電氣化鐵路變電所地面自動過分相裝置

摘 要：交流電氣化鐵路每隔50～60km即設置一處牽引變電所，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變電所地面自動過分相裝置設計方案，介紹了系統構成和主要部件的功能，探討了正向行車和反向行車的控制方案和工作時序，并對晶閘管閥的安全設計以及在不同接線型式牽引變壓器條件下的額定電壓設計和切換死區時間進行了分析。通過現場高壓運行試驗，驗證了系統設計及控制策略的可行性和安全性。裝置能夠根據系統情況進行參數自整定，適應性強，保障電力機車不降速、平滑無感知地通過變電所分相區，增加線路運輸能力。

關鍵詞：電氣化鐵路；變電所；自動過分相；控制策略；時序；切換時間；晶閘管閥

中圖分類號：U223.6 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）19-0070-04

Abstract： One traction substation is set in the AC electrified railway every 50 to 60 km. In order to solve the problems existing in the present on-board and ground passing neutral-section modes， this paper proposes a kind of design scheme of ground automatic neutral-section passing device based on high-power power electronic technique， introduces the system composition and functions of its main components， discusses the control scheme and time sequence of the forward and reverse driving， analyses the safety design， and explores the rated voltage of thyristor valve group and switching dead time under the condition of traction transformers with different wiring types. The feasibility and safety of the system design and control strategy have been verified by on-site high-voltage operation test. The device can self-tune the parameters according to the system conditions and has strong adaptability， ensuring that the electric locomotive smoothly passes neutral-section of the substation without speed loss， and increases the line transportation capacity.

Keywords： electrified railway； traction substation； automatic neutral-section passing； control method； time sequence； switching time； thyristor valve

引言

通常情況下，交流電氣化鐵路每隔50～60km即設置一處牽引變電所，將來自公共電網的110kV或220kV三相電源轉換成27.5kV的單相電源供給電力機車[1]。無論采用何種類型牽引主變，供給變電所左右兩側接觸網的饋線電源均存在相位和幅值的差異[2]，比如V/v變壓器低壓側相差為60°，Scott變壓器低壓側相差為90°，且兩側的電壓幅值隨著牽引負荷大小波動，因此，在物理結構上，通常由錨段式關節構成電分相區（中性區）隔開，不能直接連通[3]。電力機車通過變電所區域時，就存在如何通過電分相的問題，目前可行的方案包括司機手動斷電過分相、車載斷電自動過分相和地面轉換自動過分相。當機車速度≤80km/h時，可采用司機手動斷電過分相方式，但司乘人員工作強度大，易造成誤操作，帶電闖分相引起拉弧導致接觸網損毀事故。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及我司承擔的國家重點研發項目，研制了一種安裝于變電所的新型地面自動過分相裝置，能夠實現電力機車不降速、平滑無感知地通過。同時，裝置可以便捷調整切換死區時間（斷電轉換時間），適應安裝各種類型牽引主變的變電所，具有普遍適用性。

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、電壓互感器、電流互感器以及高壓大功率晶閘管閥、控制單元、繼保單元、監測單元等構成，一次主電路見圖2。

1.1 主要部件功能

裝置各主要子部件的功能說明如下：

（1）位置檢測單元提供電力機車的線路區間位置信號。

（2）隔離開關、斷路器為裝置的接入開關，實現故障保護和檢修隔離。

（3）電壓互感器、電流互感器檢測牽引供電系統及裝置內部電氣信息。

（4）高壓大功率晶閘管閥組為執行機構，由反并聯的晶閘管元件串聯組成。晶閘管屬于電力電子器件，沒有機械觸點，理論上具有無限次動作壽命，可根據工程需要，選用光觸發晶閘管或電觸發晶閘管。

（5）電阻在電力機車到達中性區之前，作為負載提前導通晶閘管閥，同時可以有效抑制系統過電壓。

1.2 內部關聯關系

裝置內部關聯關系如圖3所示，控制單元是整個裝置的核心，依據位置檢測單元（J1～J4）、電壓互感器（PT1～PT3）和電流互感器（CT1～CT4）提供的信號，按照預定邏輯輸出控制信號至高壓大功率晶閘管閥組，交替導通A閥和B閥，保障電力機車無感知通過分相區。同時，控制單元接收保護單元的動作預告信號，外部故障時刻及時封鎖晶閘管閥的觸發脈沖；還可以輸出控制命令至繼保單元，分斷接入開關（QF1～QF2、QS1～QS3）。

2 控制方案

裝置適應長分相和短分相結構，同時具備雙向行車能力，機車位置檢測單元J1-J3-J4組成正向行車檢測區間，J4-J2-J1組成反向行車檢測區間。機車位置檢測單元J1和J4分別安裝于距離中性區前后一定距離的軌道旁，J2和J3安裝在中性區內兩側靠近分相入口的軌道旁。以下通過各個位置檢測單元和晶閘管閥組的動作時序，分別說明機車正向行駛和反向行駛時的控制邏輯。位置檢測單元的高電平表示機車到達該處；A閥和B閥的工作狀態也通過高低電平表示，高電平表示閥組導通，低電平表示閥組已關斷。

2.1 機車正向行駛

如圖4，當機車從a相駛來，到達J1處時，A閥導通，中性段接觸網由a相供電，待機車進入中性段，到達J3處時，A閥關斷，B閥迅速導通，完成中性段供電的電源變換。由于此時中性段已由B相供電，機車可以在不用任何附加操作，負荷基本不變的條件下通過分相區，待機車到達J4處時，B閥關斷，裝置恢復原始狀態。位置檢測單元J2在正向行車過程中不參與邏輯控制。

T1～T4時刻，裝置各子部件的工作狀態說明如下：

（1）在T1時刻，機車到達J1處，位置傳感器J1輸出高電平位置信號，A閥導通，中性區帶a相電，當機車進入中性區之后，牽引負荷電流從A閥通過。

（2）在T2時刻，機車到達J3處，位置傳感器J3輸出高電平位置信號，A閥關斷。

（3）在T3時刻，經過A閥關斷預設的延時，B閥導通，機車牽引負荷電流從B閥通過。

（4）在T4時刻，機車到達J4處，位置傳感器J4輸出高電平位置信號，由于此時機車在中性區外，B閥已處于空載狀態，則B閥于此刻關斷，裝置恢復原始狀態。

2.2 機車反向行駛

當機車從b相駛來， 到達J4處時，B閥導通，中性段接觸網由b相供電，待機車進入中性段，到達J2處時，B閥關斷，A閥迅速導通，完成中性段供電的電源變換。由于此時中性段己由a相供電，機車可以在不用任何附加操作，負荷基本不變的條件下通過分相區，待機車到達J1處時，A閥關斷，裝置恢復原始狀態。位置檢測單元J3在正向行車過程中不參與邏輯控制。

T1～T4時刻，裝置各子部件的工作狀態說明如下：

（1）在T1時刻，機車到達J4處，位置傳感器J4輸出高電平位置信號，B閥導通，中性區帶b相電，當機車進入中性區之后，牽引負荷電流從B閥通過。

（2）在T2時刻，機車到達J2處，位置傳感器J2輸出高電平位置信號，B閥關斷。

（3）在T3時刻，經過B閥關斷預設的延時，A閥導通，機車牽引負荷電流從A閥通過。

（4）在T4時刻，機車到達J1處，位置傳感器J1輸出高電平位置信號，由于此時機車在中性區外，A閥已處于空載狀態，則A閥于此刻關斷，裝置恢復原始狀態。

3 關鍵技術問題

3.1 閥組安全設計

晶閘管閥組主要包括反并聯晶閘管組件、散熱器、均壓回路、高電位觸發和監控單元、BOD（Break Over Diode）保護電路等。（1）若干個反并聯晶閘管組件串聯構成閥組主電路，設計時需要根據項目現場應用情況，預留充足的電壓和電流儲備系數。（2）散熱器可采用型材自冷、熱管散熱或水冷方式，應保證可靠性高、穩定性好、散熱能力強、耐腐蝕，噪音小。（3）均壓電路由電阻和電容組成，并接在每組反并聯的晶閘管的兩端，可以有效抑制晶閘管關斷時的過壓，并承擔靜態、動態均壓作用。（4）高電位觸發和監控單元通過光電轉換方式保障絕緣安全，采用光纖通信保證觸發信號和監控信息的可靠性。（5）晶閘管閥配備BOD過電壓保護電路，當觸發脈沖通道故障或其它原因，造成晶閘管兩端電壓升高到保護電路的動作電壓值時，BOD擊穿導通，向晶閘管門極發送觸發信號，強制晶閘管導通，保護晶閘管不被擊穿[6]。

3.2 閥組額定電壓

由系統主電路可知，A閥和B閥均未導通時，a供電臂和b供電臂的電壓差由兩個電子開關串聯分壓承受；當A閥和B閥其中之一導通時，另一個未導通晶閘管閥需要單獨承受a臂和b臂的電壓差。因此，單個閥組的額定電壓應按照a臂和b臂的電壓差來設計。牽引變壓器的接線方式不同，27.5kV側a供電臂和b供電臂之間的相角和電壓差也不同。目前，牽引變壓器最常用的接線方式包括V/v牽引變壓器、Scott牽引變壓器和平衡變壓器等，經過計算，各種接線型式下單個閥組的額定電壓見下表1。

3.3 切換死區時間

以V/v變壓器供電方式為例進行切換死區時間分析，在a相供電臂電壓Ua的上升過零點（圖8中時間點①）關斷A閥的觸發脈沖，根據晶閘管的特性，A閥的實際關斷時刻是在機車負荷電流Ia的上升過零點（圖8中時間點②），由于A閥關斷之前電流為負值，所以B閥開通的時刻也需要控制在b相供電臂電壓Ub的上升過零點，流經B閥的機車負荷電流Ib從正向開始，從而保證機車變壓器不存在偏磁問題。

定義Ia滯后Ua的相位為Ф，分牽引和制動兩個運行工況進行分析：（1）當機車處于牽引狀態，如果0°≤Ф≤60°，可以在圖8中時間點③開通B閥，死區時間為0ms～3.3ms；如果60°≤Ф≤90°，需要在圖8中時間點④開通B閥，死區時間為18.3ms～20ms。（2）當機車處于再生制動狀態，Ф=-180°，需要在圖中④點開通Ub，死區時間為13.3ms。工程應用時，為保證設備安全，通常在Ua的上升過零點關斷A閥的觸發脈沖，在Ub的第二個上升過零點開通B閥的觸發脈沖，則最短切換死區時間為13.3ms～23.3ms，并可根據機車適應情況適當增加n*20ms。同理，可以得到Scott和平衡變的最短切換死區時間見下表2。

4 試驗驗證

為了驗證本文所提出的裝置及控制方法的技術性能，于2019年1月在某重載鐵路變電所進行了高壓試驗，測試了各種機車運行工況下最優切換死區時間，部分現場試驗波形見圖9～圖11。機車通過分相區前后，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，實現了帶電無感知過分相。

5 結束語

本文提出了一種由位置檢測單元、控制單元、繼保單元、高壓大功率晶閘管閥等構成的新型變電所地面自動過分相裝置，討論了正向行車和反向行車的控制方案和工作時序，研究了晶閘管閥的安全設計以及在不同接線型式變壓器情況下的額定電壓設計和切換死區時間，并在現場進行了高壓運行測試。經驗證，裝置設計及控制方法安全可靠，參數自整定，適應性強，能夠保障電力機車不降速、平滑無感知地通過變電所分相區，增加線路運輸能力。

參考文獻：

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[4]倪大勇，于偉凱.車輛自動過分相系統研究[J].沿海企業與科技，2013（01）：45-48.

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[6]胡曉東，蔣家久，呂順凱.高壓晶閘管閥過電壓BOD保護設計[C]//第二屆全國電能質量學術會議暨電能質量行業發展論壇論文集.長沙：中國電源學會電能質量專業委員會，2011：324-329.