刘卫东 胥 伟 刘 飞 谢崇豪

(1. 中铁二院工程集团有限责任公司， 610031， 成都；2. 西南交通大学电气工程学院， 610031， 成都∥第一作者， 高级工程师)

我国干线铁路普遍采用交流供电制式，城市轨道交通主要采用直流供电制式。交直流双制式(以下简称“双制式”)作为一种新型的牵引供电系统技术，能够实现列车在铁路和城市轨道交通两种系统间的快速通行，满足互联互通的运营需求[1-2]。

双制式列车过分相时会出现电磁暂态过程，产生各类过电压，进而威胁牵引供电系统的正常运行。目前我国尚无双制式牵引供电系统的运营案例，也鲜见双制式列车过分相暂态过程的研究。文献[3]介绍了双制式牵引供电系统的构成，并对其主要设备选取等方面进行了研究。文献[4]对传统交流制式牵引供电系统过关节式电分相暂态过程进行了仿真研究，分析产生过电压的原因，并提出了过电压抑制措施。文献[5-6]对双制式电力列车供电模式切换过程的暂态特性进行了研究，分析了该类型列车牵引传动系统在供电模式切换过程中产生的暂态电压和电流冲击对接触网的影响，但并未考虑车-网耦合状态下双制式电力列车过分相过程对接触网造成的冲击。因此，研究双制式列车过分相过程所产生的过电压对交直流接触网网压造成的影响，优化双制式牵引供电系统电分相的设计方案，对双制式牵引供电系统的运维具有重要意义。

1 双制式牵引供电系统结构分析

重庆市郊铁路跳磴至江津线(以下简称“江跳线”)是我国首条采用双制式的轨道交通线路。本文以江跳线为案例进行双制式牵引系统的研究。该线位于重庆市的西南部，由东向西串联重庆轨道交通5号线、5号线支线、7号线和17号线，是该市江津区与主城区连接的主要快速通道。

江跳线从起点(跳蹬站)至中梁山隧道前的区段为直流侧，采用直流1 500 V架空接触网供电方式。其余区段为交流侧，采用单相工频25 kV交流制式、带回流线直接供电方式，并设有供列车交直流转换的区域。双制式牵引供电系统如图1所示。

图1 交直流双制式牵引供电系统示意图Fig.1 Schematic diagram of AC/DC dual-system traction power supply system

在设计近期，江跳线车辆采用双流制As型车，列车为6节编组，设有2个牵引受电单元。如图2所示，每个牵引受电单元装有2个受电弓，弓间距为13 m，且与母线连通；非连通受电弓的最大间距为73 m。

图2 交直流双制式列车牵引受电单元示意图Fig.2 Schematic diagram of AC/DC dual-system locomotive traction power receiving unit

2 双制式列车过分相过程等值模型

双制式列车在进入电分相之前，其主断路器需确保处于断开状态，因此过分相过程只有受电弓和网压互感器与牵引供电系统有电气联系。双制式列车通过锚段关节式电分相、由交流段行驶至直流段的等值电路如图3所示。

注：Uac——交流侧电压源；Udc——直流侧电压源；RS1、LS1——分别为交流变压器的等值电阻和电感；R1、L1——分别为交流侧接触网的等值电阻和电感；R2、L2、C2——分别为无电区中性线的等值电阻、电感和对地电容；RS2、LS2——分别为直流变压器的等值电阻和电感；R3、L3——分别为直流侧接触网的等值电阻和电感；Rc、Cc——分别为列车等效电阻和受电弓对地电容；C12——交流接触网和无电区接触网之间的等效电容；C23——直流接触网和无电区接触网之间的等效电容；K1、K2——为等效切换开关。图3 双制式列车通过锚段关节式电分相等值电路模型Fig.3 Equivalent circuit model of dual-system locomotive passing through anchor joint electrical separation phase

当双制式列车受电弓短接中性线和交流接触网时，等效于开关K1由断开状态转为闭合状态，如图4所示。由图4可知，此时列车过分相过程所产生的暂态电压主要与交流接触网电压源、中性线上原有感应电压及中性段电气参数有关。

图4 列车从交流段进入中性段时的等值电路模型Fig.4 Equivalent circuit model of train entering neutral section from AC section

当列车受电弓与交流接触网断开连接、仅与中性线接触时，等效于开关K1由闭合状态转为断开状态，如图5所示。由图5可知，此时列车过分相过程所产生的暂态电压主要与中性线上原有感应电压和中性段电气参数有关。

图5 列车受电弓与交流段接触线分离时的等值电路模型Fig.5 Equivalent circuit model of train pantograph and AC section contact line separation

当列车通过中性段后，受电弓从仅与中性线连接转为短接中性线和直流段接触线，等效于开关K2由断开状态转为闭合状态，如图6所示。由图6可知，此时列车过分相过程所产生的暂态电压主要与中性线上原有感应电压、中性段电气参数及直流侧接触网电压源有关。

图6 受电弓短接中性线与直流段接触线时的等值电路模型Fig.6 Equivalent circuit model of pantograph shorting neutral line and DC contact line

当列车驶出电分相，受电弓与中性线断开连接，仅与直流段接触线相连，等效于开关K2由闭合状态转为断开状态，如图7所示。由图7可知，此时列车驶入直流侧与中性线断开连接，由于直流侧采用双边供电，等值电路难以发生振荡。

图7 受电弓仅与直流段接触线连接时的等值电路模型Fig.7 Equivalent circuit model when the pantograph is only connected to the DC contact line

3 双制式列车过分相仿真与分析

3.1 列车过分相暂态过程仿真与分析

根据上文的等值电路模型，本文建立了双制式列车过锚段关节式电分相时的MATLAB/Simulink仿真模型，如图8所示。

图8 双制式列车过锚段关节式电分相仿真模型Fig.8 Simulation model of dual-system locomotive passing through anchor joint electrical separation phase

利用开关的闭合与断开状态模拟双制式列车进出锚段关节式电分相全过程，得到暂态过电压波形如图9～11所示。

图9 受电弓短接交流接触网与中性线时的暂态电压Fig.9 Transient voltage of pantograph short-connected AC catenary and neutral line

图10 受电弓与交流接触网断开时的暂态电压Fig.10 Transient voltage of disconnection between pantograph and AC catenary

图11 列车进入直流侧时的暂态电压Fig.11 Transient voltage of locomotive entering DC side

由图9可知，当列车受电弓同时接触交流接触网与中性线时，将造成等值电路改变，从而引发振荡，产生较大的暂态过电压。由图10可知，在受电弓与交流接触网断开时，过电压现象不明显，这主要是因为双制式列车采用了电阻分压式的网压互感器。由图11可知，在受电弓短接直流接触网与中性线时，因等值电路的变化产生了剧烈的过电压现象，对直流接触网的安全运行造成极大威胁。但随后在受电弓与中性线断开连接时，由于直流侧双边供电及中性线长度较短等原因，等值电路的变化未引起暂态振荡。

3.2 列车过分相暂态过程的影响因素分析

3.2.1 接触网电压相位角

列车过关节式电分相暂态过程中，中性线上的电压幅值与交流侧供电电源相位有关。改变交流侧电源的初始相位，得到该暂态过程暂态电压峰值与交流接触网电压相位角的关系如图12所示。由图12可知，列车过分相时所产生的暂态过电压幅值与交流接触网电压相位角有关，且存在一定的随机性。当交流接触网电压相位角为90°时，交流侧过电压达到64.11 kV，为交流侧额定电压的2.56倍。此时直流侧过电压达到13.83 kV，为直流侧额定电压的9.22倍，存在一定的安全隐患。

图12 不同交流接触网电压相位角下的暂态电压仿真Fig.12 Transient voltage simulation diagram at different voltage phase angles of AC catenary

3.2.2 牵引网谐波

上述模型中使用的均为理想电压源，但实际线路中由于非线性负载的接入，接触网电压含有一定的谐波电压。本文以我国某城市轨道交通线路为案例，取该线路的实测数据作为电压源进行仿真分析，得到的仿真结果如图13～14所示。

图13 谐波作用下受电弓短接交流接触网与中性线时交流侧的暂态电压仿真Fig.13 AC side transient voltage simulation of pantograph short-connected AC catenary and neutral line under harmonic action

图14 谐波作用下受电弓短接直流接触网与中性线时直流侧的暂态电压仿真Fig.14 DC side transient voltage simulation of pantograph short-connected DC catenary and neutral line under harmonic action

由图13～14可知，当接触网电压含有一定的谐波分量时，双制式列车过分相过电压现象将加剧。在谐波作用下，列车受电弓短接交流接触网与中性线时的过电压可达91.84 kV，短接直流接触网与中性线时的过电压可达19.13 kV。为保障双制式牵引供电系统的正常运行，建议在轨道交通线路设计时加装过分相暂态过电压抑制装置。

4 双制式列车过分相设计的优化方案

在牵引供电系统中，阻容保护器装置常用于抑制列车过关节式电分相时产生的暂态过电压。其原理是通过改变中性段的电气结构，使列车过分相过程的等值电路不发生振荡，进而有效控制暂态过电压。

在双制式牵引供电系统中，阻容保护器电阻值和电容值的选取不仅要保证列车进出交流侧接触网时能降低暂态电压的峰值，还要保证列车进出直流侧接触网时的短时最高暂态电压和最低暂态电压均不超标。为此结合文献[7]，本文确定阻容保护器的电容值为0.12 μF，电阻值为150 Ω。

本文对交流接触网电源初始相位角为90°时列车受电弓短接交流接触网与中性线、受电弓短接直流接触网与中性线两种工况下的暂态过程进行仿真，得到加装阻容保护器装置后暂态电压的波形如图15～16所示。

图15 安装阻容保护器后受电弓短接交流接触网与中性线时的暂态过电压Fig.15 Transient overvoltage of pantograph short-connected AC catenary and neutral line after installing RC protector

图16 安装阻容保护器后列车进入直流侧时的暂态过电压Fig.16 Transient overvoltage of the locomotive entering DC side after installing the RC protector

由图15～16可知，阻容保护器装置对抑制列车通过关节式电分相时所产生的过电压效果明显：受电弓短接交流接触网与中性线时，暂态过电压降至48.43 kV；受电弓短接直流接触网与中性线时，短时最高电压降至1 667 V，短时最低电压升至1 636 V，符合GB/T 1402—2010《轨道交通 牵引供电系统电压》的规定。

5 结论

本文建立了双制式列车通过锚段关节式电分相过程的暂态模型，对列车过分相各个阶段进行了仿真分析，并提出了抑制过电压的设计优化方案。通过对以重庆市郊铁路江跳线为案例进行仿真，得到结论如下：

1) 双制式列车在通过锚段关节式电分相时，在交流接触网产生了64.11 kV的过电压，在直流接触网产生了13.83 kV的冲击电压。这对于列车和相关电气设备而言，均存在一定的安全隐患。

2) 交流接触网电压相位角使得过电压现象的发生存在随机性，而谐波电压将导致过电压现象加剧。

3) 加装阻容保护器装置能够改变中性段的电气结构，从而有效地抑制列车通过关节式电分相时所产生的过电压。