高压晶闸管阀式地面过分相方案研究及安全分析



高压晶闸管阀式地面过分相方案研究及安全分析

王 芳

介绍了一种高压晶闸管阀式新型地面电子过分相设计方案，对该方案可能发生的危险及产生的影响进行风险分析，提出了控制措施、保护和应急响应方案，并进行了安全性评价。

电子自动过分相；安全分析；保护方案

0 引言

目前，我国自动过分相装置主要采用车载自动控制断电方式和地面开关自动切换方式[1]。其中车载自动断电过分相应用范围较广，无需人工干预、投资低、与列车运行速度无关，且技术成熟，已在国内多条线路上应用，缺点是中性区转换运行时间较长，机车断电时间明显，速度损失较大[2]。随着我国高速和重载铁路的快速发展，断电过分相的方式已不能适应高速铁路和重载铁路的发展需求。

地面自动过分相通过安装在地面的装置为中性区供电，列车运行在分相区时也可以获得电能，因此牵引力损失较小。根据地面开关器件的不同，可以分为真空断路器式和高压晶闸管阀式地面自动过分相。其中真空断路器式自动过分相由于开关器件为机械开关，存在开关寿命低、不能精确控制分/合闸的相位等问题，并且会产生较高合闸过电压，影响铁路的安全运行[3]；高压晶闸管阀式地面自动过分相采用电力电子器件代替机械开关，可以精确控制合闸相位，抑制合闸过电压和涌流，从而实现柔性自动过分相，但其难点为高压晶闸管阀由多个元件串联构成，系统可靠性要求较高。

为减小故障风险，保证设备可靠运行，本文研究高压晶闸管阀式电子地面自动过分相技术，为其实际运用推广制订风险应急预案并提出相应解决措施，从而降低故障风险，提高设备的安全性能。

1 高压晶闸管阀式地面过分相方案

高压晶闸管阀已在牵引供电系统的高压无功补偿装置（SVC）中应用多年，其保护功能完善，运行稳定。通过更改系统级控制策略，即可满足自动过分相装置的应用需求。

1.1 基本原理

图1所示为电子开关过分相工作原理，图中CG1-CG3为计轴传感器，CG1和CG3分别安装在距中性区一定距离的轨道旁，CG2安装在中性区内靠近分相入口的轨道旁。

图1 电子开关过分相工作原理

当机车从A相行驶到CG1处时，开关SA闭合，中性段接触网由A相供电；机车驶入中性段到达CG2处时，SA断开，SB迅速合上，完成中性段供电的换相，由于此时中性段已由B相供电，机车可以在无需任何附加操作、负荷基本保持不变的条件下通过分相段；机车驶离CG3处时，SB断开，装置恢复原始状态，各类设备也恢复至原始状态。反向行驶时，由控制系统控制2个开关以与上述相反顺序轮流断开与闭合。

1.2 系统方案说明

电子开关过分相的系统原理如图2所示。主要设备构成及功能见表1。

图2 基于电子开关的过分相系统原理

表1 主要设备构成及功能

2 风险分析及处理方案

电子自动过分相对压缩列车通过高坡重载区段的时间、提高列车速度和运能具有重要意义。为了确保设备可靠运行，需对整套设备进行风险评估，分析可能存在的风险，预测风险影响范围及程度，及时采取相应的处理措施，以保证设备可靠运行。由于自动过分相设备风险源较为繁复，无法按照统一标准进行控制，为提高分析的针对性和有效性，采取分类识别（根据大功率电力电子产品的特性，识别自动过分相系统的风险类型）、分阶段控制（根据设计、制造、建设、运营不同阶段提出风险控制措施）、分级保护（根据故障级别采取相应的保护及应急方案）的分析方法进行风险控制研究。

2.1 风险分析

通过广泛收集数据并征求相关意见，分析风险及其相关因素，进行风险类别划分，最终根据电力电子产品的特性，将地面电子过分相的危险源种类分为一般危险源、故障危险源、接口危险源和场地危险源4种。每种风险源类型均包含潜在风险事件，风险事件产生的原因通常归纳为：设计原因、制造原因、施工原因、运营原因以及外部因素，如图3所示。

图3 安全风险分析

2.2 风险控制措施

依据危险源种类分析潜在风险产生故障的影响，从设计、制造、施工、运营方面分别制订故障风险控制措施。

（1）设计措施。晶闸管故障可造成自动过分相设备受损，导致系统降级运行或停机，需进行系统冗余设计，选用的晶闸管应按照相关标准，对温度、电压、电流等额定参数进行选择，满足现场运行需求；RC故障可造成设备短路、电阻发热，导致RC支路损伤，需完善RC设计，加强调试器监测；计轴系统故障可造成设备无动作、系统故障停机，需进行计轴点冗余设计，由单独的主机单元进行判断；控制软件故障可造成设备无法正常工作，需加强对软硬件接口的识别；通信故障可造成系统上传数据异常，设备无法正常工作，必须采取相应的抗干扰措施；控制系统故障将造成列车带电过分相，导致接触网承力索设备被灼伤，需在系统设计时进行冗余设计，建立完善的自身保护单元，加长中性段长度，局部采取抗弧防护措施。

（2）制造措施。所有的电缆结构件等采用阻燃和无毒材料；设备外壳需经过防腐喷漆处理，采用不锈钢材料。

（3）施工措施。对于存在人身触电风险的现场需进行外壳接地，防止人员触电；对于局部电弧可能灼烧承力索的隐患，提前采用铝合金预绞丝等防护方式进行防护，以保证设备安全。

（4）运营维护措施。预防故障危险源中隔离开关的误操作，运营单位需加强运营管理，制订完备的操作流程。

（5）控制场地危险的措施。为保证人身安全需在关键位置设置防触电接地等警示标识；场地周围安装隔离带，安全员定时巡逻检查。

2.3 应急方案

制订应急方案，首先需对潜在风险进行具体分析，划分详细的风险等级，然后按照故障级别详细分析发生故障后的处理措施和应急方案，详见表2。

表2 风险等级及相应保护、应急方案

3 安全性评价

（1）电力电子开关自动过分相装置不会引发灾难性的事故，虽存在严重等级事故风险，但是发生概率很低，且对事故进行了监测，消除了人员和设备受到严重伤害的可能。

（2）电力电子开关自动过分相装置与牵引变电所的配合兼容接口配置合理可靠，当系统自身发生故障时能自动切除，系统故障排除后具备自投功能，对铁路牵引供电系统的安全运行无影响。

（3）电力电子开关自动过分相装置与通过列车的配合兼容接口配置合理可靠，当系统自身发生故障时能自动切除，列车受电系统也具有自保护功能。系统故障时接触网断电，列车可不带电通过分相区，对列车和接触网设备安全运行无影响。

（4）为电力电子开关自动过分相装置提供了完备的保护、 防护等安全保障措施，并有相应的应急预案，可确保在调试、试验或使用过程中不会发生牵引网损坏、人身伤亡事故等重大事故，将故障或影响限制到可接受的较小范围内，不会对运营线路的工作环境及正常生产秩序造成影响。

4 结语

本文介绍了新型高压晶闸管阀式地面过分相设计方案，分析了其潜在风险，提出了相应控制措施，并按风险级别提出了故障发生后的应急方案。设备运行中可根据风险原因和风险等级采取相应控制措施降低或消除风险，从而使设备的风险管理工作更加全面、有效，保证设备全寿命周期内的安全运行。随着不断总结积累风险管理的经验，电子自动过分相技术将不断改进，可在电气化铁路获得广泛应用。

[1] 丁龙. 地面切换自动过分相系统的方案研究[J]. 铁道技术监督，2011，39（2）：33-35.

[2] 罗文骥，谢冰. 电气化铁道地面带电自动过分相系统技术的研究与应用[J]. 铁道机车车辆，2008（28）：27-33.

[3] 周福林，李群湛. 一种新的地面自动过分相方案的研究[J]. 西铁科技，2007（1）：57-61.

A design scheme is introduced for a new ground type of phase breaking by high voltage thyristor valve. On the basis of analyzing the potential risks and subsequent influences caused by implementation of the scheme, the control measures, protection and emergency rescue schemes are put forward, and the safety assessment is also executed.

Electronic automatic phase breaking; safety analysis; protection scheme

U225.4

B

1007-936X(2018)03-0011-03

2018-01-23

王 芳.中国铁路设计集团有限公司电化电信院，工程师。

10.19587/j.cnki.1007-936x.2018.03.004

科研项目：中国铁路总公司“电力电子开关自动过分相技术研究”（2016J006-A）。