CN119448168A - 一种铁路接触网电分段消弧装置、牵引变电所和供电系统 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种铁路接触网电分段消弧装置、牵引变电所和供电系统，铁路接触网电分段消弧装置包括分段器、电缆设备和开关设备，所述分段器串联设置于接触网，所述开关设备通过电缆设备与所述分段器并联连接。本申请可以解决现有技术中电力机车通过分段器时存在的拉弧问题，提高接触网供电设备安全性、可靠性。

Description

一种铁路接触网电分段消弧装置、牵引变电所和供电系统

技术领域

本申请涉及铁路牵引供电技术领域，具体而言，涉及一种铁路接触网电分段消弧装置、牵引变电所和供电系统。

背景技术

在铁路牵引供电技术领域中，不管是工频交流异相供电、同相供电、双边供电，还是基于同相供电技术、双边供电技术实施的贯通供电，为了避免因故障导致整个接触网失电，都需要在接触网上设置电分段。

现有连接电分段中的开关的供电线全部采用裸线与分段器并联，供电线越长，其电感和电抗就越大，而且裸线间需要保持大间距来避免短路和造成维修检修事故，其互感就减小，回路中的剩余等效电感就大，阻抗也就大，在稳态情况下，运行的机车负载会在分段器两端造成电压差，而在机车通过分段器时其负载将在两条供电线上进行换路时就会引起暂态过程和暂态过电压，造成分段器两段之间拉弧，长此以往，很容易造成接触网烧损、断线等事故，严重威胁铁路设备与运营安全。为解决机车通过分段器换路过程拉弧造成接触网烧损、断线等事故的技术难题，本申请提出一种新的技术方案。

发明内容

本申请的目的在于提供铁路接触网电分段消弧装置、牵引变电所和系统，以解决现有技术中存在的电分段拉弧问题，提高接触网供电设备安全性、可靠性。

为了实现上述目的，本申请采用的技术方案如下：

本申请的第一方面在于提供一种铁路接触网电分段消弧装置，包括分段器、电缆设备和开关设备，所述分段器串联设置于接触网，所述开关设备通过电缆设备与所述分段器并联连接；所述电缆设备包括第一电缆和第二电缆，所述分段器的两端分别与所述第一电缆的一端和所述第二电缆的一端连接，所述第一电缆的另一端通过所述开关设备与所述第二电缆的另一端连接。

进一步地，所述第一电缆为单芯电缆；所述第二电缆为单芯电缆；所述第一电缆和第二电缆紧密排布。

进一步地，所述电缆设备还包括第一支柱、第二支柱、第一导线、第二导线、设置于所述第一支柱上的第一支持绝缘子和设置于第二支柱上的第二支持绝缘子，所述第一电缆的电缆终端固定安装于所述第一支持绝缘子上，所述第二电缆的电缆终端固定安装于所述第二支持绝缘子上，所述第一导线的一端连接所述第一电缆的电缆终端，所述第二导线的一端连接所述第二电缆的电缆终端，所述第一导线的另一端和所述第二导线的另一端分别连接在所述分段器的两端。

进一步地，所述电缆设备还包括第三支柱、第一导线、第二导线、设置于所述第三支柱的第三支持绝缘子和第四支持绝缘子，所述第一电缆的电缆终端固定安装于所述第三支持绝缘子上，所述第二电缆的电缆终端固定安装于所述第四支持绝缘子上，所述第一导线的一端连接所述第一电缆的电缆终端，所述第二导线的一端连接所述第二电缆的电缆终端，所述第一导线的另一端和所述第二导线的另一端分别连接在所述分段器的两端。

进一步地，所述开关设备包括电流互感器和与所述电流互感器原边绕组串联的开关，串联后的电流互感器和开关通过所述电缆设备与所述分段器并联。

进一步地，还包括与所述电流互感器次边绕组连接的电流过程记录仪。

进一步地，所述开关设备的开关状态为常闭，检修或故障时开关状态为断开。

进一步地，第一电缆和第二电缆的单芯电缆长度l相同时，单芯电缆长度l、第一电缆和第二电缆的中心轴间距d₁₂和单芯电缆的等效半径R_ε需要满足以下公式：

式中，U_T为电压阈值，U_T的取值为分段器两端最小绝缘击穿电压值；L_n为单芯电缆单位长内电感；μ₀为介电常数；R_ε为单芯电缆的等效半径；d₁₂为第一电缆和第二电缆中心轴间距，为的自然对数；i₁、i₂分别为电力机车通过分段器时第一电缆和第二电缆的电流；分别为机车通过分段器绝缘时电缆电流变化率，与列车通过的速度相关。

本申请的第二方面在于提供一种牵引变电所，所述牵引变电所通过权利要求1—8任意一项所述的铁路接触网电分段消弧装置中的电缆设备给所述电分段消弧装置两侧接触网供电，所述牵引变电所为同相牵引变电所，所述牵引变电所为同相牵引变电所。

本申请的第三方面在于提供一种牵引供电系统，包括前述的牵引变电所。

相对于现有技术，本申请主要具有以下有益效果：

(1)采用电缆设备将分段器与开关设备并联，不存在电缆设备容易短路的问题，可以增强铁路供电可靠性，提高检修、故障维修时的安全性；

(2)采用电缆设备将分段器与开关设备并联，两条电缆的芯线间可以保持更小间距，使得两条电缆和开关构成的回路间的互感更大，并与回路中的电感相消减，回路的剩余等效电感更小，电力机车受电弓通过电分段在分段器两端进行换路时，暂态过程和过电压大大降低，分段器两端电压差小于分段器最小绝缘击穿电压，从而避免产生拉弧，造成接触网烧损、断线等事故，有利于铁路设备与运营安全。

为使本申请的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举几个实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

本说明书将以示例性实施例的方式进一步说明，这些示例性实施例将通过附图进行详细描述。这些实施例并非限制性的，在这些实施例中，相同的编号表示相同的结构，其中：

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它相关的附图。

图1为本申请提供的一种铁路接触网电分段消弧装置示意图；

图2为本申请提供的一种电缆设备示意图；

图3为本申请提供的另一种电缆设备示意图；

图4为本申请提供的一种牵引变电所示意图；

图5为本申请提供的一种具体牵引变电所示意图；

图6为本申请提供的又一种牵引变电所示意图；

图7为本申请提供的一种牵引供电系统示意图。

附图标记：1—分段器，2—开关设备，201—开关，202—电流互感器，3—电缆设备，301—第一电缆，302—第二电缆，303—第一支柱，304—第二支柱，305—第一支持绝缘子，306—第二支持绝缘子，307—第三支柱，308—第三支持绝缘子，309—第四支持绝缘子，310—第一电缆保护套管，311—第二电缆保护套管，312—第三电缆保护套管，313—第四电缆保护套管，4—第一导线，5—第二导线，6—电流过程记录仪，T—接触网，S—牵引母线。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案、工作原理和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

下面结合附图，对本申请的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例1

如图1所示，本实施例提供铁路接触网分段器消弧装置，包括分段器1、电缆设备3和开关设备2，所述分段器1串联设置于接触网T，所述开关设备2通过电缆设备3与所述分段器1并联连接。正如背景技术所描述的，在现有技术中，完全采用裸导线将开关设备2与分段器1并联连接，为了避免裸导线间短路(比如，在非故障情况下，开关设备2可以设置为常闭，从而使得分段器1两侧的接触网均带电，在故障或需要检修的情况下，断开开关设备2，使得分段器1一侧的接触网断电，从而确保在维修或检修时最大范围供电，此时，必须绝对避免分段器1两侧的裸导线短接，造成安全事故)，必须将分段器1两侧的裸导线间距设置得足够大，大间距裸导线使得其间的互感变小，两个裸导线回路的剩余等效电感(电抗)将导致电力机车受电弓通过分段器时在分段器两端造成较大的电压差，从而很容易拉弧造成接触网烧损、断线等事故，严重威胁铁路设备与运营安全。为此，本实施例采用电缆设备3将开关设备2与分段器1并联连接，两电缆的芯线间可以保持较小间距，增大其间的互感，由于互感与自感可以相互削弱，回路的剩余等效电感减小，使得电力机车受电弓通过分段器时在分段器两端造成的电压差大大降低，即电力机车受电弓通过分段器时分段器两端的电压差小于分段器最小绝缘击穿电压，从而避免产生拉弧造成接触网烧损、断线等事故。

作为一种优选方式，如图1所示，所述电缆设备3包括第一电缆301和第二电缆302，所述分段器1的两端分别与所述第一电缆301的一端和所述第二电缆302的一端连接，所述第一电缆301的另一端通过所述开关设备2与所述第二电缆302的另一端连接。这里，电缆设备3可以采用两根独立电缆(比如第一电缆301和第二电缆302)的方式实现开关设备2和分段器1的并联连接，也可以采用双芯电缆、多芯电缆等方式实现开关设备2和分段器1的并联连接，在其他方案中，还可以选取合适的同轴电缆实现开关设备2和分段器1的并联连接。

本发明的工作原理，可结合本实施例加以说明：以第一电缆301和第二电缆302均为单芯电缆为例，假设第一电缆301和第二电缆302的长度和线径等参数相同，且第一电缆301和第二电缆302平行紧密敷设，则两条电缆和开关构成的回路参数有：

公式(1)中，l为单芯电缆长度；L_n为单芯电缆单位内电感，R_ε为单芯电缆的等效半径；d₁₂为第一电缆301和第二电缆302的中心轴间距，L₀为单芯电缆自感，L₀与单芯电缆长度l成正比，M₀为单芯电缆间互感，与第一电缆301和第二电缆302的中心轴间d₁₂负相关，间距d₁₂越小，互感越大M₀，剩余等效电感L₀-M₀越小，A为单位剩余等效电感。μ₀为介电常数。

公式(2)中，u₁₂为电力机车受电弓通过分段器时分段器两端的电压差，i₁、i₂分别为电力机车通过分段器时第一电缆301和第二电缆302的电流，分别为电流机车通过分段器时第一电缆301和第二电缆302的电流变化率，该电流变化率与列车通过的速度相关。在一些实施例中，与列车通过的速度正相关。

为了防止电力机车通过分段器时，分段器两端电压差过高将分段器击穿，需要将分段器两端的电压差u₁₂控制在小于电压阈值U_T，即u₁₂＜U_T，由此可以得到以下公式：

公式(3)中，常量包括电压阈值U_T，电压阈值U_T取值为分段器两端最小绝缘击穿电压值，可以通过安装好的分段器的性能参数获取，常数包括介电常数μ₀，当列车速度一定时，也为常数。变量包括第一电缆301和第二电缆302的单芯电缆长度l，以及第一电缆301和第二电缆302的中心轴间距d₁₂和单芯电缆的等效半径R_ε。

分段器两端的电压差u₁₂与L₀-M₀接近成正比，若L₀-M₀趋向0，则u₁₂趋向于0，换路过程的暂态过程和过电压大大降低。电压差u₁₂小于分段器最小绝缘击穿电压U_T，从而避免产生拉弧造成接触网烧损、断线等事故，有利于铁路设备与运营安全。

由公式(3)，可以得到单芯电缆长度l、第一电缆301和第二电缆302的中心轴间距d₁₂和单芯电缆的等效半径R_ε的关系式：

公式(4)中，对于第一电缆301和第二电缆302的中心轴间距d₁₂和单芯电缆的等效半径R_ε来说，值越小，u₁₂越小，越不容易达到电压阈值U_T。因此在实际敷设时，可以将第一电缆301和第二电缆302平行紧密敷设，第一电缆301和第二电缆302之间的间距为零，即第一电缆301和第二电缆302的中心轴间距d₁₂为单芯电缆的等效半径R_ε的2倍，由此，d₁₂-R_ε＝R_ε， 在这种情况下，变量仅剩单芯电缆长度l，由此可以得到单芯电缆长度l的控制范围，即以下公式：

根据公式(5)，可以将单芯电缆长度l控制在合理范围内，使列车换路时分段器两段的电压不超过最小绝缘击穿电压。

作为电缆设备3的一种具体实现方式，如图2所示，所述电缆设备3可以包括第一支柱303、第二支柱304、设置于所述第一支柱303上的第一支持绝缘子305和设置于第二支柱304上的第二支持绝缘子306，所述第一电缆301的电缆终端固定安装于所述第一支持绝缘子305上，所述第二电缆302的电缆终端固定安装于所述第二支持绝缘子306上，所述第一导线4的一端连接所述第一电缆301的电缆终端，所述第二导线5的一端连接所述第二电缆302的电缆终端，所述第一导线4的另一端和所述第二导线5的另一端分别连接在所述分段器1的两端。具体实施例，第一电缆301可以设置于第一电缆保护套管310内，第二电缆302可以设置于第二电缆保护套管311内。第一电缆301和第二电缆302与开关设备2的连接方式可以参考电缆连接等技术领域常规技术即可。

作为电缆设备3的另一种具体实现方式，如图3所示，所述电缆设备3可以包括第三支柱307、设置于所述第三支柱307的第三支持绝缘子308和第四支持绝缘子309，所述第一电缆301的电缆终端固定安装于所述第三支持绝缘子308上，所述第二电缆302的电缆终端固定安装于所述第四支持绝缘子309上，所述第一导线4的一端连接所述第一电缆301的电缆终端，所述第二导线5的一端连接所述第二电缆302的电缆终端，所述第一导线4的另一端和所述第二导线5的另一端分别连接在所述分段器1的两端。具体实施例，第一电缆301可以设置于第一电缆保护套管312内，第二电缆302可以设置于第二电缆保护套管313内。第一电缆301和第二电缆302与开关设备2的连接方式可以参考电缆连接等技术领域常规技术即可。

作为优选，所述第一电缆301和第二电缆302紧密排布。这里，第一电缆301和第二电缆302紧密排布可以指平行且紧密接触设置，也可以指平行且保持一定间隙设置，技术人员根据实际情况设置即可。

作为优选，所述开关设备2包括电流互感器202和与所述电流互感器202原边绕组串联的开关201，串联后的电流互感器202和开关201通过所述电缆设备3与所述分段器1并联。

作为优选，本实施例还可以包括与所述电流互感器202次边绕组连接的电流过程记录仪6。采用电流过程记录仪6可以记录机车通过分段器时的过渡过程，用以分析验证消弧系统设计指标。

作为优选，所述开关设备2的开关状态为常闭，检修和故障时开关状态为打开。这里需要说明的是，设置分段器1的一个主要目的是为了在检修或故障维修时减少停电范围，一般情况下，当分段器1设置于牵引变电所外的接触网上，与分段器1并联的开关设备2的开关状态为常闭，只有在检修或故障维修时，开关设备2的开关状态才断开；当然，如果与开关设备2并联的分段器1两侧的接触网有供电来源，开关设备2的开关状态为常开，需要时再闭合；开关设备2的开关状态选择，由本领域技术人员根据实际情况设置即可。

实施例2

如图4所示，本实施例提供一种牵引变电所，应用于在牵引变电所处的接触网上设置有电分段消弧装置的牵引供电系统，所述牵引变电所通过电缆设备给所述电分段消弧装置两侧接触网供电。

这里，正常工况下，牵引变电所通过牵引变电所内的牵引母线S(如图5所示)和电缆设备3(此时充当牵引变电所馈线)给电分段消弧装置两侧接触网供电，可以达到如实施例1所描述的在电力机车受电弓通过电分段时电分段两端的电压差小于电分段最小绝缘击穿电压，从而避免产生拉弧造成接触网烧损、断线等事故的技术效果，该技术效果的实现与电分段消弧装置本身是否采用实施例1提供的铁路接触网电分段消弧装置无关，但是本实施例2和实施例1技术效果的实现都基于电缆设备3这一特定技术特征。

作为优选，本实施例中的电分段消弧装置为实施例1所提供的铁路接触网电分段消弧装置。

这里，正常工况下，电分段消弧装置中的开关设备2的开关状态为常开，牵引变电所通过牵引变电所内的牵引母线和电缆设备3给电分段消弧装置两侧接触网供电；当本实施例中的电分段消弧装置采用实施例1所提供的铁路接触网电分段消弧装置时，本实施例中的牵引变电所可以通过铁路接触网电分段消弧装置中的电缆设备3给所述电分段消弧装置两侧接触网供电。共用电缆设备3，可以节约成本、减小设备占用空间。

作为一种具体实施方式，如果正常运行，电分段处并联的开关可以打开，当牵引变电所只有一条电缆馈线供电时，可以闭合电分段处并联的开关向两侧供电，从而实现最大范围供电。

作为优选，如图6所示，当牵引变电所故障或需要检修时，牵引变电所退出运行，此时，可以闭合电分段消弧装置中的开关设备2，将电分段消弧装置设置为实施例1所提供的铁路接触网电分段消弧装置，可以在牵引变电所退出运行时同样实现在电力机车受电弓通过电分段时电分段两端的电压差小于电分段最小绝缘击穿电压，从而避免产生拉弧造成接触网烧损、断线等事故的技术效果。

实施例3

如图7所示，本实施例提供一种牵引供电系统，包括实施例2提供的牵引变电所，本实施中的牵引变电所外的接触网可以设置实施例1提供的铁路接触网电分段消弧装置。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

对于本领域技术人员而言，显然本申请不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本申请的精神或基本特征的情况下，能够以其它的具体形式实现本申请。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本申请的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本申请内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (10)

1.一种铁路接触网电分段消弧装置，其特征在于，包括分段器、电缆设备和开关设备，所述分段器串联设置于接触网，所述开关设备通过所述电缆设备与所述分段器并联连接；所述电缆设备包括第一电缆和第二电缆，所述分段器的两端分别与所述第一电缆的一端和所述第二电缆的一端连接，所述第一电缆的另一端通过所述开关设备与所述第二电缆的另一端连接。

2.根据权利要求1所述的一种铁路接触网电分段消弧装置，其特征在于，所述第一电缆为单芯电缆；所述第二电缆为单芯电缆；所述第一电缆和第二电缆紧密排布。

3.根据权利要求1所述的一种铁路接触网电分段消弧装置，其特征在于，所述电缆设备还包括第一支柱、第二支柱、第一导线、第二导线、设置于所述第一支柱上的第一支持绝缘子和设置于第二支柱上的第二支持绝缘子，所述第一电缆的电缆终端固定安装于所述第一支持绝缘子上，所述第二电缆的电缆终端固定安装于所述第二支持绝缘子上，所述第一导线的一端连接所述第一电缆的电缆终端，所述第二导线的一端连接所述第二电缆的电缆终端，所述第一导线的另一端和所述第二导线的另一端分别连接在所述分段器的两端。

4.根据权利要求1所述的一种铁路接触网电分段消弧装置，其特征在于，所述电缆设备还包括第三支柱、第一导线、第二导线、设置于所述第三支柱的第三支持绝缘子和第四支持绝缘子，所述第一电缆的电缆终端固定安装于所述第三支持绝缘子上，所述第二电缆的电缆终端固定安装于所述第四支持绝缘子上，所述第一导线的一端连接所述第一电缆的电缆终端，所述第二导线的一端连接所述第二电缆的电缆终端，所述第一导线的另一端和所述第二导线的另一端分别连接在所述分段器的两端。

5.根据权利要求1所述的一种铁路接触网电分段消弧装置，其特征在于，所述开关设备包括电流互感器和与所述电流互感器原边绕组串联的开关，串联后的电流互感器和开关通过所述电缆设备与所述分段器并联。

6.根据权利要求5所述的一种铁路接触网电分段消弧装置，其特征在于，还包括与所述电流互感器次边绕组连接的电流过程记录仪。

7.根据权利要求1所述的一种铁路接触网电分段消弧装置，其特征在于，所述开关设备的开关状态为常闭，检修或故障时开关状态为断开。

8.根据权利要求1-7中任意一项所述的一种铁路接触网电分段消弧装置，其特征在于，第一电缆和第二电缆的单芯电缆长度l相同时，单芯电缆长度l、第一电缆和第二电缆的中心轴间距d₁₂和单芯电缆的等效半径R_ε需要满足以下公式：

式中，U_T为电压阈值，U_T的取值为分段器两端最小绝缘击穿电压值；L_n为单芯电缆单位长内电感；μ₀为介电常数；R_ε为单芯电缆的等效半径；d₁₂为第一电缆和第二电缆中心轴间距，为的自然对数；i₁、i₂分别为电力机车通过分段器时第一电缆和第二电缆的电流；分别为机车通过分段器时电缆电流变化率，与列车通过的速度相关。

9.一种牵引变电所，其特征在于，所述牵引变电所通过权利要求1—8任意一项所述的铁路接触网电分段消弧装置中的电缆设备给所述电分段消弧装置两侧接触网供电，所述牵引变电所为同相牵引变电所。

10.一种牵引供电系统，其特征在于，包括如权利要求9所述的牵引变电所。