电气化铁路分区所地面自动过分相装置

吕顺凯

摘  要：电气化铁路分区所的两路引入电源在接触网上设置了锚段关节式分相进行隔离，以避免双边变电所之间出现环流。为解决现有车载断电过分相和地面切换过分相方式通过此处分相区时存在的各种问题，文章提出了一种基于大功率电力电子技术的分区所地面自动过分相装置设计方案，介绍了系统构成和控制方法，探讨了保护逻辑，并通过现场高压运行试验，验证了方案及控制策略的可行性、安全性和优越性。分相双边电源切换时间可在0.1ms～10ms之间无级调节，保证电力机车及动车组等负载不降速、平滑无感知通过，并有效防止变电所之间潮流交换。同时，装置系统构成简洁，保护功能完善，便于运营管理和维护检修。

关键词：分区所;自动过分相;环流;控制方法;切换时间;保护;晶闸管阀

中图分类号：U223.6        文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2019）05-0007-04

引言

我国电气化铁路牵引供电系统采用27.5kV单相供电方式，牵引变电所将公共电网的三相电源转换成27.5kV的单相交流电供给牵引供电网[1]。为抑制负序，平衡电力系统的A、B、C三相电流，牵引变电所接入电源相序采用轮流转换方式[2]。分区所处于变电所供电线路末端，位于两个相邻变电所之间，引入的两路电源分别由左右两边的变电所提供。通常情况下，每隔50～60km即设置一处分区所，按照相序循环轮换的原则，双边电源基本同相位或相差很小，但是为了避免变电所之间的环流，在物理结构上，由锚段式关节构成电分相区（中性区）隔开，不直接连通[3]。电力机车或动车组等通过分区所时，就存在如何通过电分相的问题。为了防止司机手动误操作，带电闯分相引起拉弧造成接触网损毁事故，列车在通过该分相区时，可行的方案包括车载断电自动过分相和地面转换自动过分相。车载断电自动过分相无需人工干预、投资小、技术成熟，适应于低速、常速、高速列车的要求，应用范围广泛，但存在列车降牵引、速度损失大、存在过电压冲击等缺点[4]。现有地面转换自动过分相通过真空断路器切换给轮流中性段供电，失电时间短，列车速度损失小;同时，车上主断路器不动作，减小了开断次数，延长机车主断的使用寿命，但是存在过电压冲击，且需要修改机车程序，应用受到一定的限制[5]。

基于现已成熟应用的大功率晶闸管阀控制技术[6]，本

文提出了一种新型地面自动过分相装置设计方案，介绍了装置的系统构成、控制方法及保护逻辑，并通过现场高压运行试验，验证了应用效果。该装置安装于分区所内，能够实现电力机车和动车组不降速、平滑无感知地通过双边电源同相或者相位差较小的电分相区。同时，装置可以有效保证切换死区时间（断电时间），防止分区所双边电源之间出现潮流环流。

1 装置构成

过分相装置主要由位置检测单元、隔离开关、断路器、避雷器、电流互感器以及大功率晶闸管阀等构成，一次主电路见图1。

主要设备清单见表1。

按照功能划分，装置包含位置检测、控制、保护及执行等四个单元，功能单元之间关联关系见图2。

1.1 位置检测单元

PS1、PS2、PS3提供机车或动车组位置信号给控制单元。

1.2 控制單元

依据位置检测单元（PS1、PS2、PS3）、电压互感器（PT1、PT2）和电流互感器（CT1、CT2）提供的信号，控制单元输出控制信号至晶闸管阀，控制K1、K2、K3、K4的导通与关断，并接收4个阀组的状态反馈。同时，控制单元接收保护单元的动作预告信号，封锁晶闸管阀的触发脉冲;还可以输出控制命令信号至保护单元，分断QF1、QF2。

1.3 保护单元

检测断路器（QF1、QF2），隔离开关（QS1、QS2、QS3），电压互感器（PT1、PT2），以及电流互感器（CT1、CT2）的信号，根据预设的定值和逻辑进行装置保护。

1.4 执行单元

执行单元包括K1、K2、K3、K4四个晶闸管阀，单个阀均由晶闸管元件顺序单向组串而成，构成示意见图3。

2 控制方法

位置检测单元发送“检测有车”信号至控制单元，经过逻辑判别确定行车方向及运行位置。过分相过程中，装置的控制策略如下：

（1）中性区原本为无电状态，电力机车/动车组行驶至位置检测单元PS1位置，控制单元通过位置检测逻辑处理，判定为正向行车。控制单元清零晶闸管阀K1～K4的脉冲使能信号，再置位K1和K3的脉冲使能信号，与晶闸管触发脉冲等信号进行“与”逻辑后，输出触发脉冲至K1和K3，晶闸管阀K1和K3导通，中性区的电压和相位与左侧电源U1完全相同。

（2）电力机车/动车组行驶至PS2位置，控制单元接收到位置检测信号，进行双边电源切换，控制时序如下图4所示（以双边电源存在比较大的相位差，同时电力机车或动车组等负载处于功率因数低导致的电压/负载电流相位偏差较大的最复杂工况为例进行说明）：

a.网压过零点t0时刻，清零K1的脉冲触发使能信号，晶闸管阀K1在负载电流的过零点自然关断。

b.网压过零点t1时刻，清零K3的脉冲触发使能信号，晶闸管阀K3在负载电流的过零点t2时刻自然关断，电力机车/动车组27.5kV一次侧电压和电流均变为0。

c.控制单元检测到电流互感器CT1的电流为0，经过延时时间T（定值可调节，0.1ms≤T<10ms），t3时刻，置位晶闸管阀K4的脉冲使能信号，与晶闸管触发脉冲等信号进行“与”逻辑后输出触发脉冲至K4，晶闸管阀K4立即开通。

d.网压过零点t4时刻，置位晶闸管阀K2的脉冲使能信号，与晶闸管触发脉冲等信号进行“与”逻辑后输出触发脉冲至K2，晶闸管阀K2立即导通;中性区的电压和相位与右侧电源U2完全相同。

图4中：U1：分区所左侧变电所供电电源。

U2：分区所右侧变电所供电电源。

Un：通过过分相装置供给的中性区电压，同时也是电力机车/动车组等牵引供电负载的25kV侧电压。

I：通过过分相装置供给的电力机车/动车组等牵引供电负载的25kV侧电流。

（3）电力机车/动车组行驶至位置检测单元PS3位置，控制单元清零晶闸管阀K2和K4的脉冲使能信号，晶闸管阀K2和K4关断，中性区恢复无电状态，等待下一趟机车/动车组到来。

3 保护策略

为保障牵引供电系统及过分相装置的安全可靠运行，保护单元通过采集电流互感器、电压互感器、晶闸管阀的状态反馈信号，制定了综合保护策略，设置了多重保护。主要包括：

3.1 电流保护

电流互感器CT1、CT2分别检测流经各自回路的电流ICT1和ICT2，如果出现：

单边过流，CT1的测量值ICT1≥过流设定值Iset1。

单边过流，CT2的测量值ICT2≥过流设定值Iset1。

双边环流，CT1的测量值ICT1=CT2的测量值ICT2≥环流设定值Iset2。

则控制单元输出跳闸命令至保护单元，联跳双边断路器QF1和QF2。

3.2 电压保护

电压互感器PT1、PT2分别检测双边电源母线电压UPT1和UPT2，如果出现：

单边过压，PT1的测量值UPT1≥过压设定值Uset，则控制单元发出报警信号，同时输出跳闸命令至保护单元，跳断路器QF1;若10s后若检测PT1的测量值UPT1<设定值Uset，则执行一次自动重合闸，输出合闸命令至保护单元，合断路器QF1。

单边过压，PT2的测量值UPT2≥过压设定值Uset，则控制单元发出报警信号，同时输出跳闸命令至保护单元，跳断路器QF2。若10S后若检测PT2的测量值UPT2<设定值Uset，则执行一次自动重合闸，输出合闸命令至保护单元，合断路器QF2。

3.3 阀组保护

控制单元检测执行单元K1～K4的元件状态反馈， 如果出现：

元件个数轻故障，故障元件个数N≥元件个数轻故障设定值Nset1，控制单元发出报警信号。

元件个数重故障，故障元件个数N≥元件个数重故障设定值Nset2，控制单元发出跳闸命令至保护单元，联跳双边断路器QF1和QF2。

4 试验验证

為了验证本文所提出的装置及控制方法的安全性、可行性，于2018年9月在某铁路分区所进行了高压运行测试。试验波形如图6、图7所示。

图6可见，分区所双边电源的依次流经CT1和CT2供给机车，过分相装置切换时间控制为1.6ms，双边牵引供电系统无环流。图7可见，换相前后，机车原边电流、四象限电流及直流电压波形平稳，各项运行指标正常，实现了机车带电无感知过分相。

5 结束语

本文所提出的分区所地面自动过分相装置，由位置检测单元、控制单元、保护单元、执行单元构成，系统构成简洁，功能和结构分区清晰，控制方法安全可靠，检修维护方便。装置能够实现电力机车或者动车组等负载不降速、平滑无感知地通过分区所分相区;而且，通过位置检测信号、晶闸管阀导通使能信号、晶闸管触发脉冲之间的连锁，还可以有效保证断电切换时间无级可调，防止分区所双边电源之间出现潮流环流。现场高压运行试验证明，系统设计及控制方法安全可靠，能够显著缩短机车分相区通过时间，增加区间通过能力，提升铁路运能，值得进一步推广应用。

参考文献：

[1]李群湛.牵引变电所供电分析及综合补偿技术[M].北京：中国铁道出版社，2006.

[2]赵强，张润宝，薛玉霞，等.牵引变电所换相连接方式研究[J].电气化铁道，2010（2）：28-31.

[3]柴少强.接触网电分相分析[J].科技创新与应用，2015（15）：59-60.

[4]敖晓峰，刘仕兵.车载断电自动过分相装置[J].电气化铁道，2006（2）：5-10.

[5]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（增刊）：27-33.

[6]傅鹏，高格，李定，等.晶闸管在大功率变流和开关中的应用[J].电工技术学报，2004，19（8）：34-39.