电气化铁路不停电过分相系统对机车影响研究

李海潮，王金全，黄克峰

(陆军工程大学 国防工程学院，江苏 南京 210007)

0 引言

我国现在主流的过分相技术是车载自动过分相技术，随着车速和货运量的提高，机车采用此方式通过过分相时速度损失严重[1]，而不停电过分相技术则可以大大减少机车停电时间，极大地减小车速损失[2]。

日本对于地面过分相技术的研究走在世界前列，而我国目前对地面不停电过分相技术的研究大部分还是停留在研究和试运行阶段，但是相关研究的理论成果比较显著。文献[3]分析了弓网电弧对机车变压的影响。文献[4]就地面自动过分相产生的过电压现象进行了理论分析。文献[5]以电力机车频繁工作在不同工况下，分析了电力机车的电磁暂态过程。文献[6]指出过分相段的中性线并不是理想的，以七跨关节式电分相结构为例计算了中性段的电压可达11.85 kV，与实际值仅差2.15%。文献[2,7-8]对于自动过分相方式下电力机车产生的电磁暂态的原因做了详细的理论分析和仿真验证。文献[9]从现场角度出发，分析了电磁暂态对客运机车的影响。文献[10]以CRH2机车为模型分析搭建了仿真系统。但是现有文献主要是针对过分相过程中电磁暂态过程的研究，对于机车的影响缺少系统的分析，而且对机车锁相环环节的影响分析较少。

本文以地面不停电过分相技术为基础，对其在过分相时产生的电磁暂态进行了简要分析；利用PSCAD/EMTDC软件建立了HXD2动车组的部分模型以及传统牵引网供电模型，通过实验仿真验证了开关的通断时刻是影响机车电磁暂态的主要原因，强烈的电磁暂态对于机车变流器电压电流环的影响相当明显，而且直流侧同样会出现直流电压下降的现象。

1 不停电过分相系统及对机车运行状态影响分析

1.1 地面自动过分相装置

我国目前主要的过分相方式是车载自动过分相。其缺点是要在进入过分相之前关断车载主断路器，依靠惯性通过分相区，速度损失严重，高速、重载、上坡时缺点更加明显。而地面自动过分相方式则可以解决此问题。其工作原理如图1所示，按照由A相切换到B相的运行方向，整个过分相过程可分为以下几步：

图3 机车模型

(1)t1时刻，传感器CG1检测到机车位置，传感器发信号给控制装置，控制断路器GA闭合，此时中性段带A相电，但此时开关GA并不流过列车的负载电流。

(2)t2时刻，动车组可以带电顺利进入中性区，GA流过机车负载电流。

(3)t3时刻，动车组已经进入中性区，传感器CG2传来位置信号，控制装置得到信号断开断路器GA，机车进入短暂的失电状态。

(4)t4时刻，GB闭合，列车的负载电流流过GB。

(5)t5时刻，传感器CG3检测到机车位置时，断路器GB已经闭合，此时中性段带B相电，电力机车顺利通过中性线，完成不停电过分相。

(6)t6时刻，机车离开中性区，GB不流过机车负载电流。

(7)t7时刻，传感器CG4检测到机车位置并输出位置信号，确认机车已经离开过分相，断路器GB断开。

图1 地面自动过分相示意图

1.2 过分相过程对机车影响原理分析

机车采用地面过分相技术通过中性区时，当供电电源从A相切换到B相时，因为A、B两相的相位相差120°，整个电路因为电路结构的变化产生电磁暂态过程。A相供电时的简化等效电路图如图2所示。

图2 A相供电时简化等效电路

其中，Ua为A相电源；Ra为电源和线路总电阻；La为电源和线路总的等效电感；GA为过分相装置的开关；Lm为机车变压器电感(忽略漏感)；CT为中性线和机车对地电容的等效对地电容；RL为整流器后侧的等效电阻。

开关GA断开后，开关右侧电感和电容会发生电磁震荡，会产生一个较大的截流过电压。GB闭合之前，会存在一个短暂的供电死区时间，此供电死区会导致机车四象限整流器直流侧的电压跌落。而且这段时间中性线上并不是理想的无电状态，这就导致在GB闭合时也会导致电磁暂态产生。根据实际运行经验，最值得关注的是截流过电压，其电磁暂态最为严重，对机车的安全运行会产生较大影响。而且车载变压器为感性元件，在GB闭合时铁芯内往往有剩磁，这会在变压器中产生励磁涌流。强烈的电磁暂态对于机车四象限整流器的锁相环也会产生较大影响，直接影响整流器的正常工作。而在短暂的失电期间，直流侧电压的跌落会影响电力机车电机的工作状况。

2 机车及过分相装置建模

2.1 机车PSCAD模型

本文给出一种以HXD2动车组为原型的PSCAD仿真模型，并利用PSCAD搭建了过分相装置的模型，供电线路模型参考文献[11]。图3为机车部分，包括电源和车载变压器和四象限整流器。

四象限整流器的电流控制技术采用瞬态电流控制[12]。这种控制方式也是目前四象限整流器采用较多的电流控制方式。图4为四象限整流器的PSCAD的控制策略。

图4 控制策略仿真

由于四象限整流器的存在，机车的功率因数可以工作在单位功率因数附近，所以在四象限整流器看进去，机车可以近似为一个阻感负载。其中直流侧以后的整流器包括电机等效为100 Ω的电阻。

2.2 过分相装置PSCAD模型

根据前面所介绍的过分相的过程，通过控制开关时序上的通断来模拟电力机车通过过分相装置时的电路拓扑结构。图5为过分相装置的模型。

图5 自动过分相装置示意图

开关的时序共分为如下几个过程：

(1)t0时刻，开关TA闭合，即仿真开始时电力机车由A相单独供电。

(2)t1时刻，开关GA闭合，此时中性线带A相电，但并不流过车载电流。所以TN处于断开状态。

(3)t2时刻，此时开关TN闭合，电力机车的负载电流分别从A相牵引网和中性线流至机车。

(4)t3时刻，此时开关TA断开，电力机车由中性线供电，此时中性线带A相电。

(5)t4时刻(t4为一变量，可要探究该变量对电磁暂态的影响)，此时开关GA断开，机车开始处于失电过程。

(6)t5时刻，此时开关GB闭合，中性线开始带B相电，电力机车开始由B相供电。

(7)t6时刻，此时开关GB闭合，电力机车受电弓开始同时搭载在中性线和B相牵引网上。

(8)t7时刻，此时开关GB、TN断开，TB仍处于闭合状态，电力机车开始只由B相供电网供电。

3 过分相过程对机车的影响

3.1 截流过电压仿真验证

根据文献[13]分析，截流过电压的大小和开关GA断开时间有关，图6和图7是在不同时刻断开开关GA的中性线电压仿真图。

图6 GA在电流过零点闭合(4.46 s)

图7 GA在电流处于电流峰值的时候关断(4.454 s)

对比两种工况可知，不同时刻断开GA会对中性线上的电压产生不同的影响。在电流过零点的时候断路器动作几乎不产生过电压，电压最高达到55 kV。而当电流处于峰值的时候断路器动作产生270 kV左右的过电压。如果采用真空断路器，必须采取其他抑制措施。但是对于电力电子开关，尤其是晶闸管来说，当触发脉冲撤掉以后，在电流过零的时候会自动关断断路器，则可以较好地解决截流过电压的问题。

3.2 对锁相环的影响

图8是过分相期间锁相环的仿真图。

图8 锁相环波形

在过分相装置开关断开的时刻，由于出现了强烈的电磁暂态过程，变压器的电压幅值和相位都发生了不可预测的变化，同样也造成了机车锁相环无法准确地跟踪网测电压的情况。

当过分相装置将B相的开关闭合后，网测电压趋于稳定，但锁相环仍然没能立刻跟踪网测电流，大约需要0.2 s才能实现锁相环的无差跟踪。所以在过分相期间的锁相问题也是需要解决的。

3.3 对控制环节的影响

机车过分相时，同样会对电压电流环产生影响。图9，图10所示分别是对电流环和电压环的影响。

图9 电流环输出量的局部放大图

图10 电压环输出量的变化

由图9,图10可知，过分相时网测的电压波动会对电压电流环产生影响，而且对电流环和电压环的影响都需要经过一段时间的才能稳定下来。尤其是对电压环的影响，因为电流环是电压环的内部一环，对电压环的影响更加明显，电压环的震荡产生的比电流环要早，在开关断开的一刻电压环所控制的Uab即出现了震荡，由于电流环出现的震荡较为剧烈，而且正向和反向幅值较大，因此电压环出现了两次较为剧烈的震荡。在电流环稳定后很快电压环就稳定下来，说明瞬态电流控制的策略具有较好的动态响应。

3.4 对机车直流侧的影响

过分相过程对整流器的直流侧的影响将影响到整流器后面的逆变器和电机的影响。图11是直流侧的波形仿真结果。

图11 直流侧电压的局部放大图

在开关GA断开以后，机车处于失电状态，直流侧电压开始下降。但是在4.61 s开关GB闭合之后，在四象限整流器的控制下，直流的电压开始恢复至期望值1.6 kV，但是整个过程出现了比较剧烈的电磁震荡，且稳定下来需要0.3 s左右，和电压环稳定下来的时间基本相同。

4 结论

通过仿真分析得出，断路器的开关时间是影响过电压产生的重要因素。在电流过零点的时候关断开关产生的过电压会最小。当电流处于最大值时关断开关，产生的过电压可达到过零点关断开关时的4～5倍。

过分相过程会对整流器的直流侧产生影响。直流侧电压会因为中间的供电死区而出现电压下降的现象。应采取适当措施减小电压下降。

过分相过程对于锁相环的影响是明显的，当交流侧的电压出现震荡时，锁相环无法准确的跟踪交流侧电压的相位。当切换到另外一相供电时，需要经过大概0.15 s才能进入锁相状态。过分相时产生的电磁暂态会对四象限整流器的双闭环控制环节产生影响。电流环作为内环产生的震荡要晚于电压环，而稳定要早于电压环，大概需要0.3 s的时间才能稳定下来。