電氣化鐵路不停電過分相系統(tǒng)對機車影響研究

李海潮，王金全，黃克峰

(陸軍工程大學(xué) 國防工程學(xué)院，江蘇 南京 210007)

0 引言

我國現(xiàn)在主流的過分相技術(shù)是車載自動過分相技術(shù)，隨著車速和貨運量的提高，機車采用此方式通過過分相時速度損失嚴(yán)重[1]，而不停電過分相技術(shù)則可以大大減少機車停電時間，極大地減小車速損失[2]。

日本對于地面過分相技術(shù)的研究走在世界前列，而我國目前對地面不停電過分相技術(shù)的研究大部分還是停留在研究和試運行階段，但是相關(guān)研究的理論成果比較顯著。文獻[3]分析了弓網(wǎng)電弧對機車變壓的影響。文獻[4]就地面自動過分相產(chǎn)生的過電壓現(xiàn)象進行了理論分析。文獻[5]以電力機車頻繁工作在不同工況下，分析了電力機車的電磁暫態(tài)過程。文獻[6]指出過分相段的中性線并不是理想的，以七跨關(guān)節(jié)式電分相結(jié)構(gòu)為例計算了中性段的電壓可達11.85 kV，與實際值僅差2.15%。文獻[2,7-8]對于自動過分相方式下電力機車產(chǎn)生的電磁暫態(tài)的原因做了詳細(xì)的理論分析和仿真驗證。文獻[9]從現(xiàn)場角度出發(fā)，分析了電磁暫態(tài)對客運機車的影響。文獻[10]以CRH2機車為模型分析搭建了仿真系統(tǒng)。但是現(xiàn)有文獻主要是針對過分相過程中電磁暫態(tài)過程的研究，對于機車的影響缺少系統(tǒng)的分析，而且對機車鎖相環(huán)環(huán)節(jié)的影響分析較少。

本文以地面不停電過分相技術(shù)為基礎(chǔ)，對其在過分相時產(chǎn)生的電磁暫態(tài)進行了簡要分析；利用PSCAD/EMTDC軟件建立了HXD2動車組的部分模型以及傳統(tǒng)牽引網(wǎng)供電模型，通過實驗仿真驗證了開關(guān)的通斷時刻是影響機車電磁暫態(tài)的主要原因，強烈的電磁暫態(tài)對于機車變流器電壓電流環(huán)的影響相當(dāng)明顯，而且直流側(cè)同樣會出現(xiàn)直流電壓下降的現(xiàn)象。

1 不停電過分相系統(tǒng)及對機車運行狀態(tài)影響分析

1.1 地面自動過分相裝置

我國目前主要的過分相方式是車載自動過分相。其缺點是要在進入過分相之前關(guān)斷車載主斷路器，依靠慣性通過分相區(qū)，速度損失嚴(yán)重，高速、重載、上坡時缺點更加明顯。而地面自動過分相方式則可以解決此問題。其工作原理如圖1所示，按照由A相切換到B相的運行方向，整個過分相過程可分為以下幾步：

圖3 機車模型

(1)t1時刻，傳感器CG1檢測到機車位置，傳感器發(fā)信號給控制裝置，控制斷路器GA閉合，此時中性段帶A相電，但此時開關(guān)GA并不流過列車的負(fù)載電流。

(2)t2時刻，動車組可以帶電順利進入中性區(qū)，GA流過機車負(fù)載電流。

(3)t3時刻，動車組已經(jīng)進入中性區(qū)，傳感器CG2傳來位置信號，控制裝置得到信號斷開斷路器GA，機車進入短暫的失電狀態(tài)。

(4)t4時刻，GB閉合，列車的負(fù)載電流流過GB。

(5)t5時刻，傳感器CG3檢測到機車位置時，斷路器GB已經(jīng)閉合，此時中性段帶B相電，電力機車順利通過中性線，完成不停電過分相。

(6)t6時刻，機車離開中性區(qū)，GB不流過機車負(fù)載電流。

(7)t7時刻，傳感器CG4檢測到機車位置并輸出位置信號，確認(rèn)機車已經(jīng)離開過分相，斷路器GB斷開。

圖1 地面自動過分相示意圖

1.2 過分相過程對機車影響原理分析

機車采用地面過分相技術(shù)通過中性區(qū)時，當(dāng)供電電源從A相切換到B相時，因為A、B兩相的相位相差120°，整個電路因為電路結(jié)構(gòu)的變化產(chǎn)生電磁暫態(tài)過程。A相供電時的簡化等效電路圖如圖2所示。

圖2 A相供電時簡化等效電路

其中，Ua為A相電源；Ra為電源和線路總電阻；La為電源和線路總的等效電感；GA為過分相裝置的開關(guān)；Lm為機車變壓器電感(忽略漏感)；CT為中性線和機車對地電容的等效對地電容；RL為整流器后側(cè)的等效電阻。

開關(guān)GA斷開后，開關(guān)右側(cè)電感和電容會發(fā)生電磁震蕩，會產(chǎn)生一個較大的截流過電壓。GB閉合之前，會存在一個短暫的供電死區(qū)時間，此供電死區(qū)會導(dǎo)致機車四象限整流器直流側(cè)的電壓跌落。而且這段時間中性線上并不是理想的無電狀態(tài)，這就導(dǎo)致在GB閉合時也會導(dǎo)致電磁暫態(tài)產(chǎn)生。根據(jù)實際運行經(jīng)驗，最值得關(guān)注的是截流過電壓，其電磁暫態(tài)最為嚴(yán)重，對機車的安全運行會產(chǎn)生較大影響。而且車載變壓器為感性元件，在GB閉合時鐵芯內(nèi)往往有剩磁，這會在變壓器中產(chǎn)生勵磁涌流。強烈的電磁暫態(tài)對于機車四象限整流器的鎖相環(huán)也會產(chǎn)生較大影響，直接影響整流器的正常工作。而在短暫的失電期間，直流側(cè)電壓的跌落會影響電力機車電機的工作狀況。

2 機車及過分相裝置建模

2.1 機車PSCAD模型

本文給出一種以HXD2動車組為原型的PSCAD仿真模型，并利用PSCAD搭建了過分相裝置的模型，供電線路模型參考文獻[11]。圖3為機車部分，包括電源和車載變壓器和四象限整流器。

四象限整流器的電流控制技術(shù)采用瞬態(tài)電流控制[12]。這種控制方式也是目前四象限整流器采用較多的電流控制方式。圖4為四象限整流器的PSCAD的控制策略。

圖4 控制策略仿真

由于四象限整流器的存在，機車的功率因數(shù)可以工作在單位功率因數(shù)附近，所以在四象限整流器看進去，機車可以近似為一個阻感負(fù)載。其中直流側(cè)以后的整流器包括電機等效為100 Ω的電阻。

2.2 過分相裝置PSCAD模型

根據(jù)前面所介紹的過分相的過程，通過控制開關(guān)時序上的通斷來模擬電力機車通過過分相裝置時的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。圖5為過分相裝置的模型。

圖5 自動過分相裝置示意圖

開關(guān)的時序共分為如下幾個過程：

(1)t0時刻，開關(guān)TA閉合，即仿真開始時電力機車由A相單獨供電。

(2)t1時刻，開關(guān)GA閉合，此時中性線帶A相電，但并不流過車載電流。所以TN處于斷開狀態(tài)。

(3)t2時刻，此時開關(guān)TN閉合，電力機車的負(fù)載電流分別從A相牽引網(wǎng)和中性線流至機車。

(4)t3時刻，此時開關(guān)TA斷開，電力機車由中性線供電，此時中性線帶A相電。

(5)t4時刻(t4為一變量，可要探究該變量對電磁暫態(tài)的影響)，此時開關(guān)GA斷開，機車開始處于失電過程。

(6)t5時刻，此時開關(guān)GB閉合，中性線開始帶B相電，電力機車開始由B相供電。

(7)t6時刻，此時開關(guān)GB閉合，電力機車受電弓開始同時搭載在中性線和B相牽引網(wǎng)上。

(8)t7時刻，此時開關(guān)GB、TN斷開，TB仍處于閉合狀態(tài)，電力機車開始只由B相供電網(wǎng)供電。

3 過分相過程對機車的影響

3.1 截流過電壓仿真驗證

根據(jù)文獻[13]分析，截流過電壓的大小和開關(guān)GA斷開時間有關(guān)，圖6和圖7是在不同時刻斷開開關(guān)GA的中性線電壓仿真圖。

圖6 GA在電流過零點閉合(4.46 s)

圖7 GA在電流處于電流峰值的時候關(guān)斷(4.454 s)

對比兩種工況可知，不同時刻斷開GA會對中性線上的電壓產(chǎn)生不同的影響。在電流過零點的時候斷路器動作幾乎不產(chǎn)生過電壓，電壓最高達到55 kV。而當(dāng)電流處于峰值的時候斷路器動作產(chǎn)生270 kV左右的過電壓。如果采用真空斷路器，必須采取其他抑制措施。但是對于電力電子開關(guān)，尤其是晶閘管來說，當(dāng)觸發(fā)脈沖撤掉以后，在電流過零的時候會自動關(guān)斷斷路器，則可以較好地解決截流過電壓的問題。

3.2 對鎖相環(huán)的影響

圖8是過分相期間鎖相環(huán)的仿真圖。

圖8 鎖相環(huán)波形

在過分相裝置開關(guān)斷開的時刻，由于出現(xiàn)了強烈的電磁暫態(tài)過程，變壓器的電壓幅值和相位都發(fā)生了不可預(yù)測的變化，同樣也造成了機車鎖相環(huán)無法準(zhǔn)確地跟蹤網(wǎng)測電壓的情況。

當(dāng)過分相裝置將B相的開關(guān)閉合后，網(wǎng)測電壓趨于穩(wěn)定，但鎖相環(huán)仍然沒能立刻跟蹤網(wǎng)測電流，大約需要0.2 s才能實現(xiàn)鎖相環(huán)的無差跟蹤。所以在過分相期間的鎖相問題也是需要解決的。

3.3 對控制環(huán)節(jié)的影響

機車過分相時，同樣會對電壓電流環(huán)產(chǎn)生影響。圖9，圖10所示分別是對電流環(huán)和電壓環(huán)的影響。

圖9 電流環(huán)輸出量的局部放大圖

圖10 電壓環(huán)輸出量的變化

由圖9,圖10可知，過分相時網(wǎng)測的電壓波動會對電壓電流環(huán)產(chǎn)生影響，而且對電流環(huán)和電壓環(huán)的影響都需要經(jīng)過一段時間的才能穩(wěn)定下來。尤其是對電壓環(huán)的影響，因為電流環(huán)是電壓環(huán)的內(nèi)部一環(huán)，對電壓環(huán)的影響更加明顯，電壓環(huán)的震蕩產(chǎn)生的比電流環(huán)要早，在開關(guān)斷開的一刻電壓環(huán)所控制的Uab即出現(xiàn)了震蕩，由于電流環(huán)出現(xiàn)的震蕩較為劇烈，而且正向和反向幅值較大，因此電壓環(huán)出現(xiàn)了兩次較為劇烈的震蕩。在電流環(huán)穩(wěn)定后很快電壓環(huán)就穩(wěn)定下來，說明瞬態(tài)電流控制的策略具有較好的動態(tài)響應(yīng)。

3.4 對機車直流側(cè)的影響

過分相過程對整流器的直流側(cè)的影響將影響到整流器后面的逆變器和電機的影響。圖11是直流側(cè)的波形仿真結(jié)果。

圖11 直流側(cè)電壓的局部放大圖

在開關(guān)GA斷開以后，機車處于失電狀態(tài)，直流側(cè)電壓開始下降。但是在4.61 s開關(guān)GB閉合之后，在四象限整流器的控制下，直流的電壓開始恢復(fù)至期望值1.6 kV，但是整個過程出現(xiàn)了比較劇烈的電磁震蕩，且穩(wěn)定下來需要0.3 s左右，和電壓環(huán)穩(wěn)定下來的時間基本相同。

4 結(jié)論

通過仿真分析得出，斷路器的開關(guān)時間是影響過電壓產(chǎn)生的重要因素。在電流過零點的時候關(guān)斷開關(guān)產(chǎn)生的過電壓會最小。當(dāng)電流處于最大值時關(guān)斷開關(guān)，產(chǎn)生的過電壓可達到過零點關(guān)斷開關(guān)時的4～5倍。

過分相過程會對整流器的直流側(cè)產(chǎn)生影響。直流側(cè)電壓會因為中間的供電死區(qū)而出現(xiàn)電壓下降的現(xiàn)象。應(yīng)采取適當(dāng)措施減小電壓下降。

過分相過程對于鎖相環(huán)的影響是明顯的，當(dāng)交流側(cè)的電壓出現(xiàn)震蕩時，鎖相環(huán)無法準(zhǔn)確的跟蹤交流側(cè)電壓的相位。當(dāng)切換到另外一相供電時，需要經(jīng)過大概0.15 s才能進入鎖相狀態(tài)。過分相時產(chǎn)生的電磁暫態(tài)會對四象限整流器的雙閉環(huán)控制環(huán)節(jié)產(chǎn)生影響。電流環(huán)作為內(nèi)環(huán)產(chǎn)生的震蕩要晚于電壓環(huán)，而穩(wěn)定要早于電壓環(huán)，大概需要0.3 s的時間才能穩(wěn)定下來。