摘要：对机车牵引变压器、整流器牵引电机系统、辅助电机系统在自动过电分相时的过渡过程进行了分析，指出了产生过电压和过电流的原因。
关键词：电力机车；过电分相；过电压；过电流
电气化铁道电网采用单相供电，而电力系统则是三相供电系统。为了使电气化铁道从电力系统三相电网取流基本对称，电气化铁道采用了分相分段取流的方法，即每隔20km~25 km设置一个分相段，相邻分相段由不相同的两相供电，相邻分相区有30 m左右的供电死区，这样就存在电力机车如何通过分相区的问题。目前我国绝大部分线路采用的是司机手动过分相，即机车行至分相区时，司机先解除牵引力、关辅助机组、断主断路器，惰行通过分相区后，再逐项恢复。这种方法不仅司机劳动强度大，而且通过无电区时间长，机车速度下降多，司机稍不留神，就会带电通过分相区，造成相间短路。
司机手动过电分相方法不满足现代铁道重载和高速发展的需要，自动过电分相转换装置的研究显得十分紧迫。
1 残压生成及其危害
在自动过电分相中，当 1ZK 断开，2ZK 合上之前，测得机车主变压器一次侧电压高达 11 kV ～ 12 kV，我们称其为残压。机车轻载时，残压更高，可接近 A 相电网电压。残压生成是因为 SS 1 机车辅机系统采用了旋转劈相机供电。在 1ZK 断开后，变压器辅助绕组和辅助电路异步机群之间仍构成闭合回路，其中有些电机处于发电状态，有的处于电动状态 [1 ]，辅机系统可等效于一个电源，辅助绕组上的电压耦合到主变压器的一次侧，就表现为残压（注：异步机群发电与人们通常认为的异步电机自励发电需要电容的理论是有差别的）。残压衰减速度与机车的所处级位有关，级位越高衰减越快。因为断电时间很短，仅有 130 m s 左右，2ZK 合上时残压仍保持很高的幅值。笔者在试验室进行多次模拟试验中证明了这一点。对相控机车或交直交机车，如在无电网供电时封锁整流器触发信号，能量仅在辅机系统内部衰减，衰减速度慢，残压将会一直接近于 A 相电压。下面的分析可以说明：残压是造成自 动过电分相合闸时主电路过电流和过电压、辅助电路过电流的主要原因。过电流使保护动作，主断路器跳闸；过电压使放电间隙击穿，引起变电所跳闸。此外频繁的过电压和过电流冲击，影响牵引变压器、变流器及辅助电机系统的寿命。笔者认为进口自动过分相装置在我国不能很好运行的一个主要原因是：我国的电力机车除 8K 电力机车之外，辅助电机系统都使用了旋转劈相机供电，过电分相时必然造成残压。国外机车使用的是静止逆变器驱动辅助电机系统，过电分相时，辅助电机系统可以等合闸后再变频启动。这样辅助电机系统被逆变器隔离，不能将电压耦合到机车变压器一次侧形成残压，从而避免了过电压和过电流。
2 辅助电机系统的过流
过电分相断电期间，辅助电机系统处于电动和发电状态。合闸后辅助电机系统瞬时等效电路如图 2 所示，可表示为两个电势和阻抗串联，其中 E f 为辅助电机系统发电电势，E 1 为电网电压折算到辅助绕组的等效电势，Z 1 为回路等效阻抗。回路的总电势 E = E 1 -E f，E 1 的大小和相位基本固定，E 的大小取决于 E l 的大小及 E l 与 E f 的相位差。正如前面所述，E f 大小和相位与牵引主电路的级位有关，与辅助电机投入的数目有关，具有随机性；E f 的频率也稍有变化，略低于 50Hz。为了分析方便，这里不考虑频率变化。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆当 E f 和 E 1相位差大于 90 °时， E 大于 E 1 ；如果合闸时 E f 和 E 1相位刚好相反，这时 E 为 E f 和 E 1 的代数相加，辅助电机系统的电流将很大，比辅助电机系统直接投入时还要大。根据现场实测到的结果，辅助电机系统过电流达到 5 490 A，大于 3 800 A（辅助电机系统过流保护动作值），会引起辅助电机系统过流保护动作，主断路器跳闸。笔者在试验室模拟试验时发现，E f 和 E 1 不同相位差对电流影响十分明显。如辅助电机系统使用静止逆变器供电，自动过电分相重新得电时，用变频来重新启动辅助电机系统，可消除过电流。
3 合闸时的过电压
在离分相区两端约60m处的线路上，左、右各埋1块磁铁，一个分相区只需要4块磁铁。机车头部靠近铁轨处左右各设1个感应器，当机车通过磁铁时，感应器就接收到信号，再由感应器向机车微机控制系统发送110V电平的预告信号。HX型电力机车长距离行驶过程中，接触网供电会来自不同的变电所。两变电所接触网供电交接处会有一段无电区。自动过分相能够保证HX型电力机车安全惰行通过无电区，而无需进行升降弓。2ZK 合闸时，残压与合闸电网电压有一瞬态差。合闸后的电压响应是稳态和暂态响应的叠加，当稳态响应与暂态响应正向叠加时就表现出过电压。对过电压的详细分析见文献 [2]。过电压曾多次使放电间隙击穿而不能恢复，导致变电所跳闸。过电压的危害还在于：如果过电压感应到变压器的二次侧，可能会击穿整流元件，破坏电机绝缘。HX型电力机车行驶中当得到过分相预告信号后，首先由微机系统进行确认，然后封锁触发脉冲，延时断开主断路器，使机车惰行通过无电区。通过无电区后，机车会自动检测网压从无到有的跳变并确认，再合主断路器，顺序启动辅机，然后限制电流上升率，再次启动。除分相预告信号与地面设施有关外，其余一切操作都由机车自动完成，无需人工干预（若机车收到预告信号后不能自动分相断主断，会由司机室司机人为断开主断，通过后，再人为合主断）。
结语
电气化铁路的牵引动力是电力机车，所需电力能源需由铁道附近的牵引变电所将电流通过接触网传输给机车。由于我国电气化铁道采用的是单相工频交流供电制式，为了平衡三相供电负荷，接触网不可避免地要设置电分相设施。机车在通过分相时，经过一系列操作，使机车断电后才能通过。由上述分析，自动过电分相对整流器和牵引电机系统影响不大，对变压器和辅助电机系统影响较大。机车自动过电分相合闸时主变压器电流浪涌、辅助电机系统过电流、主变压器的一次侧过电压都与残压有关。有效减小这些有害影响的根本手段是减少或消除残压。用静止逆变器取代旋转劈相机是最佳可选方案，也是发展的方向。但从我国电力机车现状看来，要在短期内用静止逆变器取代旋转劈相机是不现实的。
参考文献：
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论文作者:郭文虎
论文发表刊物:《电力设备》2018年第29期
论文发表时间:2019/3/27
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