電氣化鐵路分區所地面自動過分相裝置

呂順凱

摘? 要：電氣化鐵路分區所的兩路引入電源在接觸網上設置了錨段關節式分相進行隔離，以避免雙邊變電所之間出現環流。為解決現有車載斷電過分相和地面切換過分相方式通過此處分相區時存在的各種問題，文章提出了一種基于大功率電力電子技術的分區所地面自動過分相裝置設計方案，介紹了系統構成和控制方法，探討了保護邏輯，并通過現場高壓運行試驗，驗證了方案及控制策略的可行性、安全性和優越性。分相雙邊電源切換時間可在0.1ms～10ms之間無級調節，保證電力機車及動車組等負載不降速、平滑無感知通過，并有效防止變電所之間潮流交換。同時，裝置系統構成簡潔，保護功能完善，便于運營管理和維護檢修。

關鍵詞：分區所;自動過分相;環流;控制方法;切換時間;保護;晶閘管閥

中圖分類號：U223.6? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）05-0007-04

引言

我國電氣化鐵路牽引供電系統采用27.5kV單相供電方式，牽引變電所將公共電網的三相電源轉換成27.5kV的單相交流電供給牽引供電網[1]。為抑制負序，平衡電力系統的A、B、C三相電流，牽引變電所接入電源相序采用輪流轉換方式[2]。分區所處于變電所供電線路末端，位于兩個相鄰變電所之間，引入的兩路電源分別由左右兩邊的變電所提供。通常情況下，每隔50～60km即設置一處分區所，按照相序循環輪換的原則，雙邊電源基本同相位或相差很小，但是為了避免變電所之間的環流，在物理結構上，由錨段式關節構成電分相區（中性區）隔開，不直接連通[3]。電力機車或動車組等通過分區所時，就存在如何通過電分相的問題。為了防止司機手動誤操作，帶電闖分相引起拉弧造成接觸網損毀事故，列車在通過該分相區時，可行的方案包括車載斷電自動過分相和地面轉換自動過分相。車載斷電自動過分相無需人工干預、投資小、技術成熟，適應于低速、常速、高速列車的要求，應用范圍廣泛，但存在列車降牽引、速度損失大、存在過電壓沖擊等缺點[4]。現有地面轉換自動過分相通過真空斷路器切換給輪流中性段供電，失電時間短，列車速度損失小;同時，車上主斷路器不動作，減小了開斷次數，延長機車主斷的使用壽命，但是存在過電壓沖擊，且需要修改機車程序，應用受到一定的限制[5]。

基于現已成熟應用的大功率晶閘管閥控制技術[6]，本

文提出了一種新型地面自動過分相裝置設計方案，介紹了裝置的系統構成、控制方法及保護邏輯，并通過現場高壓運行試驗，驗證了應用效果。該裝置安裝于分區所內，能夠實現電力機車和動車組不降速、平滑無感知地通過雙邊電源同相或者相位差較小的電分相區。同時，裝置可以有效保證切換死區時間（斷電時間），防止分區所雙邊電源之間出現潮流環流。

1 裝置構成

過分相裝置主要由位置檢測單元、隔離開關、斷路器、避雷器、電流互感器以及大功率晶閘管閥等構成，一次主電路見圖1。

主要設備清單見表1。

按照功能劃分，裝置包含位置檢測、控制、保護及執行等四個單元，功能單元之間關聯關系見圖2。

1.1 位置檢測單元

PS1、PS2、PS3提供機車或動車組位置信號給控制單元。

1.2 控制單元

依據位置檢測單元（PS1、PS2、PS3）、電壓互感器（PT1、PT2）和電流互感器（CT1、CT2）提供的信號，控制單元輸出控制信號至晶閘管閥，控制K1、K2、K3、K4的導通與關斷，并接收4個閥組的狀態反饋。同時，控制單元接收保護單元的動作預告信號，封鎖晶閘管閥的觸發脈沖;還可以輸出控制命令信號至保護單元，分斷QF1、QF2。

1.3 保護單元

檢測斷路器（QF1、QF2），隔離開關（QS1、QS2、QS3），電壓互感器（PT1、PT2），以及電流互感器（CT1、CT2）的信號，根據預設的定值和邏輯進行裝置保護。

1.4 執行單元

執行單元包括K1、K2、K3、K4四個晶閘管閥，單個閥均由晶閘管元件順序單向組串而成，構成示意見圖3。

2 控制方法

位置檢測單元發送“檢測有車”信號至控制單元，經過邏輯判別確定行車方向及運行位置。過分相過程中，裝置的控制策略如下：

（1）中性區原本為無電狀態，電力機車/動車組行駛至位置檢測單元PS1位置，控制單元通過位置檢測邏輯處理，判定為正向行車。控制單元清零晶閘管閥K1～K4的脈沖使能信號，再置位K1和K3的脈沖使能信號，與晶閘管觸發脈沖等信號進行“與”邏輯后，輸出觸發脈沖至K1和K3，晶閘管閥K1和K3導通，中性區的電壓和相位與左側電源U1完全相同。

（2）電力機車/動車組行駛至PS2位置，控制單元接收到位置檢測信號，進行雙邊電源切換，控制時序如下圖4所示（以雙邊電源存在比較大的相位差，同時電力機車或動車組等負載處于功率因數低導致的電壓/負載電流相位偏差較大的最復雜工況為例進行說明）：

a.網壓過零點t0時刻，清零K1的脈沖觸發使能信號，晶閘管閥K1在負載電流的過零點自然關斷。

b.網壓過零點t1時刻，清零K3的脈沖觸發使能信號，晶閘管閥K3在負載電流的過零點t2時刻自然關斷，電力機車/動車組27.5kV一次側電壓和電流均變為0。

c.控制單元檢測到電流互感器CT1的電流為0，經過延時時間T（定值可調節，0.1ms≤T<10ms），t3時刻，置位晶閘管閥K4的脈沖使能信號，與晶閘管觸發脈沖等信號進行“與”邏輯后輸出觸發脈沖至K4，晶閘管閥K4立即開通。

d.網壓過零點t4時刻，置位晶閘管閥K2的脈沖使能信號，與晶閘管觸發脈沖等信號進行“與”邏輯后輸出觸發脈沖至K2，晶閘管閥K2立即導通;中性區的電壓和相位與右側電源U2完全相同。

圖4中：U1：分區所左側變電所供電電源。

U2：分區所右側變電所供電電源。

Un：通過過分相裝置供給的中性區電壓，同時也是電力機車/動車組等牽引供電負載的25kV側電壓。

I：通過過分相裝置供給的電力機車/動車組等牽引供電負載的25kV側電流。

（3）電力機車/動車組行駛至位置檢測單元PS3位置，控制單元清零晶閘管閥K2和K4的脈沖使能信號，晶閘管閥K2和K4關斷，中性區恢復無電狀態，等待下一趟機車/動車組到來。

3 保護策略

為保障牽引供電系統及過分相裝置的安全可靠運行，保護單元通過采集電流互感器、電壓互感器、晶閘管閥的狀態反饋信號，制定了綜合保護策略，設置了多重保護。主要包括：

3.1 電流保護

電流互感器CT1、CT2分別檢測流經各自回路的電流ICT1和ICT2，如果出現：

單邊過流，CT1的測量值ICT1≥過流設定值Iset1。

單邊過流，CT2的測量值ICT2≥過流設定值Iset1。

雙邊環流，CT1的測量值ICT1=CT2的測量值ICT2≥環流設定值Iset2。

則控制單元輸出跳閘命令至保護單元，聯跳雙邊斷路器QF1和QF2。

3.2 電壓保護

電壓互感器PT1、PT2分別檢測雙邊電源母線電壓UPT1和UPT2，如果出現：

單邊過壓，PT1的測量值UPT1≥過壓設定值Uset，則控制單元發出報警信號，同時輸出跳閘命令至保護單元，跳斷路器QF1;若10s后若檢測PT1的測量值UPT1<設定值Uset，則執行一次自動重合閘，輸出合閘命令至保護單元，合斷路器QF1。

單邊過壓，PT2的測量值UPT2≥過壓設定值Uset，則控制單元發出報警信號，同時輸出跳閘命令至保護單元，跳斷路器QF2。若10S后若檢測PT2的測量值UPT2<設定值Uset，則執行一次自動重合閘，輸出合閘命令至保護單元，合斷路器QF2。

3.3 閥組保護

控制單元檢測執行單元K1～K4的元件狀態反饋， 如果出現：

元件個數輕故障，故障元件個數N≥元件個數輕故障設定值Nset1，控制單元發出報警信號。

元件個數重故障，故障元件個數N≥元件個數重故障設定值Nset2，控制單元發出跳閘命令至保護單元，聯跳雙邊斷路器QF1和QF2。

4 試驗驗證

為了驗證本文所提出的裝置及控制方法的安全性、可行性，于2018年9月在某鐵路分區所進行了高壓運行測試。試驗波形如圖6、圖7所示。

圖6可見，分區所雙邊電源的依次流經CT1和CT2供給機車，過分相裝置切換時間控制為1.6ms，雙邊牽引供電系統無環流。圖7可見，換相前后，機車原邊電流、四象限電流及直流電壓波形平穩，各項運行指標正常，實現了機車帶電無感知過分相。

5 結束語

本文所提出的分區所地面自動過分相裝置，由位置檢測單元、控制單元、保護單元、執行單元構成，系統構成簡潔，功能和結構分區清晰，控制方法安全可靠，檢修維護方便。裝置能夠實現電力機車或者動車組等負載不降速、平滑無感知地通過分區所分相區;而且，通過位置檢測信號、晶閘管閥導通使能信號、晶閘管觸發脈沖之間的連鎖，還可以有效保證斷電切換時間無級可調，防止分區所雙邊電源之間出現潮流環流。現場高壓運行試驗證明，系統設計及控制方法安全可靠，能夠顯著縮短機車分相區通過時間，增加區間通過能力，提升鐵路運能，值得進一步推廣應用。

參考文獻：

[1]李群湛.牽引變電所供電分析及綜合補償技術[M].北京：中國鐵道出版社，2006.

[2]趙強，張潤寶，薛玉霞，等.牽引變電所換相連接方式研究[J].電氣化鐵道，2010（2）：28-31.

[3]柴少強.接觸網電分相分析[J].科技創新與應用，2015（15）：59-60.

[4]敖曉峰，劉仕兵.車載斷電自動過分相裝置[J].電氣化鐵道，2006（2）：5-10.

[5]羅文驥，謝冰.電氣化鐵道地面帶電自動過分相系統技術的研究與應用[J].鐵道機車車輛，2008，28（增刊）：27-33.

[6]傅鵬，高格，李定，等.晶閘管在大功率變流和開關中的應用[J].電工技術學報，2004，19（8）：34-39.