隨著高速電氣化鐵道技術(shù)的快速發(fā)展，牽引供電系統(tǒng)過電壓問題逐步突出。大氣過電壓曾一度使供電系統(tǒng)發(fā)生事故，中斷供電。此外，供電系統(tǒng)運(yùn)行中也會產(chǎn)生過電壓，這種來源于系統(tǒng)內(nèi)部的操作過電壓往往會導(dǎo)致設(shè)備故障，嚴(yán)重影響供電系統(tǒng)安全。不僅如此，受電弓在與接觸網(wǎng)耦合取流過程中也會產(chǎn)生暫態(tài)過電壓，會引起支柱絕緣子或母線絕緣子閃絡(luò)等故障，引起變電所斷路器動(dòng)作跳閘。

作者對電氣化鐵道牽引供電系統(tǒng)出現(xiàn)的幾種典型過電壓出現(xiàn)的條件與物理過程進(jìn)行了分析，并對京滬線某段的過電壓進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，提出相應(yīng)的防護(hù)措施與建議，對理解和掌握供電系統(tǒng)過電壓規(guī)律，保障供電系統(tǒng)安全運(yùn)行有非常重要的意義。

大氣過電壓

大氣過電壓又稱為系統(tǒng)外部過電壓，是由雷電作用于供電設(shè)備引起。接觸網(wǎng)設(shè)備一般露天布置在野外，容易遭受到雷擊而發(fā)生事故。架空地線和避雷器的使用在一定程度上減少雷擊概率是有幫助的，但雷害事故時(shí)有發(fā)生。

牽引變電所的露天設(shè)備雖然在避雷針的保護(hù)范圍內(nèi)，但現(xiàn)實(shí)的情況是避雷器在雷雨季節(jié)動(dòng)作次數(shù)明顯偏多，高壓側(cè)一次設(shè)備遭受雷擊的事故也不鮮見。大氣過電壓作為電氣化鐵道供電系統(tǒng)的一種典型的過電壓已經(jīng)越來越引起人們的重視。

雷電作用于供電設(shè)備有兩種形式，一種是雷直擊供電設(shè)備造成故障。另一種是雷擊設(shè)備附近（一般在65米以內(nèi)）使雷電通道鄰近設(shè)備遭受到感應(yīng)過電壓。當(dāng)有大氣過電壓出現(xiàn)時(shí)，通常容易出現(xiàn)的是絕緣閃絡(luò)故障，引起斷路器跳閘。大氣過電壓持續(xù)的時(shí)間相當(dāng)短，如果設(shè)備絕緣介質(zhì)電氣強(qiáng)度得以恢復(fù)，工頻電弧在自動(dòng)重合閘動(dòng)啟動(dòng)前熄滅，則重合閘重合成功的概率將大為提高。

接觸網(wǎng)空載分閘過電壓

對于接觸網(wǎng)“天窗”檢修作業(yè)來說，空載線路分閘幾乎在每次倒閘作業(yè)時(shí)都要發(fā)生。牽引變電所饋線斷路器一般都采用的是真空斷路器，如果斷路器在分?jǐn)嗫蛰d接觸網(wǎng)容性電流時(shí)發(fā)生了重?fù)舸?，則過電壓產(chǎn)生不可避免。對于一般普通三相電力線路來說，真空斷路器發(fā)生重?fù)舸┑母怕试?%以內(nèi)，對于空載切除接觸網(wǎng)重?fù)舸┑母怕誓壳斑€缺乏研究。

但過電壓一旦發(fā)生在設(shè)備條件最不利的情況下，則可能釀成供電事故。接觸網(wǎng)空載分閘產(chǎn)生過電壓過程可以用如圖1中電路進(jìn)行描述。

圖1 接觸網(wǎng)空載分閘的等值電路

仿真與計(jì)算表明，在大多數(shù)的情況下，高頻電弧電流過零后并不熄滅，而工頻電弧在下一個(gè)周期過零時(shí)刻熄滅。如圖2所示為某一次典型的接觸網(wǎng)空載分閘過電壓波形。

圖2 接觸網(wǎng)空載分閘過電壓的波形

接觸網(wǎng)重合閘過電壓

對于接觸網(wǎng)空載合閘的情況，多發(fā)生在“天窗”作業(yè)結(jié)束消令送電時(shí)刻。但此時(shí)接觸網(wǎng)對地分布電容儲存電荷已在掛接地線時(shí)充分釋放，故空載合閘的充電過程一般不會產(chǎn)生過電壓。但如果自動(dòng)重合閘啟動(dòng)，則情況就會有很大的不同。

無論是送合閘電，還是發(fā)生瞬時(shí)故障，當(dāng)饋線自動(dòng)重合閘動(dòng)作時(shí)可能會產(chǎn)生過電壓。這也成為電氣化鐵路供電系統(tǒng)的一種典型的過電壓。這個(gè)過電壓一般不會危及供電系統(tǒng)的安全運(yùn)行，但當(dāng)系統(tǒng)的絕緣有缺陷或存在薄弱點(diǎn)時(shí)，則可能造成重合閘失敗，中斷供電。 這個(gè)過電壓也是電氣化鐵路供電系統(tǒng)中的一種典型過電壓。

弓網(wǎng)離線瞬態(tài)過電壓

對于電氣化鐵路來說，弓網(wǎng)之間的耦合關(guān)系是這個(gè)系統(tǒng)最重要的關(guān)系之一。在受電弓（取流器）與接觸導(dǎo)線機(jī)械摩擦取流的過程中，會由于各種原因（如受電弓通過分段絕緣器、接觸網(wǎng)彈性的突變點(diǎn)、設(shè)備施工與安裝中的硬點(diǎn)等）會出現(xiàn)間歇性的離線。在機(jī)車帶負(fù)荷運(yùn)行過程中發(fā)生離線，這在運(yùn)行過程中幾乎不可避免。

發(fā)生離線產(chǎn)生的高頻電弧電流，往往會引起機(jī)車與供電系統(tǒng)的過電壓。這個(gè)過電壓不僅給供電系統(tǒng)造成直接威脅，還會使機(jī)車受電弓絕緣子閃絡(luò)，甚至造成機(jī)車內(nèi)部元件的損壞，因此這也是電氣化鐵路的一種典型的過電壓。這種過電壓形成的物理過程可以用圖3等效電路模型來說明。

圖3 弓網(wǎng)離線過電壓電路模型

通過以上分析可知，電氣化鐵道供電系統(tǒng)在日常運(yùn)行中會經(jīng)常會有過電壓的情況發(fā)生。外部大氣過電壓（雷閃過電壓）發(fā)生主要與當(dāng)?shù)氐睦纂娏鞲怕史植枷嚓P(guān)，也和接觸網(wǎng)與變電所的布置方式有關(guān)。按照有關(guān)規(guī)程規(guī)范要求，在設(shè)計(jì)與施工安裝過程中應(yīng)充分考慮此類過電壓以減小雷電造成設(shè)備故障的概率。

電氣化鐵道供電系統(tǒng)是結(jié)構(gòu)特殊的大電流接地系統(tǒng)，過電壓的產(chǎn)生也有其固有的特點(diǎn)，在運(yùn)行中各種典型的過電壓都會出現(xiàn)，幅值的大小和出現(xiàn)的概率分布都與整個(gè)供電系統(tǒng)內(nèi)外部的條件密切相關(guān)。通過對各種典型過電壓的比較與分析，應(yīng)該承認(rèn)過電壓是系統(tǒng)運(yùn)行中普遍存在的，但過電壓的發(fā)生并不一定導(dǎo)致供電系統(tǒng)故障。

建議設(shè)計(jì)部門要根據(jù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與運(yùn)行特點(diǎn)充分考慮過電壓的相容性，在條件許可的情況下宜提高供電系統(tǒng)的絕緣水平和耐雷水平，這對于防止過電壓對系統(tǒng)造成危害十分重要。對于運(yùn)營部門，則要保證供電設(shè)備處于良好的運(yùn)行狀態(tài)下，避免設(shè)備出現(xiàn)“不利條件組合”而發(fā)生過電壓事故。同時(shí)宜在變電所恰當(dāng)位置安裝過電壓在線監(jiān)測與記錄裝置，提高過電壓的安全管理技術(shù)水平。

本文編自《電氣技術(shù)》，標(biāo)題為“電氣化鐵道供電系統(tǒng)幾種典型過電壓的分析與比較”，作者為陳明忠。