過電壓機理分析西安科研所現(xiàn)場試驗和作者實驗室模擬試驗都表明：在機車過電分 相的斷電期間，中性段仍有殘存電壓。這是因為斷電期間，在機車輔助 繞組和異步輔助機群構(gòu)成的閉合回路中，仍有電流流通，輔機系統(tǒng)仍有 轉(zhuǎn)速，這樣有的電機為電動機，有的則為發(fā)電機，文獻性中對異步機 群發(fā)電現(xiàn)象有較詳細的論述。殘壓的大小和相位與機車運行的級位以及 投入輔

6、機的數(shù)目有關(guān)，因而其大小和相位具有隨機性。合閘時，如合閘相電壓和中間殘壓有瞬態(tài)差，合閘后中性段對地電 容、牽引變壓器的對地分布電容與線路阻抗產(chǎn)生一個振蕩的暫態(tài)過程。 由電路理論可知，在暫態(tài)過程中，電路上各點的響應(yīng)是穩(wěn)態(tài)量和暫態(tài)分 量的迭加，穩(wěn)態(tài)分量為50 Hz，暫態(tài)分量為電路的固有頻率，遠遠大于 50 Hz。當暫態(tài)響應(yīng)與穩(wěn)態(tài)響應(yīng)同相迭加時，就表現(xiàn)出過電壓。仿真結(jié)果 表明，過電壓是因為合閘時電網(wǎng)與中性段有電壓差，引起過渡過程所致； 過電壓的大小與合閘時電網(wǎng)電壓和中性段殘壓的瞬態(tài)差大小有關(guān)；與線 路上有無其它機車及其負載大小有關(guān)；與過電分相機車的級位有關(guān)。3系統(tǒng)建模模型原始參數(shù)供電變壓器：25 M

7、VA供電方式：直供供電區(qū)間：復線、長度25 km機車型號：ss1型電力機車建模方法供電變壓器：理想電壓源加內(nèi)阻抗供電線路：n型等效電路牽引變壓器：根據(jù)結(jié)構(gòu)參數(shù)由PSPICE生成 輔機系統(tǒng)：用電壓源等效機車供電系統(tǒng)：單相中抽整流電路等效這里需要說明一下輔機系統(tǒng)的建模。輔機系統(tǒng)中的劈相機屬于不對 稱電機，建立動態(tài)數(shù)學模型十分困難，為了避免劈相機的動態(tài)建模，仿 真模型中用電壓源來模擬輔機系統(tǒng)。這一近似對分析過電壓是有效的， 因為過電壓存在的時間在0.1ms之內(nèi)，輔機系統(tǒng)中的磁場和轉(zhuǎn)速都不能 突變，輔機系統(tǒng)的電勢在合閘后0.1 ms之內(nèi)可認為按原來正弦變化。圖2系統(tǒng)等效電路模型的仿真仿真電路模型如圖2

8、所示，電路分三部分：(a)供電系統(tǒng)，(b)輔機 系統(tǒng)，(c)牽引主電路。電路中各參數(shù)的意義如下：vs供電變壓器電壓r Ls供電變壓器等效內(nèi)電阻、電感R：傘線路等效電阻C：C：、l“l(fā)l線路等效電容、電感l(wèi)”、R6-電壓互感器激磁電感、電阻R：、Cr -一阻容吸收電阻、電容2ZK真空開關(guān)R、L線路上其它機車負載等效電阻、電感sX切除串聯(lián)電阻真空開關(guān)Rx合閘串聯(lián)電阻C：機車主變壓器對地等效電感l(wèi)t、l、l、l 主變壓器繞組1 2F 2Q12Q2R、L折算到輔助繞的總等效電阻、電感vf輔機系統(tǒng)等效電壓RF (R )、L (L )折算到牽引繞組的等效電阻、電感R、L 波電抗和電樞的總電阻、電感P P

9、. . 一 ED電機反電勢D、D整流二極管R1 (R2)、C (C )整流回路的阻容吸收電阻、電容12124仿真分析(1 )過電壓與合閘時瞬態(tài)電壓差關(guān)系合閘時瞬態(tài)電壓差是過電壓產(chǎn)生的根本原因。仿真結(jié)果圖3和圖4 表明：瞬態(tài)響應(yīng)的大小取決于瞬態(tài)電壓差，瞬態(tài)電壓差越大，瞬態(tài)響應(yīng) 峰值越大，產(chǎn)生的過電壓也越大。Vf=198” sin(100 t+180圖 3 Vs=25Asin(100 t)kV,級，車速40 km/h瞬態(tài)電壓差最大時合閘川,手柄4川,手柄4圖 4 Vs=25皿sin(100 t)kV, VF=198sin(100 t+180級，車速40 km/h,瞬態(tài)電壓差為零時合閘圖3和圖4仿真

10、相同條件為Vs = 25 /Tsin(lOOi) fcVVf = 198 /2sin100 ? + 100) V機車級位：7級機車速度：40 km/h牽引電機電流：50 A線路上無其它機車不同條件為圖3合閘時瞬態(tài)電壓差最大。圖4合閘時瞬態(tài)電壓差為0。V是節(jié)點12的電壓，即機車主變壓器原邊電壓。圖3中V的峰 電壓為3 kV，圖4中沒有過電壓，過渡過程也不明顯。需要說明的是 圖3中的暫態(tài)響應(yīng)的過渡過程經(jīng)歷了多次振蕩才完成，實際中只有幾次 振蕩，這是因為高頻振蕩電流在線路上有很強的趨膚效應(yīng)，受到的阻尼 很強，而仿真模型中沒有考慮趨膚效應(yīng)。事實上，每次合閘都會發(fā)生暫 態(tài)振蕩過渡過程，但只有在網(wǎng)壓峰值附

11、近合閘時，網(wǎng)壓峰值與振蕩峰值 迭加才表現(xiàn)出過電壓。故下面分析中只考慮最嚴重的情況，即網(wǎng)壓與殘 壓相差180，且在網(wǎng)壓峰值處合閘，其它情況不另作分析。(2 )過電壓與機車級位關(guān)系機車級位越高，阻尼越大，過電壓越小。圖5是在機車級位為19, 車速40 km/h的仿真結(jié)果。與圖3比較，V(電壓峰值減小到57.5 kV。圖 5 Vs=25石sin(100 t)kV, V198 Asin(100 t+180)V,手柄 19級，車速40 km/h,瞬態(tài)電壓差最大時合閘Rfl-rin ataH-azK-l - - 1 - - - U 1 1 50 100150圖 6 Vs=25Asin(100 t)kV,

12、Vf=198左sin(100 t+180)V,手柄 4級，車速40 km/h,瞬態(tài)電壓差最大時合閘，其它機車負載電流200 A，相移系數(shù)0.8過電壓與線路有無機車的關(guān)系線路上如有其它機車，負載越大，阻尼也越大，過電壓越小。圖6是其它機車從電網(wǎng)取流200 A，相移系數(shù)為0.8，其它條件與圖3相同時 的仿真結(jié)果?？梢钥吹絍（i2）電壓峰值減小到60 kV。5抑制過電壓的措施從實驗和仿真結(jié)果都可以看到合閘過電壓的存在，過電壓最大值發(fā) 生在機車低級位，線路上無其它機車，瞬態(tài)電壓差最大，牽引網(wǎng)值處合 閘時。當電網(wǎng)電壓29 kV時，其最大值可能超過72.5 kV，見圖7,超過 65 kV引起放電間隙擊穿不

13、能恢復而造成接地，變電所跳閘。過電壓危 害還有：1.牽引變壓器遭波擊，局部過壓破壞絕緣；2.還可能通過匝 間電容耦合到變壓器的次邊，危及輔機系統(tǒng)和牽引電氣系統(tǒng)，因而必須 采取措施加以抑制。目前西安科研所在機車上改放電間隙為氧化鋅避雷器，達到了很好 吸收過電壓的效果。仿真過程中，作者對串聯(lián)電阻合閘和中性段加裝阻 容吸收電路的抑制效果進行了仿真，串聯(lián)電阻是為了抑制振蕩，加阻容 是為了吸收電壓尖峰。圖8是串入電阻（Rx=200 Q，其它條件與圖3相同時）的仿真結(jié) 果。V（i2）在2ZK合閘和R切除時都有過電壓，分別為45 kV和35 kV，都 小于63 kV。圖 7 VS=29sin(100 t)k

14、V,Vf=198 左 sin(100t+180)V,手柄 4級，車速40 km/h,瞬態(tài)電壓差最大時合閘圖 8 Vs=25/sin(100t)kV, Vf=198/T sin(100t+180)V,手柄 4 級,車速40 km/h,瞬態(tài)電壓差最大時合閘，串電阻Rx=200。圖 9 Vs=25/Tsin(100 t)kV, Vf=19Tsin(100 t+180)V,手柄 4級，車速40 km/h,瞬態(tài)電壓差最大時合閘，加裝阻容吸收電路Rc=500。C =4口 FCr圖9是在中性段加裝阻容吸收電路(Rc=500 Q ,CR=4 p F)時的仿 真結(jié)果，V過電壓為55 kV。C圖 10 VS=25/sin(100 t)kV, Vf=198“sin(100 t+180)V,手柄 4 級，車速40 km/h,瞬態(tài)電壓差最大時合閘，串電阻=200 。，加阻 容吸收電路Rc=500Q，CR=4p F X比較三種抑制措施，氧化鋅避雷器雖然能很好吸收過電壓，但如頻 繁動作，其吸收時的殘壓將增加，影響抑制效果；串電阻合閘有兩次過 電壓，影響機車過分相時的牽引力，但它除了能抑制過電壓之外，還能 抑制合閘