基于晶閘管的地面自動過分相系統及工程驗證

王林濤 李鵬飛 謝 棟

（陜西靖神鐵路有限責任公司，陜西 榆林 719000）

我國電氣化鐵路普遍采用列車自動過分相。雖然列車自動過分相可以減少司機的人工操作，提高系統安全性等[1-2]，但是仍存在一定不足，如過分相期間列車失去牽引力，行駛速度會明顯降低，不利于運量提升。此外，列車主斷路器的頻繁動作，經常產生過分相過電壓，嚴重時造成互感器等車載高壓設備損壞。

我國在20 世紀80 年代開展以真空斷路器為核心部分的地面自動過分相技術研究，通過控制地面真空短路器的分合，實現向接觸網中性區供電，支撐列車帶電自動過分相，提高了列車供電的連續性[3]。然而，由于真空斷路器在分斷操作時易產生很大的暫態過電壓，對系統運行安全產生一定隱患，因此應用價值受限[4]。該文開展了一種新型地面自動過分相技術研究，采用由晶閘管構成的電子開關代替真空斷路器提高系統性能，分析其工作原理，并通過工程應用驗證其有效性。

1 地面自動過分相系統

1.1 系統結構

如圖1 所示，傳統牽引供電系統由供電臂a、供電臂b 以及二者之間的電分相區構成。其中，電分相區由兩個錨段關節和一個中性區構成。該中性區無電源供電，實現2 個供電臂的電氣隔離。

圖1 地面自動過分相系統結構

地面自動過分相系統主要由2個電子開關（Va和Vb）、列車位置檢測傳感器（CG1、CG2、CG3 和CG4）以及斷路器（QF1、QF2 和QF3）和互感器構成。其中，通過斷路器QF1～QF3 將3 個輸出端分別連接至供電臂a、中性區、供電臂b 的接觸網。

傳感器CG1—CG4 用于檢測列車位置，當有列車通過時，傳感器向控制系統輸出信號。由于傳感器沿線布置在中性區不同位置，因為通過多個傳感器檢測信號可以識別列車處于中性區的不同位置，進而控制兩個電子開關的導通與關斷。

1.2 電子開關

地面自動過分相系統的電子開關是核心部件[5-7]，是提高列車過分相系統的決定性因素。晶閘管是一種典型的能在高電壓、大電流條件下工作的功率半導體開關器件，可零電壓開通導通、零電流關斷。因此，每個電子開關由多個反并聯晶閘管串聯構成，可承受符合設計要求的高電壓、大電流。

為減少占地，電子開關采用上下疊放的多層架構，如圖2所示。每個電子開關最下層設置散熱風機，中間層和上層為晶閘管串聯回路、并聯RC 組件以及觸發控制電路等。外形結構如圖2（a）所示，核心部件布局如圖2（b）所示。

圖2 晶閘管電子開關

2 功能原理

2.1 輸出電壓

由于上述電子開關可實現零電壓開通功能，可將其等效為2 個可控開關。因此，中性區的電壓與2 個電子開關的導通狀態相關，且其中一個供電臂電壓或無電壓。因此，定義2個供電臂電壓如公式（1）所示。

定義2 個晶閘管的開關狀態為Sa、Sb，如公式（2）所示。其中，Sa 為晶閘管SCR_V1 導通狀態，Sb 為晶閘管SCR_V2導通狀態。

由公式（1）和公式（2）可以得到中性區電壓，如公式（3）所示。

綜上所述，可根據電子開關導通狀態獲得中性區電壓，如圖3 所示。當晶閘管Va導通后，中性區電壓與供電臂a 電壓相同。同理，當晶閘管Vb導通后，中性區電壓與供電臂b 電壓相同。為保證2 個供電臂之間形成短路，需要嚴格控制2 個晶閘管的導通時序，在晶閘管Va由導通狀態變換至關斷狀態后，需要設置一定的時間，然后再發出Vb的觸發導通信號，這樣就可以有效避免2 個晶閘管同時導通造成的2 個供電臂短路現象。

圖3 中性區電壓示意圖

2.2 動作時序

傳感器用于檢測機車位置，是一種基于霍爾效應和磁阻效應的傳感器，主要由磁鐵和磁敏電阻構成[8-9]。當列車輪對經過時，輪對切割磁鐵產生的磁力線，導致檢測到的磁場發生變化，則認為有列車駛過，向外輸出脈沖信號。該檢測方法具有精度高、響應速度快、可靠性高、使用壽命長等優點。

當采用列車正向行駛時，通過傳感器CG1、CG3 和CG4 檢測列車位置，當檢測到列車通過時輸出脈沖信號，由控制系統進行狀態識別，然后控制2 個電子開關，相關時序如圖4 所示。

圖4 傳感器輸出和晶閘管狀態

根據上述時序圖，可將列車過分相過程分為4 個階段，每個階段的狀態如下。

狀態1：無傳感器檢測到列車，則兩個電子開關均處于關斷狀態，中性區為無電狀態。

狀態2：當傳感器CG1 檢測到列車時，則向控制系統輸出脈沖信號，控制系統向Va發出驅動信號，則Va導通，中性區由供電臂a 供電。列車駛入中性區時中性區與供電臂a 電壓相同。

狀態3：當傳感器CG3 檢測到列車時，則向控制系統輸出脈沖信號，控制系統撤銷Va驅動信號，Va在電流過零時自動關斷，然后控制系統向Vb發出驅動信號，則Vb導通，中性區由供電臂b 供電。列車駛出中性區時中性區與供電臂b 電壓相同。

狀態4：當傳感器CG4 檢測到列車時，則輸出脈沖信號，控制系統撤銷Vb驅動信號，當Vb在電流過零時自動關斷，中性區恢復無電狀態。

此外，當列車反向行駛時，通過傳感器CG4、CG2、CG1 檢測列車位置，其原理和時序與正向行駛時相似，該文不再贅述。

3 試驗驗證

結合我國某工程應用需求，開發了基于晶閘管的地面自動過分相裝備，并完成了某重載鐵路的地面自動過分相的工程示范，分別開展了模擬試驗和帶載試驗。

3.1 模擬試驗

將地面自動過分相系統接入既有牽引供電系統，模擬列車檢測信號，由控制系統分別控制2 個電子開關導通與關斷。圖5為模擬試驗結果，其中通道1（CH1）為中性區電壓，通道2、3（CH2、CH3）分別為連接與供電臂a 和供電臂b 的晶閘管輸出電壓，設定Va關斷到Vb導通的間隔時間為125.6ms，當未帶載時，中性區可根據指令由其中一個供電臂供電，且無暫態過電壓。

圖5 模擬試驗電壓波形

3.2 帶載試驗

在運營列車的配合下，該研究開展了帶載試驗，試驗結果如圖6 所示。其中，通道1（CH1）為晶閘管Va 導通后的電壓，通道2（CH2）為晶閘管Vb 導通后的電壓，通道3、4（CH3、CH4）分別為晶閘管Va、Vb 導通后的負載電流。

圖6 帶載試驗電壓和電流波形

試驗列車為多編組形式，在逐步進入中性區過程中負載電流存在階躍增加現象，由中部機車駛入后負載突增導致。可以看出，列車在中性區仍可帶電行駛，且輸出足夠的牽引力，提高了通行能力。列車在駛入、駛出中性區過程中均無暫態過電壓，僅在2 個電子開關切換時存在一定程度的勵磁沖擊電流，主要原因是車載變壓器磁通變化。

傳統自動過分相列車在過分相前檢測到預警信號，然后逐漸降低牽引力，當牽引力為0 時斷開主斷路器，然后通過中性區，列車斷電時間長 ，列車無牽引力時間更長。晶閘管的地面自動過分相系統列車斷電時間明顯減少 ， 無牽引力時間也相應減少。

由帶載試驗可以得知，地面自動過分相可以較好地滿足重載線路應用需求，其帶載能力強，由于晶閘管元件可耐受大電流，因此帶載電流可達1000A 以上，提高了重載列車的長大坡道通行能力。此外，試驗全過程無明顯的以過電壓為代表的暫態沖擊，暫態性能得到了明顯提升。

4 結語

該文介紹了一種地面自動過分相系統，采用晶閘管構成電子開關，利用其良好的受控特性實現性能良好的列車自動過分相。分析了工作原理，詳細描述了工作時序。此外，結合示范工程，通過模擬試驗、帶載試驗驗證了地面自動過分相系統可以提高列車長大坡道通行能力、降低過分相過電壓等暫態沖擊，保障列車運行安全。