高速列车车载断路器操作过电压特性分析及抑制方法

作     者：饶阳 

作者单位：西南交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：肖嵩

授予年度：2021年

学科分类：08[工学] 082304[工学-载运工具运用工程] 080204[工学-车辆工程] 0802[工学-机械工程] 0823[工学-交通运输工程] 

主      题：高速列车 操作过电压 变压器原边 重燃过电压 抑制方法 

摘      要：随着我国高铁的快速发展,动车组运行速度和牵引功率不断提高,与此同时在实际运营过程中,与车载高压电气系统相关的安全问题也逐渐暴露出来。高速列车在过分相、短路故障处理等工况中需要频繁操作车载断路器,在断路器分合闸瞬间,牵引供电回路中存在的大量电感、电容元件之间的磁场能与电场能将会相互转换,从而产生电磁振荡以及高幅值操作过电压。与车载主断路器有直接电气联系的高压设备将会第一时间遭受过电压冲击,这会造成高压箱内设备绝缘老化或击穿,车载牵引变压器的主绝缘、纵绝缘也会受到高频过电压的威胁;此外,过电压还会感应至车体,致使车上电子通信设备接地电位不稳定,威胁列车运行安全。本文首先对高速列车外部供电方式、列车高压主电路以及车载的高压电气设备等与操作过电压相关的因素进行了深入调研。基于现场实测参数建立了“车-网系统高速列车操作过电压仿真模型,通过仿真对切除空载变压器、合闸空载变压器、切除短路负载三种情况下断路器操作过电压特性进行分析,通过仿真结果发现,切除短路负载所产生的操作过电压最大。随后进一步分析了网压相位、变压器分布电容、网侧阻抗三种关键因素对断路器分合闸操作过电压的影响。然后通过对列车分闸空载变压器静态测试的实测波形特征分析发现了断路器重燃过电压现象,并通过频谱分析验证了该现象,实测重燃过电压尖峰频率集中在300k HZ左右。随后对重燃过电压的产生机理进行了分析,并搭建了考虑重燃特性的真空断路器分闸模型,分析了断路器触头间介质强度恢复速率以及断路器高频熄弧能力对重燃过程的影响,结果为介质强度恢复速率影响了过电压的重燃次数而高频熄弧能力影响了断路器重燃高频电流幅值。最后基于“车-网系统模型和考虑重燃特性的真空断路器分闸模型,提出了采用氧化锌避雷器、阻容抑制器、“分闸电阻-阻容抑制器联合抑制三种防护方案,并对三种抑制方案的参数选择、工作接线进行了详细分析。综合考虑切断短路负载和发生重燃两种情况,对三种方案的过电压抑制效果进行了评估,结果表明,由分闸电阻与阻容抑制器共同参与的抑制效果最佳,操作过电压的幅值降低了56.7%,振荡频率也有明显下降,同时消除了重燃带来的高频振荡。本文对高速列车断路器操作过电压的特性进行了深入分析,并解析了影响过电压的主要因素,为实际工程中抑制断路器操作过电压提供了解决思路。