大功率变流BPT系统在长大坡道电分相的创新应用

李红梅，戚广枫，方华松，方志国，邱长青

（1. 中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北 武汉  430063；2. 中船重工集团有限公司 第七一二研究所，湖北 武汉  430064）

由于铁路系统供电模式和运行模式的特殊性，每隔30～60 km都存在200～900 m的中性电气分相的隔离区，除影响运输的舒适性和总运行时间等运输质量外，更会因此带来至少超过80 kV的操作过电压，有可能引发列车高压设备损伤或故障。同时，频繁过分相容易导致司机操作疲劳，因此电分相装置一直都是机电、弓网配合的高发故障区域。一旦发生误操作，轻则影响供电设备寿命，重则造成接触网相间短路以至于塌网的重大故障，严重影响正常运输秩序。随着铁路大提速及新型重型货运机车的大量使用，高铁动车组和提速列车的跨线交叉运行逐渐增多，为减少供电固有电分相带来的负面影响，必须从电气分相设备系统原理上做出改进，才能进一步保证供电安全与效率，并满足未来的用户需求[1]。

1 列车过分相技术现状

目前，根据我国行业设计标准[2]，列车通过接触网电分相中性区的模式主要有2种：（1）模式1：列车车载断电惰行自动过分相方式[3]；（2）模式2：采用开关切换式的地面自动过分相系统[4]，使列车不中断取流过分相方式。

模式1是现在国内外主流过分相方式，即配合地面磁钢或地面车载信号控制系统的列车自动断电操作惰行过分相。但该方式断电区较长，需要严格的机车受电弓间距匹配和信号监控。而且，机车过分相对客运列车的速度有一定损失，对于客货混运线路的货车，还容易导致意外断电停车发生。频繁断电操作容易缩短机车断路器使用寿命并导致开关设备可靠性下降，且司机因为监控操作频繁、紧张，容易产生疲劳。基于此，设置地面型机车不断电自动过分相装置具有重大意义。

模式2是日本新干线应用的采用换相开关的地面自动过分相技术。该方式过分相时断电时间短，基本解决了列车过分相时的失速或停车问题，解决了各种配置不同受电弓距离的车型兼容问题，缓解了司机操作疲劳。但这种自动过分相设备仍存在自身不足：列车过分相时，断路器快速切换使得接触网中性区段仍有不可克服的700 ms左右的短时间切换断电和续流暂态过程，会对列车高压设备产生3倍以上的操作过电压，带来机车绝缘损伤和影响断路器寿命等新缺陷，导致这一技术无法和CRH1、CRH3、CRH5等车型匹配；其次，换相开关工作过程失败的故障也时有发生，容易造成对运输安全的影响。其关键的开关设备可靠性和寿命始终是薄弱环节，维护成本较高，机械开关设备故障导致的事故难以根本杜绝，影响了该电分相系统设备在我国的应用。

当前的高速铁路工程，在山区、风景区采用长大隧道的方案越来越多，在城际铁路工程应用中，也因为直接供电方式的供电臂短而进入城市区域的地下隧道区间较长，坡度往往较大，都难免在连续大坡道的隧道内设置电分相，如长株潭、穗广深等珠三角城际铁路，张吉怀高铁等均已遇到该类特殊的新技术难题和安全风险问题。

隧道内设置的电分相装置，因分相区间所处的地理环境导致电弧燃烧条件太充分而不易熄灭，当列车速度较快时，极易导致相间短路从而引起接触网塌网或机车绝缘损伤，并有引发次生事故的风险。为避免分相燃弧危险或列车无电闯过大坡道区段，在隧道大坡道设置的电分相需采用不产生电弧的自动过分相装置。

此外，重载货运列车普遍开始采用交直交列车，而且重载列车惰性通过大坡度区段十分困难，为此采用自动过分相系统方案时，将同样面临过电压带来的交直交变流机车主绝缘耐受能力问题[5]。

2 工程背景

2010年6月30日正式开工建设的长株潭城际铁路是长株潭城市群城际铁路网的核心部分，线路全长95.5 km，共设车站21个。新建长沙、暮云、七斗冲3座牵引变电所，新建中信新城、时代、湘潭3座分区所。线路标准：200 km/h城际铁路，最大坡度20‰（困难地段30‰ ），8辆编组CRH6型车。

长株潭城际铁路牵引供电设施分布示意见图1。因工程征地困难，引起长沙市区内桥改隧一类变更，长沙站西北方向出站即面临湘江隧道内30‰的纵坡电分相（见图1位置①），亟待研发并应用新型的连续供电自动过分相系统，以解决工程实际难题，同时也是中国铁路总公司科技研究开发计划项目《运用电力电子控制技术优化接触网分相开关装置的技术研究》的总体研究目标。

图1 长株潭城际铁路牵引供电设施分布示意图

3 总体技术思路与方案

3.1 总体技术思路

利用大功率电力电子控制技术，为列车通过接触网电分相中性区段时提供可靠连续供电，从系统层面进行原始创新，可在不改变我国27.5 kV单相交流牵引供电系统既有制式和模式的前提下，克服系统电分相这一固有缺陷。应用创新的BPT接触网电分相连续供电系统（简称BPT系统），取代传统过分相的机械式开关断路器操作，基本避免不同相位电压转换引起的过电压暂态过程，从而根本解决现有铁路供电系统机车过分相的应用难题。

3.2 技术方案

BPT系统整体技术方案和工作原理见图2。

图2 BPT系统整体技术方案和工作原理

系统巧妙利用并网和移相过程实现不同相位的“换电”方案，移相过程原理和输出电压波形见图3。

（1）电力牵引列车接近中性区时装置输出电源，使得中性区具有此刻的同相电Uα，在锚段关节处实现逆变并网[6]运行。

（2）列车位于中性区内时，系统变流器装置可在保持满功率输出状态下，在电能质量标准[7]允许频率偏差下，小步快速变换当前工作电压相位Uα，使之在列车移动过程中转换为与列车前方电源端同相位的电源Uβ（120°相位差可在0.3～0.7 s完成移相换电，可根据需要满足0°～180°任意相位角差的移相换电）。

图3 BPT系统移相原理及输出电压波形

（3）列车驶离中性区后装置返回到初始状态，等待下一趟列车到来。

4 关键技术创新

（1）首次提出并应用基于电力电子变频原理的连续移相技术方法，实现为铁路接触网电分相提供连续移相电源供电的功能。

电力电子技术是目前开始推广应用的高新技术，电力电子控制的供电电源具有可输出任何一种指定相位的电源的特点，BPT系统研究发明了将这一特点运用到电分相连续供电系统的方法，从而实现在电分相区域两端短时动态同相的功能，即在持续地为列车供给合乎标准品质电源的前提下，动态地改变电源相位，追随并逼近列车运行前方的（不同相位的）目标相位。

（2）首次将大功率电力电子变流装置的设计、生产、制造技术应用到铁路接触网自动过分相领域，首次应用单体大容量（10～25 MVA）的电力电力变流装置技术，成功研制了“接触网电分相连续供电系统”，形成了10 /20 MVA接触网电分相连续供电系统设计技术、生产制造工艺、施工安装调试技术及运营维护管理机制。

首次成功地将具有高可靠性的单体大容量（10～25 MVA）电力电子变流装置技术应用于电气化铁路，实现对列车的牵引供电。以往曾有小单元（如5 MVA）的合计容量构成10 MVA的类似供电系统技术，但未能成功采用单体大容量控制技术，造成装置的整体可靠性较差。

除采用德国标准的铁路，各国电气化铁路的牵引供电外部电源均来自于三相公共电网，导致单相供电的接触网存在中性电分相区，该新型BPT系统能为快速通过电气中性区的列车提供连续不间断供电，其特点是连续地没有间断地供电，即通过过程中的中断供电时间为零。BPT系统为世界上首次完全实现该功能的一种新型地面自动过分相系统，即通过过程中的中断供电时间为零。国际上有其他方式，例如通过机械或电子开关分断再快速合闸的自动过分相系统，虽然可实现供电中断时间逼近于0的供电（如在日本和我国采用的既有高速断路器式或电力电子开关的地面自动过分相系统），但实际均存在50～300 ms断电或过零时间，即中断时间大于0。而且BPT系统对列车车型没有限制，对列车司机操作没有任何影响。

（3）首次在电气化接触网地面自动过分相系统中，采用了新型的信号计轴布点、电流采集布置与电分相多重匹配等技术手段，成功实现列车准确定位、运行方向、动车取流等多重信息采集、可靠采集、快速采集和精确控制。

各种自动过分相系统都需要与列车之间进行配合，需要掌握列车动态情况尤其是位置和速度，日本和我国其他自动过分相系统采用相似或其他方法。但采用的信号计轴技术仅停留在试验阶段未真正实现工程应用，或应用中未曾实现列车多方向运行的判断和定位功能。BPT系统采用的列车定位系统具有如下特点：可实现正向反向运行准确位置的判断功能，可第一时间准确探知列车进入电分相区域，发明的信号计轴布点、电流采集和电分相区多重匹配技术，采用了改良型的2段轨道电路微机计轴列车位置检测方案，可靠性高、经济合理。

（4）在工频 50 Hz交流 27.5 kV 的电气化铁路技术中，首次提出并应用高阻抗多绕组变压器磁场并联技术方式，实现大容量多模块电力电子变流装置的可靠供电功能。

在工频50 Hz交流27.5 kV的电气化铁路技术中，通常的牵引供电系统中，变压器可以有多绕组并列，但都是电气回路直接并联或串联，其中1个损坏则整个变压器失效。BPT系统采用多功率单元变压器磁场并联运行的高可靠性变流系统设计技术的高-低-高背靠背变流器系统拓扑结构（见图4），首次实现多绕组通过变压器磁路并联或串联，某电路线圈出现故障时，其他线圈仍可通过控制变压器磁路予以连通，从而大大提高了变压器的供电可靠性，为实现大容量变流器IGBT功率模块冗余备用的可靠控制提供了技术保障，局部器件故障退出时，不影响整体工作状态，达到更好的系统整体可靠性。

5 车网匹配试验

图4 高-低-高背靠背变流器系统拓扑结构

2015年5月，在中车青岛四方股份有限公司厂区试验环线上开展了BPT系统有关车网匹配试验，包括牵引、制动、惰行3种工况以及相互转换工况下不断电过分相（地面、车）的连续供电试验、供电质量与动车组性能监测（车载）匹配试验。在试验过程中，系统输出电压幅值相位稳定，电压谐波THD＜5%，实现了快速平滑移相功能；列车通过过程中，接触网中性段完全由该装置为列车提供无间断的连续供电；系统设备及车、网各项主要功能、性能参数正常，未见电压、电流或频率的异常现象，接触网电压幅值的变化都在网压故障保护阈值内，没有操作过电压暂态过程。车载监测数据表明：整车设备运行正常，感觉不到过分相的换相过程。

6 工程应用

在长株潭城际铁路应用的BPT接触网电分相连续供电系统（见图5）由开关站、换相站、检测开关柜、级联变压器、水风换热器、吸收装置等设备构成，可在户外专用场地低式安装，具备调度远方监控功能，工程中设备布置见图6。列车定位检测计轴装置在钢轨沿线布置。

图5 BPT系统在长株潭城际铁路的应用

首次完成电分相连续供电系统供电与车网匹配性试验验证、工程试用、工程验收和联调联试，并投入运行，验证了该系统具有良好的车网匹配性，列车过分相过程无供电死区、无电弧、无过电压。同时，首次研究完成并应用了系统验收及运营维护管理相关规定。

2017年10月，在中国铁路广州局集团有限公司组织的联调联试中，BPT系统通过了长株潭城际铁路工程安装试用、联调联试、工程验收和试运行考核。于2017年12月正式投入运行至今，每天约38次列车过分相运行，迄今已经完成1万余弓架次的正常移相连续供电工作，总体上安全可靠。

工程应用中系统运行正常、功能稳定，完成了联调联试大纲计划中SS8、CRH2、CRH3和CRH6等车型的正反向行车、多种信号控车模式、0～170 km/h各速度等级、列车运行故障模拟等各项试验。投入运营期间，系统经历了外界干扰等考验，其导向安全的冗余保护技术先进合理。

带电实车匹配试验和正式运行表明：BPT接触网电分相连续供电系统中的变流装置、列车定位检测装置等方案设计合理、正确，设备工作安全可靠，所有试验和运行工况下的车网系统匹配良好，与既有运行模式具有兼容性，系统保护及运行方式导向安全、冗余可靠，系统主要设备在运营中免维护、少维护。

图6 BPT系统设备布置

7 结束语

结合铁路工程急需，研发并成功应用的BPT接触网电分相连续供电系统成套技术，支撑了长株潭城际铁路由桥梁改为长大坡度隧道穿越重要城区的工程方案，节省征地迁改费用约1.8亿元，已经通过中国铁路总公司、中国铁路广州局集团有限公司和湖北省组织的各阶段评审和验收，确认了系统技术和装置功能的可靠性，及时解决了长株潭城际铁路大坡度隧道内设置电分相的工程技术难题，创新提出的应用大功率变流控制平滑移相实现电分相连续供电的技术原理先进可靠，自动化程度高，系统稳定运行至今，填补了国际空白。

BPT系统技术成果的推广应用价值主要体现在以下方面：

（1）彻底解决大坡道、枢纽等限制条件下的电分相设置和供电方案可实施性难题，充分满足工程建设和运营管理多方面的需求，大大节约铁路工程土建工程投资。

（2）在重载、大坡道、长距离、客运、隧道内等风险较大的铁路上，将充分发挥更大优势，可提高旅客舒适度，确保重载运输能力，节省区间速度损失和运行时间，降低司乘人员过分相时的操作压力和风险程度。

（3）有效解决了长大坡道、重载等特殊工况下列车过分相停坡、降速、带电闯分相的过电压、相间短路、拉弧等难题，提高了铁路运输的安全可靠性。

（4）系统在动态换相过程中对列车的连续供电没有任何操作过电压，对机车使用类型和运用方式没有任何限制。

（5）可大大提高列车车载断路器设备的整体寿命，提高运营列车的安全可靠性。

随着我国大功率电力电子技术控制装置制造技术的迅猛发展，其成果产业化的步伐也必将加快，在合理投资条件下，可有效解决以往常规列车过分相时存在车网匹配的技术和管理难题。具备移动去分相功能的BPT系统可弥补和彻底解决利用大工业网电源条件下25 kV牵引供电制式的电分相固有缺陷，有望成为地面自动过分相装置技术应用的未来，可作为中国高铁“走出去”的先进技术支撑，在国际国内推广应用的前景非常广阔。