关键词：MATLAB仿真；电压互感器；过电压

1  引言

随着近几年我国高速铁路的快速发展，很多铁路相关的安全问题也随之而来。动车组车顶的高压设备由于过电压的冲击，经常发生闪络放电事故，在冰雪浓雾和重度污染的气候条件下更容易发生，这就给动车组的正常运行带来许多困扰。其中车顶电气设备的击穿闪络事故占绝大部分，然而安装于车顶的电压互感器炸裂事故也时有发生，这些事故严重影响动车组安全运行，尤其是电压互感器发生炸裂，甚至可能引起牵引供电所跳闸或炸断接触网引发行车事故。据相关数据统计，铁路应用的电压互感器发生故障大多是由于过电压的冲击，因此，本文主要研究动车组过电压对车顶电压互感器故障的影响。

2  动车组牵引供电系统过电压的仿真建模参数

动车组运行在单相交流额定电压25kV接触网下，根据GB-1402-1998标准规定，动车组正常运行最高允许电压为27.5kV(有效值)，最低允许电压为19kV(有效值)，这是正常条件下的电压波动范围，但在实际线路运行中，接触网的电压值经常远高于正常值，即出现过电压。动车组在运行过程中面临的过电压主要有雷电过电压和列车运行工况转变引起的暂态过电压，即分相过电压、升降弓过电压和弓网离线过电压。根据本次电压互感器的故障特点，在此次分析中并未涉及雷击过电压，因此只对上述内部过电压展开仿真。

2.1 电压互感器建模

如图1为三绕组磁饱和变压器内部等效电路。

图1  PT内部等效电路

电压互感器模型最关键的部分是励磁特性曲线的设置，本文采用实测法，依据国标GBT-1207-2006进行电压互感器励磁特性测量试验，励磁特性试验接线图见图2所示。

图2  励磁特性测量接线图

TV为自耦调压器；V为方均根值交流电压表；W为低功率因数功率表；A为交流电流表；Vp为方均根值交流电压表；Tt为被试互感器。

用实际测量的n对V-I值，通过最小二乘法进行曲线拟合，多项式对应的方程：

                                         （1）

OYF36-3型电压互感器技术参数如表1所示。

表1  OYF36-3型电压互感器技术参数

    综上所述：通过MATLAB自带的可饱和变压器模型，以及利用最小二乘法拟合励磁特性曲线进行仿真，可得电压互感器在正常工作时电压值随时间变化的曲线。如图3所示，电压值最大未超过40kV，且随时间的变化，电压值呈正弦波形。
                                   

图3  PT正常工作时的电压

2.2  交流电弧模型

动车组列车在过分相、弓网离线、升降弓过程中，受电弓滑板和接触网间隙的电流和电压分别大于生弧电流和生弧电压时会不可避免的产生电弧。弓网电弧仿真模块内部结构如图4所示，电弧模型由微分方程编辑器、电压测量模块、定值检测、电压控制的电流源和阶跃信号组成。

图4  电弧模型内部结构图

2.3  主要的电气参数

两相邻牵引变电所间距离一般情况下为50-60km，AT所间距约10~15km。电磁波传播速度3*10⁸m/s，在—个工频周期内，电磁波传播距离约为6000km，

这远远大于两座牵引变电所的距离，因此本文对接触网建集中参数模型。

（1）中性线对地电容

一般选取大地作为零电位面，那么导线表面电荷和电压之间的关系为：

3  动车组牵引供电系统过电压仿真

3.1 分相过电压仿真

动车组列车过分相的电气模型主要包括动车组、接触网和中性段三部分。接触网、中性段等效建模与电力线路的等值电路类似，动车组负荷用电阻、电感和电容等效。图5为动车组列车过分相仿真电路模型。

                                                                               
                                       图5 过分相仿真电路模型

动车组列车入分相，车上主断路器断开瞬间，系统电路的拓扑结构发生变化，与受电弓相连的仅有电压互感器和高压电缆。仿真结果如图6所示。
       

                      （a）PT电压                               （b）振荡频率        

图6  PT电压和振荡频率

受电弓与A相供电臂脱离，进入中性区，此时直接连接于中性线上的动车组上的电压互感器在受受电弓跨接两线时产生的操作过电压的影响下是很容易进入饱和状态激发铁磁谐振过电压。图7是受电弓弓头离开接触线处于中性区时的仿真结果，电压互感器电压和电流图。

                               （a）电压                                  （b）电流

图7  中性区PT电压和电流

3.2  弓网离线过电压仿真

设置电弧模块中断路器一直处于闭合状态，模拟受电弓与接触网始终接触良好，PT一次侧电压如图8所示。

图8  PT正常工作电压

设置电弧模型中的电弧燃烧时间，模拟受电弓与接触网接触发生离线工况，PT 电压电流如图9所示。


     

                                     （a） 电压                               （b）电流

图9 弓网离线，PT 电压电流

图9表明弓网接触良好，电压互感器正常工作；弓网离线发生，电压互感器一次绕组电压达到55.5kV，是正常工作电压峰值的1.43倍；但是该电压并未达到车顶电涌放电器的动作电压(通常情况下动作门槛值设置为1.5-2倍正常工作电压)，对动车组的正常运行影响不大，电压互感器一次侧绕组电流很小。过电压的幅值不高而且作用时间很短。

3.3 升降弓过电压仿真

升降弓时，动车组列车静止且多位于站场附近，主断路器VCB处于打开状

态，此时的主要负荷是车顶电压互感器和高压电缆。搭建动车站内升降弓的仿真电路如图10所示，设置电压互感器、接触网等参数进行动车组升降弓过电压的仿真分析。

图10  升降弓仿真接线图

3.3.1  升弓过电压仿真

动车组列车受电弓上升过程中，弓网间隙击穿，类似容性电路合闸过程，在受电弓滑板与接触网接触的瞬间，高压电缆电容被充电，线路产生谐振，在电缆中形成过电压，同时由于弓网之间没有抑制电弧装置，电弧重燃加剧过电压的发展。升弓过程，互感器一次绕组的电压和电流仿真波形见图11。

            

                        （a）电压                        （b）电流

图11  升弓PT电压电流

从图11中可以看出，动车组在升弓过程之中电压幅值最高达到77.758kV，大约是正常进行正常运行电压的2倍，并以衰减至零。

3.3.2  降弓过电压仿真

对降弓过程产生的过电压主要分为两种情况，选用不同的断路器模型模拟受电弓下降的各种情况。图12中断路器模型均为Simulink自带模型。（1）为真空断路器模型，由于截流能力强，在开断很小电流时，可能会在工频电流自然过零前被强制截断，甚至在接近电流幅值时被截断，仿真分析受电弓和接触网之间电弧被强风瞬间吹断情况；（2）为普通断路器模型，切断小电流性能差，只能在工频电流过零点切断。主要用来分析弓网电弧多次重燃对电压互感器的影响。

                            （1）            （2）

图12  断路器模型

（1）采用真空断路器模型仿真结果

设置断路器断开时刻在工频电流峰值处；电压互感器电压和电流波形见图13。真空断路器断开时刻在工频电流峰值处，从图13（a）中可知产生的过电压幅值位72.9kV，图13（b）显示电压互感器电流幅值为114mA。此种情况下降弓，电压互感器铁磁谐振引起的过电压、过电流同时作用会瞬间使互感器炸毁，不过此种情况比较少见。

                         （a）电压                      （b）电流

图13  真空断路器—PT 电压电流

（2）电弧重燃仿真结果

设置普通断路器的动作时间，模拟弓网之间发生电弧多次重燃对仿真结果的

影响如图14所示。

                       （a）电压                             （b）电流

图14  电弧重燃——PT电压电流

在电弧发生多次重燃的情况下，从图14（a）中可知产生的过电压幅值为94.8kV，图14（b）显示电压互感器一次绕组流过的电流幅值为84mA。由此可知电弧重燃不仅加剧了过电压的发展，电压互感器一次测电流也有所增加。

4  结语

采用MATLAB/Simulink对分相过电压、弓网离线过电压和升降弓过电压进行仿真，并结合仿真结果指出过分相和降弓过程中互感器发生低频谐振，互感器内部流过额定电流几十倍的大电流；升弓过程会产生幅值较大的过电压，电压互感器内部流过的电流几乎为零；离线过电压的幅值不高而且作用时间很短，电压互感器内部没有过电流。总结仿真结果，同时根据实际运行经验指出电压互感器发生低频谐振引起的大电流使其处于发热状态，足够的热量积累使互感器内绝缘介质蒸发，电压互感器无法承受过大的内部压力引起爆炸。