CN111276975A - 一种抑制机车过分相时产生过电压与谐波的电路及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种抑制机车过分相时产生过电压与谐波的电路及方法，该电路一端与机车电分相的中性段电连接，其另一端接地，机车在过分相时与中性段和大地形成回路，该电路中的电阻R可用来消耗高频振荡的能量；而电感L因具有通低频阻高频的特性，所以流向R的工频电流将会减少，从而降低工频电流的消耗；而电容C则是因为其具有电压不能突变的特性，过电压上升速度将会得到减缓。该装置不仅能抑制过电压，同时还能构成一个二阶高通滤波器，滤除谐波，在电分相的中性段上加装该装置后可以降低过电压带来的危害。

Description

一种抑制机车过分相时产生过电压与谐波的电路及方法
技术领域
本发明涉及电网电压控制技术领域，更具体的说是涉及一种抑制机车过分相时产生过电压与谐波的电路及方法。
背景技术
在我国电气化铁路建设之初，采用的是27.5kV单相工频交流供电制式为电力机车供电。但是机车如果仅从三相供电网中的某一相取电，这便会导致供电网产生大量负序电流。为解决上述问题，电气化铁道采用分段换相供电。同时，为防止不同相之间发生短路，电气化铁路依靠空气和绝缘器件将各相隔离，这便是我们所说的电分相。而关节式电分相因不存在机械硬点，使得机车在过分相时，可以平滑地进入或驶出中性段，所以，被广泛运用于电气化铁道中。
目前，主流的自动过分相方案有两种，即机车断电自动过分相和地面自动过分相。由于机车断电自动过分相因存在断电时间长，致使机车在过分相时速度损失大等缺点，未得到广泛应用。目前使用较多为地面自动过分相，但是，该方案是实际使用过程中时常出现这样的问题：在实际中机车经过电分相时会产生过电压，这可能会导致机车放电间隙被击穿、牵引变电所跳匝等事故。
因此，如何提供一种能够抑制机车过分相时产生过电压与谐波的电路是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种抑制机车过分相时产生过电压与谐波的电路及方法，该电路一端接在电分相的中性段，另一端接地，机车在过分相时与中性段和大地形成回路，该电路不仅能有效的抑制过电压，同时还能构成一个二阶高通滤波器，滤除谐波，解决了地面自动过分相过程中产生过电压导致机车放电间隙被击穿、牵引变电所跳匝等问题。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一方面，本发明提供了一种抑制机车过分相时产生过电压与谐波的电路，所述电路一端与机车电分相的中性段电连接，其另一端接地，所述电路包括电阻R、电感L和电容C，所述电阻R与所述电感L并联组成并联电路，所述电容C与所述并联电路串联；
所述电阻R用于消耗高频振荡的能量；所述电感L通过减少流向R的工频电流降低工频电流的消耗；所述电容C用于降低过电压上升速度；
所述电阻R、电感L和电容C组成二阶高通滤波器，用于滤除谐波。
进一步地，所述电阻R、电感L和电容C的取值满足如下条件：
Figure BDA0002410844980000021
且
Figure BDA0002410844980000022
其中，f0为机车主变压器的自振频率。
具体地，由于当机车过分相产生过电压时，电感上电流不能突变，此时该装置与电网机车组成的回路方程为：
Figure BDA0002410844980000023
此方程临界值为：
Figure BDA0002410844980000024
当
Figure BDA0002410844980000031
时：
Figure BDA0002410844980000032
此时，回路处于欠阻尼状态，不会出现振荡过电压。所以，在RLC抑制装置中R满足
Figure BDA0002410844980000033
同时，为防止与机车主变压器产生共振，所以还需满足公式：
Figure BDA0002410844980000034
进一步地，所述电阻R、电感L和电容C组成的二阶高通滤波器，其阻抗频率特性为：
Figure BDA0002410844980000035
因为机车网侧变流器产生的37～43次，谐波频率可能与牵引网谐振频率重合，从而产生谐振，危及牵引网及设备安全。因此，上述装置的阻抗在37～43HZ时呈现低阻抗。
因此，根据上述公式可求出该装置中各器件的取值。
另一方面，本发明还提供了一种抑制机车过分相时产生过电压与谐波的方法，该方法使用上述的一种抑制机车过分相时产生过电压与谐波的电路，通过将上述电路一端接于电分相的中性段，另一端接地，机车在过分相时与中性段和大地形成回路，抑制机车过分相过程中中性段上的过电压和滤除谐波。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种抑制机车过分相时产生过电压与谐波的电路及方法，该装置中的电阻R可用来消耗高频振荡的能量；而电感L因具有通低频阻高频的特性，所以流向R的工频电流将会减少，从而降低工频电流的消耗；而电容C则是因为其具有电压不能突变的特性，过电压上升速度将会得到减缓。该装置不仅能抑制过电压，同时还能构成一个二阶高通滤波器，滤除谐波，在电分相的中性段上加装该装置后可以降低过电压带来的危害。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1附图为本发明提供的一种抑制机车过分相时产生过电压与谐波的电路的电路结构示意图。
图2附图为本发明实施例中机车过电分相及牵引网等效电路示意图；
图3附图为本发明实施例中机车进入电分相前电压波形示意图；
图4附图为本发明实施例中机车进入电分相中性段后电压波形示意图；
图5附图为本发明实施例中机车过分相过程中产生的谐波示意图；
图6附图为本发明实施例中加装抑制机车过分相时产生过电压与谐波的电路后电分相等效电路示意图；
图7附图为本发明实施例中抑制机车过分相时产生过电压与谐波的电路过电压抑制原理示意图；
图8附图为本发明实施例中加装抑制机车过分相时产生过电压与谐波的电路后中性段上电压波形示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参见附图1，本发明实施例公开了一种抑制机车过分相时产生过电压与谐波的电路，该电路一端与机车电分相的中性段电连接，其另一端接地，该电路包括电阻R、电感L和电容C，电阻R与电感L并联组成并联电路，电容C与并联电路串联；
电阻R用于消耗高频振荡的能量；电感L通过减少流向R的工频电流降低工频电流的消耗；电容C用于降低过电压上升速度；
电阻R、电感L和电容C组成二阶高通滤波器，用于滤除谐波。
本发明实施例还公开了一种抑制机车过分相时产生过电压与谐波的方法，该方法使用上述的一种抑制机车过分相时产生过电压与谐波的电路，通过将上述电路加装于机车与供电臂之间，电路一端接于电分相的中性段，另一端接地，机车在过分相时与中性段和大地形成回路，抑制机车过分相过程中中性段上的过电压和滤除谐波。
为了能进一步分析地面自动过分相电磁暂态过程，先对地面自动过分相建模。将理论分析与仿真结果结合起来，分析地面自动过分相在运行中的暂态过程。
锚段关节式电分相左右两侧供电臂长为25km，建立七跨关节式电分相的仿真模型，某高速铁路单线牵引网接触线采用CTMH250型号，承力索为JTMH220，钢轨型号为P60。将接触网各参数汇总如下表1所示：
表1接触网各线路参数统计表
Figure BDA0002410844980000061
取真空介电常数ε＝0.885×10-12F/m供电臂长度为l＝25km、接触网对地的等值深度D＝930m。根据Carson理论可分别计算出牵引网等效参数，其中接触线和承力索对地回路的单位长自阻抗，以及它们之间的互阻抗分别为：
Zj＝0.234+j0.739Ω/km (1)
Zc＝0.292+0.7408Ω/km (2)
Zjc＝0.05+j0.436Ω/km (3)
根据公式(1)～(3)可求出接触网对地回路单位长度阻抗为：
Figure BDA0002410844980000062
钢轨对地回路单位长度阻抗为：
Figure BDA0002410844980000063
钢轨对地回路与接触网对地回路的单位长度互阻抗为：
Figure BDA0002410844980000064
牵引网的单位长度阻抗为：
Figure BDA0002410844980000071
又因为供电臂长为25km，根据式(7)可求出牵引网等值电阻和电感为3.6Ω和0.025H。牵引网对地等值电容为：
Figure BDA0002410844980000072
式中，Rε和fc分别表示接触线的等效半径和承力索驰度。
根据这些参数，可建立如图2所示的机车过电分相时的牵引网等效电路模型。图2中机车模型由机车等效阻抗Z9、机车变压器励磁阻抗Z10、高压互感器Z11以及受电弓对地电容C6组成。CB3、CB4、CB5模拟的是机车在过分相的过程中，受电弓在接触网上的不同的位置。
机车在过分相过程中，受电弓与接触网接触位置的时刻变化，致使牵引供电系统内部电路结构发生变化，从而发生电磁能量的突变引起过电压。机车在过分相的过程中可分为三个阶段，三个阶段电压变化如下：
(1)在进入中性段之前，机车在供电臂A上运行并由其供电。当机车即将进入中性段时，中性段与供电臂A相连，使机车能带电过分相。此时电压如图3所示。当CB1闭合时，中性段电压由感应电压变为牵引变压器电压，此时电压值明显变大。
(2)当机车进入中性段一段时间后，CB1打开，中性段与供电臂A断开连接。供电臂A停止给机车供电。此时，机车上的感性负载的能量将逐渐转移到中性段对地电容上，形成一个强烈的二阶振荡，中性段上产生截流过电压。
CB1断开后，在经过一个短时间的延时后CB2闭合，在这个短时间的延时过程中，机车上仍然存在电流，该电流在机车主变压器一次侧产生电压，因为此时机车处于中性段，该电压与中性线感应电压叠加产生中性线残压。
如果中性线残压与供电臂上电压源UB存在瞬态压差，在CB2闭合后，中性线对地电容和接触网上阻抗产生一个振荡过程，该过程中，各点响应的暂态分类和稳态分量相位相同时，则会产生合闸过电压。中性段上电压如图4所示。
(3)机车离开中性段后CB2断开，中性段与供电臂B断开连接，机车完成过分相。
交流电力机车是牵引供电系统中最主要的谐波源，主要由网侧变流器中PWM控制中开关元件高频切换引起的。机车处于牵引网不同位置时，其两侧牵引网将呈现出不同阻抗特性，当两侧阻抗可分别等效为容性阻抗和感性阻抗且两侧阻抗参数发生并联谐振匹配时，谐振将引起机车压严重畸变，从而威胁到牵引网的安全性与稳定性。
机车过分相过程中产生的谐波如图5所示，机车产生的谐波可能在电网中引起并联谐振和串联谐振，此时谐波电流将会急剧加大，同时叠加在基波电压上的谐波电压也会急剧加大，从而引起过电压，导致机车空间间隙被击穿、变电所跳匝等事故，从而影响铁路的安全运行。所以，要解决这个问题不仅要抑制机车过分相时产生的操作过电压，还要滤除网侧变流器产生的谐波。
其中抑制操作过电压可采用以下几种方法：
(1)使用IGBT等可控制通断时间的器件来改变通断时电压电流的相角；
(2)在线路上加装保护装置，如阻容吸收装置、氧化锌避雷器(MOA)等。
抑制谐波有两种方法：
①针对机车上的网侧变流器进行治理，即针对其控制方法和拓扑结构提出抑制谐波的方法；
②加装滤波装置。
而RLC不仅可组成一个高通滤波器来滤除谐波，同时该装置中RC还可组成阻容吸收器来抑制操作过电压。因此本实施例提出在中性段加装RLC装置来解决过电压问题。加装RLC装置的电分相等效电路图如图6所示。
RLC装置抑制过电压的原理如图7所示，其中电阻R可用来消耗高频振荡的能量；而电感L因具有通低频阻高频的特性，所以流向R的工频电流将会减少，从而降低工频电流的消耗；而电容C则是因为其具有电压不能突变的特性，过电压上升速度将会得到减缓。
当开关CB1闭合时，因为电感上电流不能突变，此时回路方程为：
Figure BDA0002410844980000091
此方程临界值为：
Figure BDA0002410844980000092
当
Figure BDA0002410844980000093
时：
Figure BDA0002410844980000094
此时，回路处于欠阻尼状态，不会出现振荡过电压。所以，在RLC抑制装置中R满足
Figure BDA0002410844980000095
同时，为防止与机车主变压器产生共振，所以还需满足公式：
Figure BDA0002410844980000096
其中，f0为机车主变压器自振频率，约为12kHz。
RLC装置不仅能抑制过电压，同时还能构成一个二阶高通滤波器，滤除谐波，其结构如图1所示。其阻抗频率特性为：
Figure BDA0002410844980000101
又因为机车网侧变流器产生的37～43次谐波频率可能与牵引网谐振频率重合，从而产生谐振，危及牵引网及设备安全。因此，RLC装置的阻抗在37～43HZ时呈现低阻抗。
因此，根据公式(9)～(13)可求出RLC装置中各器件取值，电阻R可取20Ω，电感L可取300μH，电容C可取21μF。
建立仿真模型，模拟中性段加装RLC装置以后，机车过分相过程中中性段上的电压如图8所示，已基本抑制过电压和滤除谐波。
综上所述，本发明实施例公开的抑制机车过分相时产生过电压与谐波的电路及方法，与现有技术相比，具有如下优点：
该装置中的电阻R可用来消耗高频振荡的能量；而电感L因具有通低频阻高频的特性，所以流向R的工频电流将会减少，从而降低工频电流的消耗；而电容C则是因为其具有电压不能突变的特性，过电压上升速度将会得到减缓。该装置不仅能抑制过电压，同时还能构成一个二阶高通滤波器，滤除谐波，在电分相的中性段上加装该装置后可以降低过电压带来的危害。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (4)

1.一种抑制机车过分相时产生过电压与谐波的电路，其特征在于，所述电路一端与机车电分相的中性段电连接，其另一端接地，所述电路包括电阻R、电感L和电容C，所述电阻R与所述电感L并联组成并联电路，所述电容C与所述并联电路串联；
所述电阻R用于消耗高频振荡的能量；所述电感L通过减少流向R的工频电流降低工频电流的消耗；所述电容C用于降低过电压上升速度；
所述电阻R、电感L和电容C组成二阶高通滤波器，用于滤除谐波。
2.根据权利要求1所述的一种抑制机车过分相时产生过电压与谐波的电路，其特征在于，所述电阻R、电感L和电容C的取值满足如下条件：
Figure FDA0002410844970000011
且
Figure FDA0002410844970000012
其中，f0为机车主变压器的自振频率。
3.根据权利要求2所述的一种抑制机车过分相时产生过电压与谐波的电路，其特征在于，所述电阻R、电感L和电容C组成的二阶高通滤波器，其阻抗频率特性为：
Figure FDA0002410844970000013
4.一种抑制机车过分相时产生过电压与谐波的方法，其特征在于，该方法使用如权利要求1-3任一项所述的一种抑制机车过分相时产生过电压与谐波的电路，通过将权利要求1-3任一项所述的装置加装于机车与供电臂之间，抑制机车过分相过程中中性段上的过电压和滤除谐波。
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