电气化铁路变电所地面自动过分相装置

摘 要：交流电气化铁路每隔50～60km即设置一处牵引变电所，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变电所地面自动过分相装置设计方案，介绍了系统构成和主要部件的功能，探讨了正向行车和反向行车的控制方案和工作时序，并对晶闸管阀的安全设计以及在不同接线型式牵引变压器条件下的额定电压设计和切换死区时间进行了分析。通过现场高压运行试验，验证了系统设计及控制策略的可行性和安全性。装置能够根据系统情况进行参数自整定，适应性强，保障电力机车不降速、平滑无感知地通过变电所分相区，增加线路运输能力。

关键词：电气化铁路；变电所；自动过分相；控制策略；时序；切换时间；晶闸管阀

中图分类号：U223.6 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）19-0070-04

Abstract： One traction substation is set in the AC electrified railway every 50 to 60 km. In order to solve the problems existing in the present on-board and ground passing neutral-section modes， this paper proposes a kind of design scheme of ground automatic neutral-section passing device based on high-power power electronic technique， introduces the system composition and functions of its main components， discusses the control scheme and time sequence of the forward and reverse driving， analyses the safety design， and explores the rated voltage of thyristor valve group and switching dead time under the condition of traction transformers with different wiring types. The feasibility and safety of the system design and control strategy have been verified by on-site high-voltage operation test. The device can self-tune the parameters according to the system conditions and has strong adaptability， ensuring that the electric locomotive smoothly passes neutral-section of the substation without speed loss， and increases the line transportation capacity.

Keywords： electrified railway； traction substation； automatic neutral-section passing； control method； time sequence； switching time； thyristor valve

引言

通常情況下，交流电气化铁路每隔50～60km即设置一处牵引变电所，将来自公共电网的110kV或220kV三相电源转换成27.5kV的单相电源供给电力机车[1]。无论采用何种类型牵引主变，供给变电所左右两侧接触网的馈线电源均存在相位和幅值的差异[2]，比如V/v变压器低压侧相差为60°，Scott变压器低压侧相差为90°，且两侧的电压幅值随着牵引负荷大小波动，因此，在物理结构上，通常由锚段式关节构成电分相区（中性区）隔开，不能直接连通[3]。电力机车通过变电所区域时，就存在如何通过电分相的问题，目前可行的方案包括司机手动断电过分相、车载断电自动过分相和地面转换自动过分相。当机车速度≤80km/h时，可采用司机手动断电过分相方式，但司乘人员工作强度大，易造成误操作，带电闯分相引起拉弧导致接触网损毁事故。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及我司承担的国家重点研发项目，研制了一种安装于变电所的新型地面自动过分相装置，能够实现电力机车不降速、平滑无感知地通过。同时，装置可以便捷调整切换死区时间（断电转换时间），适应安装各种类型牵引主变的变电所，具有普遍适用性。

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、电压互感器、电流互感器以及高压大功率晶闸管阀、控制单元、继保单元、监测单元等构成，一次主电路见图2。

1.1 主要部件功能

装置各主要子部件的功能说明如下：

（1）位置检测单元提供电力机车的线路区间位置信号。

（2）隔离开关、断路器为装置的接入开关，实现故障保护和检修隔离。

（3）电压互感器、电流互感器检测牵引供电系统及装置内部电气信息。

（4）高压大功率晶闸管阀组为执行机构，由反并联的晶闸管元件串联组成。晶闸管属于电力电子器件，没有机械触点，理论上具有无限次动作寿命，可根据工程需要，选用光触发晶闸管或电触发晶闸管。

（5）电阻在电力机车到达中性区之前，作为负载提前导通晶闸管阀，同时可以有效抑制系统过电压。

1.2 内部关联关系

装置内部关联关系如图3所示，控制单元是整个装置的核心，依据位置检测单元（J1～J4）、电压互感器（PT1～PT3）和电流互感器（CT1～CT4）提供的信号，按照预定逻辑输出控制信号至高压大功率晶闸管阀组，交替导通A阀和B阀，保障电力机车无感知通过分相区。同时，控制单元接收保护单元的动作预告信号，外部故障时刻及时封锁晶闸管阀的触发脉冲；还可以输出控制命令至继保单元，分断接入开关（QF1～QF2、QS1～QS3）。

2 控制方案

装置适应长分相和短分相结构，同时具备双向行车能力，机车位置检测单元J1-J3-J4组成正向行车检测区间，J4-J2-J1组成反向行车检测区间。机车位置检测单元J1和J4分别安装于距离中性区前后一定距离的轨道旁，J2和J3安装在中性区内两侧靠近分相入口的轨道旁。以下通过各个位置检测单元和晶闸管阀组的动作时序，分别说明机车正向行驶和反向行驶时的控制逻辑。位置检测单元的高电平表示机车到达该处；A阀和B阀的工作状态也通过高低电平表示，高电平表示阀组导通，低电平表示阀组已关断。

2.1 机车正向行驶

如图4，当机车从a相驶来，到达J1处时，A阀导通，中性段接触网由a相供电，待机车进入中性段，到达J3处时，A阀关断，B阀迅速导通，完成中性段供电的电源变换。由于此时中性段已由B相供电，机车可以在不用任何附加操作，负荷基本不变的条件下通过分相区，待机车到达J4处时，B阀关断，装置恢复原始状态。位置检测单元J2在正向行车过程中不参与逻辑控制。

T1～T4时刻，装置各子部件的工作状态说明如下：

（1）在T1时刻，机车到达J1处，位置传感器J1输出高电平位置信号，A阀导通，中性区带a相电，当机车进入中性区之后，牵引负荷电流从A阀通过。

（2）在T2时刻，机车到达J3处，位置传感器J3输出高电平位置信号，A阀关断。

（3）在T3时刻，经过A阀关断预设的延时，B阀导通，机车牵引负荷电流从B阀通过。

（4）在T4时刻，机车到达J4处，位置传感器J4输出高电平位置信号，由于此时机车在中性区外，B阀已处于空载状态，则B阀于此刻关断，装置恢复原始状态。

2.2 机车反向行驶

当机车从b相驶来， 到达J4处时，B阀导通，中性段接触网由b相供电，待机车进入中性段，到达J2处时，B阀关断，A阀迅速导通，完成中性段供电的电源变换。由于此时中性段己由a相供电，机车可以在不用任何附加操作，负荷基本不变的条件下通过分相区，待机车到达J1处时，A阀关断，装置恢复原始状态。位置检测单元J3在正向行车过程中不参与逻辑控制。

T1～T4时刻，装置各子部件的工作状态说明如下：

（1）在T1时刻，机车到达J4处，位置传感器J4输出高电平位置信号，B阀导通，中性区带b相电，当机车进入中性区之后，牵引负荷电流从B阀通过。

（2）在T2时刻，机车到达J2处，位置传感器J2输出高电平位置信号，B阀关断。

（3）在T3时刻，经过B阀关断预设的延时，A阀导通，机车牵引负荷电流从A阀通过。

（4）在T4时刻，机车到达J1处，位置传感器J1输出高电平位置信号，由于此时机车在中性区外，A阀已处于空载状态，则A阀于此刻关断，装置恢复原始状态。

3 关键技术问题

3.1 阀组安全设计

晶闸管阀组主要包括反并联晶闸管组件、散热器、均压回路、高电位触发和监控单元、BOD（Break Over Diode）保护电路等。（1）若干个反并联晶闸管组件串联构成阀组主电路，设计时需要根据项目现场应用情况，预留充足的电压和电流储备系数。（2）散热器可采用型材自冷、热管散热或水冷方式，应保证可靠性高、稳定性好、散热能力强、耐腐蚀，噪音小。（3）均压电路由电阻和电容组成，并接在每组反并联的晶闸管的两端，可以有效抑制晶闸管关断时的过压，并承担静态、动态均压作用。（4）高电位触发和监控单元通过光电转换方式保障绝缘安全，采用光纤通信保证触发信号和监控信息的可靠性。（5）晶闸管阀配备BOD过电压保护电路，当触发脉冲通道故障或其它原因，造成晶闸管两端电压升高到保护电路的动作电压值时，BOD击穿导通，向晶闸管门极发送触发信号，强制晶闸管导通，保护晶闸管不被击穿[6]。

3.2 阀组额定电压

由系统主电路可知，A阀和B阀均未导通时，a供电臂和b供电臂的电压差由两个电子开关串联分压承受；当A阀和B阀其中之一导通时，另一个未导通晶闸管阀需要单独承受a臂和b臂的电压差。因此，单个阀组的额定电压应按照a臂和b臂的电压差来设计。牵引变压器的接线方式不同，27.5kV侧a供电臂和b供电臂之间的相角和电压差也不同。目前，牵引变压器最常用的接线方式包括V/v牵引变压器、Scott牵引变压器和平衡变压器等，经过计算，各种接线型式下单个阀组的额定电压见下表1。

3.3 切换死区时间

以V/v变压器供电方式为例进行切换死区时间分析，在a相供电臂电压Ua的上升过零点（图8中时间点①）关断A阀的触发脉冲，根据晶闸管的特性，A阀的实际关断时刻是在机车负荷电流Ia的上升过零点（图8中时间点②），由于A閥关断之前电流为负值，所以B阀开通的时刻也需要控制在b相供电臂电压Ub的上升过零点，流经B阀的机车负荷电流Ib从正向开始，从而保证机车变压器不存在偏磁问题。

定义Ia滞后Ua的相位为Ф，分牵引和制动两个运行工况进行分析：（1）当机车处于牵引状态，如果0°≤Ф≤60°，可以在图8中时间点③开通B阀，死区时间为0ms～3.3ms；如果60°≤Ф≤90°，需要在图8中时间点④开通B阀，死区时间为18.3ms～20ms。（2）当机车处于再生制动状态，Ф=-180°，需要在圖中④点开通Ub，死区时间为13.3ms。工程应用时，为保证设备安全，通常在Ua的上升过零点关断A阀的触发脉冲，在Ub的第二个上升过零点开通B阀的触发脉冲，则最短切换死区时间为13.3ms～23.3ms，并可根据机车适应情况适当增加n*20ms。同理，可以得到Scott和平衡变的最短切换死区时间见下表2。

4 试验验证

为了验证本文所提出的装置及控制方法的技术性能，于2019年1月在某重载铁路变电所进行了高压试验，测试了各种机车运行工况下最优切换死区时间，部分现场试验波形见图9～图11。机车通过分相区前后，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，实现了带电无感知过分相。

5 结束语

本文提出了一种由位置检测单元、控制单元、继保单元、高压大功率晶闸管阀等构成的新型变电所地面自动过分相装置，讨论了正向行车和反向行车的控制方案和工作时序，研究了晶闸管阀的安全设计以及在不同接线型式变压器情况下的额定电压设计和切换死区时间，并在现场进行了高压运行测试。经验证，装置设计及控制方法安全可靠，参数自整定，适应性强，能够保障电力机车不降速、平滑无感知地通过变电所分相区，增加线路运输能力。

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]张永福，郝冬生.电气化铁道供电牵引电力变压器的研究[J].内蒙古科技与经济，2013（09）：112-114.

[3]姜剑.接触网电分相设计形式分析[J].电气化铁道，2015（06）：44-46.

[4]倪大勇，于伟凯.车辆自动过分相系统研究[J].沿海企业与科技，2013（01）：45-48.

[5]罗星，罗文骥，朱建凯，等.高速、高坡、重载电气化铁路地面控制自动过分相工程设计的应用研究[J].铁道标准设计，2013（07）：101-105.

[6]胡晓东，蒋家久，吕顺凯.高压晶闸管阀过电压BOD保护设计[C]//第二届全国电能质量学术会议暨电能质量行业发展论坛论文集.长沙：中国电源学会电能质量专业委员会，2011：324-329.