一种电力牵引机车操作过电压抑制控制系统及方法与流程

本发明涉及技术领域，具体为一种电力牵引机车操作过电压抑制控制系统及方法。

背景技术：

我国的电力牵引机车在运营过程中高压系统容易受到各种操作过电压的威胁，如升、降弓过程产生的浪涌过电压；动车组过分相时操作断路器产生的过电压；短路故障等过程中操作断路器产生的过电压等多种情况。以上工况产生的车体浪涌过电压会影响车载弱电信号设备，引起设备的逻辑紊乱，加速绝缘老化，甚至导致绝缘击穿，导致车载传感器或控制设备无法正常工作。此外，还有可能破坏车体与轴箱间的轴承绝缘，进而引起轴承电蚀，影响动车组的安全运行。同时在冲击过电压作用下，车体瞬态电势的提升可能会对车内人员的人身安全带来威胁。

在受电弓升弓和接触线接触受流的过程中，在受电弓滑板与接触线触碰瞬间，弓网空气间隙被击穿，线路接通，牵引变电所通过接触网和受电弓给车顶电气设备供电。此时，接触网通过受电弓与接触网的电接触给电缆寄生电容充电，产生谐振，使列车的高压系统产生暂态过电压。在受电弓降弓过程中，接触网和受电弓分离，车体等效电感存储的电磁能量给高压电缆等效电容、受电弓对地等效电容充电，由于等效电容很小，电压上升很快，导致车体产生浪涌过电压。

目前自动过电分相装置的基本技术方案是在控制装置的作用下自动进行主电路的换相开合操作，虽然克服了手动切换方式的不足，但也带来了一些新的问题，特别是在机车开合分相开关或主断路器时产生的过电流和过电压。机车在通过中性段时，在数秒时间内要经历一个从有电到无电再到有电的过程，操作过程中，都会引起机车供电系统的浪涌过电压。

以上工况产生的车体浪涌过电压会影响车载弱电信号设备，引起设备的逻辑紊乱甚至绝缘击穿，加速绝缘老化甚至导致绝缘击穿，导致车载传感器或控制设备无法正常工作。此外，还有可能破坏车体与轴箱间的轴承绝缘，进而引起轴承电蚀，影响动车组的安全运行。同时在冲击过电压作用下，车体瞬态电势的提升可能会对车内人员的人身安全带来威胁。

目前，动车组工作接地系统通过接地碳刷直接接地，保护接地系统在车体与接地碳刷之间加入了隔离电阻，即接地电阻器，车体通过接地电阻器接地。一般地，保护接地系统里的接地电阻器安装在车体和轴端之间，串联在车厢底至轴端的接地电缆中，用来增加车体回路的阻抗，抑制车体环流。但其缺陷在于当发生雷击跳闸、过电压冲击时，避雷器或接地开关闭合，瞬态冲击电流会加载在接地电阻上，造成车体电压瞬间提升，会阻碍过电压的泄放，造成车体瞬态电压提升。由于车体是弱电信号的公共参考地，该冲击电压造成的反击有可能损坏车载控制、通信等弱电设备。而有些列车采用保护接地系统通过接地碳刷直接接地，由于接地碳刷接触电阻较小，因此可以有效的降低车体电压。但由于钢轨回路与车体回路电阻的差异，这种接地方式会使得工作接地的电流容易通过保护接地反窜到车体，造成车体局部发热、局部环流，而且当电流流入轴承时，会造成轴温异常，引起轴承电烛。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种电力牵引机车操作过电压抑制控制系统及方法，能够抑制现有轨道交通领域中，在升降弓、过分相、以及短路故障等过程中由于受电弓和至断路器动作产生的过电压，避免由操作过电压导致的弱电信号设备损坏、绝缘击穿、以及列车车体瞬态电势的提升对车内人员的人身安全带来巨大威胁等问题的发生。技术方案如下：

一种电力牵引机车操作过电压抑制控制系统，包括串联在受电弓与断路器之间的升降弓过电压抑制器，串联在断路器与主变压器之间断路器操作过电压抑制器，以及串联在车厢底转向架和接地碳刷之间接地电缆中的新型保护接地装置；

升降弓过电压抑制器包括并联的电感器和高压电缆，电感器与开关s2串联，高压电缆与开关s1串联；受电弓升起前和断开前，通过控制开关s1和s2的通断控制电感器或高压电缆接入电路；

断路器操作过电压抑制器包括并联的电感器和高压电缆，电感器与开关s4串联，高压电缆与开关s3串联；断路器闭合前和断开前，通过控制开关s3和s4的通断控制电感器接入电路；正常工作时，控制高压电缆接入牵引电路中；

新型保护接地装置包括并联的接地电阻器和接地电缆，接地电阻器与开关s6串联，接地电缆与开关s5串联；正常工作时，通过控制开关s5和s6的通断控制接地电阻器接入牵引回路；列车在经过电分相，进行启动和制动前，控制接地电缆接入电路，释放车体过电。

进一步的，每列变压器车中均安装有升降弓过电压抑制器和断路器操作过电压抑制器；变压器车体和轴端之间至少有一路新型保护接地装置，拖车车体至少有两路新型保护接地装置。

更进一步的，所述升降弓过电压抑制器、断路器操作过电压抑制器和新型保护接地装置中的开关状态均由计算机自动控制，或由司机室监测和手动控制。

一种电力牵引机车操作过电压抑制控制系统的控制方法，包括：

a）列车进行升弓操作、闭合断路器进行列车供电的操作：

步骤a1：先后控制开关s2闭合和开关s1断开，使升降弓过电压抑制器的电感器接入牵引供电电路，再进行升弓操作；

步骤a2：先后控制开关s4闭合和开关s3断开，再先后控制开关s5闭合和开关s6断开，使断路器操作过电压抑制器中电感器接入电路，列车保护接地系统经过接地电缆直接接地，再进行断路器闭合；

步骤a3：控制开关自动进行恢复：先后控制开关s1闭合和开关s2断开；先后控制开关s3闭合和开关s4断开；先后控制开关s6闭合和开关s5断开，使列车正常受流；

b）列车进行关断断路器、降落受电弓操作，断开列车供电的操作：

步骤b1：先后控制开关s4闭合和开关s3断开，以及开关s5闭合和开关s6断开，使断路器操作过电压抑制器中电感器接入电路，列车保护接地系统经过接地电缆直接接地，再进行断路器关断；

步骤b2：先后控制开关s2闭合和开关s1断开，使升降弓过电压抑制器的电感器接入牵引供电电路，再进行受电弓降落操作；

步骤b3：控制开关自动进行恢复：先后控制开关s1闭合和开关s2断开，先后控制开关s3闭合和开关s4断开，先后控制开关s6闭合和开关s5断开；

c）列车过分相时，断路器进行关断和闭合的操作：

步骤c1：过分相前，先后控制开关s4闭合和开关s3断开，先后控制开关s5闭合和开关s6断开，使断路器操作过电压抑制器中电感器接入电路，列车保护接地系统经过接地电缆直接接地，再进行断路器关断；

步骤c2：保持开关s4闭合和开关s3断开，以及开关s5闭合和开关s6断开的状态，过分相后，进行断路器闭合；

步骤c3：控制开关自动进行恢复：先后控制开关s3闭合和开关s4断开，先后控制开关s6闭合和开关s5断开。

本发明的有益效果是：

1）本发明转向架和接地碳刷之间串联一个新型保护接地装置，新型保护接地装置由电阻器、接地电缆并联而成，列车工作时由控制开关根据受电弓和断路器状态进行自动动作，当列车运行过程中产生操作过电压时，新型保护接地装置进行动作接入接地电缆，由于接地电缆的阻抗很小，因此可以有效的释放车体电压；避免了操作过电压引起的车体瞬态电势提升对车内人员的人身安全带来巨大的威胁；以及过电压导致的车载弱电信号设备发生逻辑紊乱甚至绝缘击穿。

2）列车在正常工作时，新型保护接地装置中接地电阻器接入牵引回路，增加车体回路的阻抗，抑制车体环流，避免车载弱电设备受到车体环流干扰、设备异常报错损坏发热以及造成接地碳刷异常磨损降低寿命。

3）本发明受电弓和断路器之间串联安装升降弓过电压抑制器，断路器和变压器之间串联安装断路器操作过电压抑制器，列车过分相、启动、制动前，抑制器自动动作，接入发热电阻，由于发热电阻阻值远大于车体阻抗，由发热电阻承担大部分操作过电压。该装置和控制方法减少了操作过电压导致的车载弱电信号设备发生逻辑紊乱损坏，减轻了过电压频繁冲击造成车载电气设备绝缘击穿、加速绝缘老化，避免了车体瞬态电势的提升对车内人员的人身安全带来的巨大威胁，提高了列车安全运行稳定性。

4）本发明的升降弓过电压抑制器、断路器操作过电压抑制器都、新型保护接地装置由两个控制开关动作自动接入电路，保证装置动作时牵引电路一直导通，避免了储存在电感中的磁能和储存在电容中的静电场能量(电能)发生了转换、过渡的振荡过程,并由振荡而引起额外的过电压。

5）本发明设计了一种具有冗余功能的手动控制系统和方法。过电压抑制装置、新型保护接地装置的状态可以由司机室监测和手动控制，避免了过电压抑制装置、新型保护接地装置的误动作，提高控制系统的可靠性和稳定性。

附图说明

图1为过电压抑制系统结构示意图。

图2为新型保护接地装置安装位置示意图。

图3为升降弓、断路器操作过电压抑制器以及新型保护接地装置示意图。

图4为升降弓控制方法流程图。

图中：接触网—1、受电弓—2、避雷器—3、升降弓过电压抑制器—4、断路器—5、断路器操作过电压抑制器—6、主变压器—7、新型保护接地装置—8，列车车体—9、钢轨—10、转向架—11、接地碳刷—12、轮轨—13、高压电缆—14、电感器—15、控制开关—16、接地电阻器—17、接地电缆—18、高压电缆—19、电感器—20。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。一种电力牵引机车操作过电压抑制控制系统，如图1所示，包括列车牵引供电系统中的接触网1、受电弓2、避雷器3、升降弓过电压抑制器4、断路器5、断路器操作过电压抑制器6、电流互感器、主变压器7、高压电缆，新型保护接地装置8、以及列车车体9。

列车正常工作时，升降弓过电压抑制装置4和断路器操作过电压抑制器6、新型保护接地装置8根据受电弓2、断路器5状态进行自动动作。同时，也可由司机室监测和手动控制。

升降弓过电压抑制装置4和断路器操作过电压抑制器6、新型保护接地装置8均由两个控制开关自动动作接入电路。保证装置动作时牵引电路一直导通，避免了储存在电感中的磁能和储存在电容中的静电场能量(电能)发生了转换、过渡的振荡过程,并由振荡而引起过电压。

其中，升降弓过电压抑制装置4位于受电弓2和断路器5之间，具体位置在列车高压设备柜中，受电弓2和断路器5之间串联。抑制器工作时间短，因此电感器可以安全工作。

升降弓过电压抑制器4由并联的电感器15和电缆14，以及开关16构成。由控制开关s1、s2控制电感器或者电缆接入电路的状态。每一列变压器车都安装升降弓过电压抑制器4。控制开关s1、s2的通断跟随受电弓升降弓动作指令进行自动动作。司机室可监测开关s1、s2的状态。并设计一种具有冗余功能的手动控制系统，司机室根据监测报警信号手动控制开关s1、s2，提高控制系统的稳定性。开关s1、s2的通断控制在牵引系统的电路中接入电感器15或者高压电缆14。受电弓2升起前，受电弓2断开前，通过控制开关16控制电感器15接入电路，由于电感器和线路阻抗串联，并且电感器大于线路的阻抗，可以承担大部分升降弓浪涌过电压。

断路器动作过电压抑制器8由并联的电感器和电缆，以及开关s3和s4构成。每一列变压器车中，断路器5和变压器7之间安装断路器操作过电压抑制器6，具体在断路器和电流互感器之前。通过控制开关s3和s4的通断，在牵引系统的电路中接入电感器和高压电缆。断路器闭合前和电感器断开前，牵引供电电路接入电感器，由于电感器和线路阻抗串联，并且电感器的阻值大于线路的阻抗，可以承担大部分断路器操作过电压。正常工作时，高压电缆接入牵引电路中，不影响牵引电路的阻抗参数分布。

新型保护接地装置8由并联设置的接地电阻器17和接地电缆18，以及开关s5和s6构成。安装在转向架11和轴端13之间，串联在车厢底转向架和接地碳刷之间的接地电缆中。变压器车体和轴端之间至少有一路新型保护接地装置8，拖车车体至少有两路新型保护接地装置8。通过控制开关s5、s6的通断，在牵引系统的电路中接入接地电阻器17和接地电缆18。接地电缆的电阻可以忽略不计。正常工作时，接地电阻器17接入牵引回路，增加车体回路的阻抗，抑制车体环流。列车在经过电分相，进行启动和制动前，vcb（vacuumcircuitbreaker真空断路器）需要进行通断操作时，新型保护接地装置8进行动作，接入接地电缆，释放车体过电压。

本发明电力牵引机车操作过电压抑制控制系统的控制方法包括：

1、列车进行升弓操作、闭合断路器进行列车供电操作。如图4所示。

具体步骤为：控制开关s2闭合，之后s1断开，再进行升弓操作，此时电感器接入牵引供电电路。由于电感器阻抗大于线路的阻抗，电感器承担大部分过电压，减小了车体升弓浪涌过电压；随后，控制开关s4闭合，之后s3断开，s5闭合，s6断开，再进行断路器闭合，此时，断路器操作过电压抑制器中电感器接入电路，列车保护接地系统经过接地电缆直接接地。由于车体电阻承担电路中的大多数过电压，并且剩余过电压经过新型保护接地装置中的接地电缆释放，车体过电压大大减少。随后，控制开关自动进行恢复工作，先后进行s1闭合，之后s2断开；进行s3闭合，之后s4断开；先后进行s6闭合，之后s5断开。列车正常受流。

2、列车进行关断断路器、降落受电弓操作，断开列车供电。如图4所示。

具体步骤为：控制开关s4闭合，之后s3断开，s5闭合，s6断开，再进行断路器关断，此时，断路器操作过电压抑制器中电感器接入电路，列车保护接地系统经过接地电缆直接接地。由于车体电阻承担电路中的大多数断路器动作操作过电压，并且剩余过电压经过新型保护接地装置中的接地电缆释放，车体过电压大大减少。随后控制开关s2闭合，之后s1断开，再进行受电弓降落操作，此时电感器接入牵引供电电路。由于电感器阻抗大于线路的阻抗，电感器承担大部分过电压，减小了车体升弓浪涌过电压。

3、列车过分相时，断路器进行关断和闭合操作。

具体步骤为：控制开关s4闭合，之后s3断开，s5闭合，s6断开，再进行断路器关断，此时，断路器操作过电压抑制器中电感器接入电路，列车保护接地系统经过接地电缆直接接地。由于车体电阻承担电路中的大多数断路器动作操作过电压，并且剩余过电压经过新型保护接地装置中的接地电缆释放，车体过电压大大减少。随后，控制开关s4闭合，之后s3断开，s5闭合，s6断开，再进行断路器闭合，此时，断路器操作过电压抑制器中电感器接入电路，列车保护接地系统经过接地电缆直接接地。由于车体电阻承担电路中的大多数过电压，并且剩余过电压经过新型保护接地装置中的接地电缆释放，车体过电压大大减少。