電氣化鐵路變電所地面自動(dòng)過(guò)分相裝置

摘 要：交流電氣化鐵路每隔50～60km即設(shè)置一處牽引變電所，為解決現(xiàn)有車(chē)載斷電過(guò)分相和地面切換過(guò)分相方式通過(guò)此處分相區(qū)時(shí)存在的各種問(wèn)題，文章提出了一種基于大功率電力電子技術(shù)的變電所地面自動(dòng)過(guò)分相裝置設(shè)計(jì)方案，介紹了系統(tǒng)構(gòu)成和主要部件的功能，探討了正向行車(chē)和反向行車(chē)的控制方案和工作時(shí)序，并對(duì)晶閘管閥的安全設(shè)計(jì)以及在不同接線(xiàn)型式牽引變壓器條件下的額定電壓設(shè)計(jì)和切換死區(qū)時(shí)間進(jìn)行了分析。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)高壓運(yùn)行試驗(yàn)，驗(yàn)證了系統(tǒng)設(shè)計(jì)及控制策略的可行性和安全性。裝置能夠根據(jù)系統(tǒng)情況進(jìn)行參數(shù)自整定，適應(yīng)性強(qiáng)，保障電力機(jī)車(chē)不降速、平滑無(wú)感知地通過(guò)變電所分相區(qū)，增加線(xiàn)路運(yùn)輸能力。

關(guān)鍵詞：電氣化鐵路；變電所；自動(dòng)過(guò)分相；控制策略；時(shí)序；切換時(shí)間；晶閘管閥

中圖分類(lèi)號(hào)：U223.6 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：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，交流電氣化鐵路每隔50～60km即設(shè)置一處牽引變電所，將來(lái)自公共電網(wǎng)的110kV或220kV三相電源轉(zhuǎn)換成27.5kV的單相電源供給電力機(jī)車(chē)[1]。無(wú)論采用何種類(lèi)型牽引主變，供給變電所左右兩側(cè)接觸網(wǎng)的饋線(xiàn)電源均存在相位和幅值的差異[2]，比如V/v變壓器低壓側(cè)相差為60°，Scott變壓器低壓側(cè)相差為90°，且兩側(cè)的電壓幅值隨著牽引負(fù)荷大小波動(dòng)，因此，在物理結(jié)構(gòu)上，通常由錨段式關(guān)節(jié)構(gòu)成電分相區(qū)（中性區(qū)）隔開(kāi)，不能直接連通[3]。電力機(jī)車(chē)通過(guò)變電所區(qū)域時(shí)，就存在如何通過(guò)電分相的問(wèn)題，目前可行的方案包括司機(jī)手動(dòng)斷電過(guò)分相、車(chē)載斷電自動(dòng)過(guò)分相和地面轉(zhuǎn)換自動(dòng)過(guò)分相。當(dāng)機(jī)車(chē)速度≤80km/h時(shí)，可采用司機(jī)手動(dòng)斷電過(guò)分相方式，但司乘人員工作強(qiáng)度大，易造成誤操作，帶電闖分相引起拉弧導(dǎo)致接觸網(wǎng)損毀事故。車(chē)載斷電自動(dòng)過(guò)分相無(wú)需人工干預(yù)、投資小、技術(shù)成熟，適應(yīng)于低速、常速、高速列車(chē)的要求，應(yīng)用范圍廣泛，但存在列車(chē)降牽引、速度損失大、存在過(guò)電壓沖擊等缺點(diǎn)[4]?，F(xiàn)有地面轉(zhuǎn)換自動(dòng)過(guò)分相通過(guò)真空斷路器切換給輪流中性段供電，失電時(shí)間短，列車(chē)速度損失小；同時(shí)，車(chē)上主斷路器不動(dòng)作，減小了開(kāi)斷次數(shù)，延長(zhǎng)機(jī)車(chē)主斷的使用壽命，但是存在過(guò)電壓沖擊，且需要修改機(jī)車(chē)程序，應(yīng)用受到一定的限制[5]。

基于現(xiàn)已成熟應(yīng)用的大功率晶閘管閥控制技術(shù)及我司承擔(dān)的國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目，研制了一種安裝于變電所的新型地面自動(dòng)過(guò)分相裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)電力機(jī)車(chē)不降速、平滑無(wú)感知地通過(guò)。同時(shí)，裝置可以便捷調(diào)整切換死區(qū)時(shí)間（斷電轉(zhuǎn)換時(shí)間），適應(yīng)安裝各種類(lèi)型牽引主變的變電所，具有普遍適用性。

1 裝置構(gòu)成

過(guò)分相裝置主要由位置檢測(cè)單元、隔離開(kāi)關(guān)、斷路器、避雷器、電壓互感器、電流互感器以及高壓大功率晶閘管閥、控制單元、繼保單元、監(jiān)測(cè)單元等構(gòu)成，一次主電路見(jiàn)圖2。

1.1 主要部件功能

裝置各主要子部件的功能說(shuō)明如下：

（1）位置檢測(cè)單元提供電力機(jī)車(chē)的線(xiàn)路區(qū)間位置信號(hào)。

（2）隔離開(kāi)關(guān)、斷路器為裝置的接入開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)故障保護(hù)和檢修隔離。

（3）電壓互感器、電流互感器檢測(cè)牽引供電系統(tǒng)及裝置內(nèi)部電氣信息。

（4）高壓大功率晶閘管閥組為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，由反并聯(lián)的晶閘管元件串聯(lián)組成。晶閘管屬于電力電子器件，沒(méi)有機(jī)械觸點(diǎn)，理論上具有無(wú)限次動(dòng)作壽命，可根據(jù)工程需要，選用光觸發(fā)晶閘管或電觸發(fā)晶閘管。

（5）電阻在電力機(jī)車(chē)到達(dá)中性區(qū)之前，作為負(fù)載提前導(dǎo)通晶閘管閥，同時(shí)可以有效抑制系統(tǒng)過(guò)電壓。

1.2 內(nèi)部關(guān)聯(lián)關(guān)系

裝置內(nèi)部關(guān)聯(lián)關(guān)系如圖3所示，控制單元是整個(gè)裝置的核心，依據(jù)位置檢測(cè)單元（J1～J4）、電壓互感器（PT1～PT3）和電流互感器（CT1～CT4）提供的信號(hào)，按照預(yù)定邏輯輸出控制信號(hào)至高壓大功率晶閘管閥組，交替導(dǎo)通A閥和B閥，保障電力機(jī)車(chē)無(wú)感知通過(guò)分相區(qū)。同時(shí)，控制單元接收保護(hù)單元的動(dòng)作預(yù)告信號(hào)，外部故障時(shí)刻及時(shí)封鎖晶閘管閥的觸發(fā)脈沖；還可以輸出控制命令至繼保單元，分?jǐn)嘟尤腴_(kāi)關(guān)（QF1～QF2、QS1～QS3）。

2 控制方案

裝置適應(yīng)長(zhǎng)分相和短分相結(jié)構(gòu)，同時(shí)具備雙向行車(chē)能力，機(jī)車(chē)位置檢測(cè)單元J1-J3-J4組成正向行車(chē)檢測(cè)區(qū)間，J4-J2-J1組成反向行車(chē)檢測(cè)區(qū)間。機(jī)車(chē)位置檢測(cè)單元J1和J4分別安裝于距離中性區(qū)前后一定距離的軌道旁，J2和J3安裝在中性區(qū)內(nèi)兩側(cè)靠近分相入口的軌道旁。以下通過(guò)各個(gè)位置檢測(cè)單元和晶閘管閥組的動(dòng)作時(shí)序，分別說(shuō)明機(jī)車(chē)正向行駛和反向行駛時(shí)的控制邏輯。位置檢測(cè)單元的高電平表示機(jī)車(chē)到達(dá)該處；A閥和B閥的工作狀態(tài)也通過(guò)高低電平表示，高電平表示閥組導(dǎo)通，低電平表示閥組已關(guān)斷。

2.1 機(jī)車(chē)正向行駛

如圖4，當(dāng)機(jī)車(chē)從a相駛來(lái)，到達(dá)J1處時(shí)，A閥導(dǎo)通，中性段接觸網(wǎng)由a相供電，待機(jī)車(chē)進(jìn)入中性段，到達(dá)J3處時(shí)，A閥關(guān)斷，B閥迅速導(dǎo)通，完成中性段供電的電源變換。由于此時(shí)中性段已由B相供電，機(jī)車(chē)可以在不用任何附加操作，負(fù)荷基本不變的條件下通過(guò)分相區(qū)，待機(jī)車(chē)到達(dá)J4處時(shí)，B閥關(guān)斷，裝置恢復(fù)原始狀態(tài)。位置檢測(cè)單元J2在正向行車(chē)過(guò)程中不參與邏輯控制。

T1～T4時(shí)刻，裝置各子部件的工作狀態(tài)說(shuō)明如下：

（1）在T1時(shí)刻，機(jī)車(chē)到達(dá)J1處，位置傳感器J1輸出高電平位置信號(hào)，A閥導(dǎo)通，中性區(qū)帶a相電，當(dāng)機(jī)車(chē)進(jìn)入中性區(qū)之后，牽引負(fù)荷電流從A閥通過(guò)。

（2）在T2時(shí)刻，機(jī)車(chē)到達(dá)J3處，位置傳感器J3輸出高電平位置信號(hào)，A閥關(guān)斷。

（3）在T3時(shí)刻，經(jīng)過(guò)A閥關(guān)斷預(yù)設(shè)的延時(shí)，B閥導(dǎo)通，機(jī)車(chē)牽引負(fù)荷電流從B閥通過(guò)。

（4）在T4時(shí)刻，機(jī)車(chē)到達(dá)J4處，位置傳感器J4輸出高電平位置信號(hào)，由于此時(shí)機(jī)車(chē)在中性區(qū)外，B閥已處于空載狀態(tài)，則B閥于此刻關(guān)斷，裝置恢復(fù)原始狀態(tài)。

2.2 機(jī)車(chē)反向行駛

當(dāng)機(jī)車(chē)從b相駛來(lái)， 到達(dá)J4處時(shí)，B閥導(dǎo)通，中性段接觸網(wǎng)由b相供電，待機(jī)車(chē)進(jìn)入中性段，到達(dá)J2處時(shí)，B閥關(guān)斷，A閥迅速導(dǎo)通，完成中性段供電的電源變換。由于此時(shí)中性段己由a相供電，機(jī)車(chē)可以在不用任何附加操作，負(fù)荷基本不變的條件下通過(guò)分相區(qū)，待機(jī)車(chē)到達(dá)J1處時(shí)，A閥關(guān)斷，裝置恢復(fù)原始狀態(tài)。位置檢測(cè)單元J3在正向行車(chē)過(guò)程中不參與邏輯控制。

T1～T4時(shí)刻，裝置各子部件的工作狀態(tài)說(shuō)明如下：

（1）在T1時(shí)刻，機(jī)車(chē)到達(dá)J4處，位置傳感器J4輸出高電平位置信號(hào)，B閥導(dǎo)通，中性區(qū)帶b相電，當(dāng)機(jī)車(chē)進(jìn)入中性區(qū)之后，牽引負(fù)荷電流從B閥通過(guò)。

（2）在T2時(shí)刻，機(jī)車(chē)到達(dá)J2處，位置傳感器J2輸出高電平位置信號(hào)，B閥關(guān)斷。

（3）在T3時(shí)刻，經(jīng)過(guò)B閥關(guān)斷預(yù)設(shè)的延時(shí)，A閥導(dǎo)通，機(jī)車(chē)牽引負(fù)荷電流從A閥通過(guò)。

（4）在T4時(shí)刻，機(jī)車(chē)到達(dá)J1處，位置傳感器J1輸出高電平位置信號(hào)，由于此時(shí)機(jī)車(chē)在中性區(qū)外，A閥已處于空載狀態(tài)，則A閥于此刻關(guān)斷，裝置恢復(fù)原始狀態(tài)。

3 關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題

3.1 閥組安全設(shè)計(jì)

晶閘管閥組主要包括反并聯(lián)晶閘管組件、散熱器、均壓回路、高電位觸發(fā)和監(jiān)控單元、BOD（Break Over Diode）保護(hù)電路等。（1）若干個(gè)反并聯(lián)晶閘管組件串聯(lián)構(gòu)成閥組主電路，設(shè)計(jì)時(shí)需要根據(jù)項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況，預(yù)留充足的電壓和電流儲(chǔ)備系數(shù)。（2）散熱器可采用型材自冷、熱管散熱或水冷方式，應(yīng)保證可靠性高、穩(wěn)定性好、散熱能力強(qiáng)、耐腐蝕，噪音小。（3）均壓電路由電阻和電容組成，并接在每組反并聯(lián)的晶閘管的兩端，可以有效抑制晶閘管關(guān)斷時(shí)的過(guò)壓，并承擔(dān)靜態(tài)、動(dòng)態(tài)均壓作用。（4）高電位觸發(fā)和監(jiān)控單元通過(guò)光電轉(zhuǎn)換方式保障絕緣安全，采用光纖通信保證觸發(fā)信號(hào)和監(jiān)控信息的可靠性。（5）晶閘管閥配備BOD過(guò)電壓保護(hù)電路，當(dāng)觸發(fā)脈沖通道故障或其它原因，造成晶閘管兩端電壓升高到保護(hù)電路的動(dòng)作電壓值時(shí)，BOD擊穿導(dǎo)通，向晶閘管門(mén)極發(fā)送觸發(fā)信號(hào)，強(qiáng)制晶閘管導(dǎo)通，保護(hù)晶閘管不被擊穿[6]。

3.2 閥組額定電壓

由系統(tǒng)主電路可知，A閥和B閥均未導(dǎo)通時(shí)，a供電臂和b供電臂的電壓差由兩個(gè)電子開(kāi)關(guān)串聯(lián)分壓承受；當(dāng)A閥和B閥其中之一導(dǎo)通時(shí)，另一個(gè)未導(dǎo)通晶閘管閥需要單獨(dú)承受a臂和b臂的電壓差。因此，單個(gè)閥組的額定電壓應(yīng)按照a臂和b臂的電壓差來(lái)設(shè)計(jì)。牽引變壓器的接線(xiàn)方式不同，27.5kV側(cè)a供電臂和b供電臂之間的相角和電壓差也不同。目前，牽引變壓器最常用的接線(xiàn)方式包括V/v牽引變壓器、Scott牽引變壓器和平衡變壓器等，經(jīng)過(guò)計(jì)算，各種接線(xiàn)型式下單個(gè)閥組的額定電壓見(jiàn)下表1。

3.3 切換死區(qū)時(shí)間

以V/v變壓器供電方式為例進(jìn)行切換死區(qū)時(shí)間分析，在a相供電臂電壓Ua的上升過(guò)零點(diǎn)（圖8中時(shí)間點(diǎn)①）關(guān)斷A閥的觸發(fā)脈沖，根據(jù)晶閘管的特性，A閥的實(shí)際關(guān)斷時(shí)刻是在機(jī)車(chē)負(fù)荷電流Ia的上升過(guò)零點(diǎn)（圖8中時(shí)間點(diǎn)②），由于A(yíng)閥關(guān)斷之前電流為負(fù)值，所以B閥開(kāi)通的時(shí)刻也需要控制在b相供電臂電壓Ub的上升過(guò)零點(diǎn)，流經(jīng)B閥的機(jī)車(chē)負(fù)荷電流Ib從正向開(kāi)始，從而保證機(jī)車(chē)變壓器不存在偏磁問(wèn)題。

定義Ia滯后Ua的相位為Ф，分牽引和制動(dòng)兩個(gè)運(yùn)行工況進(jìn)行分析：（1）當(dāng)機(jī)車(chē)處于牽引狀態(tài)，如果0°≤Ф≤60°，可以在圖8中時(shí)間點(diǎn)③開(kāi)通B閥，死區(qū)時(shí)間為0ms～3.3ms；如果60°≤Ф≤90°，需要在圖8中時(shí)間點(diǎn)④開(kāi)通B閥，死區(qū)時(shí)間為18.3ms～20ms。（2）當(dāng)機(jī)車(chē)處于再生制動(dòng)狀態(tài)，Ф=-180°，需要在圖中④點(diǎn)開(kāi)通Ub，死區(qū)時(shí)間為13.3ms。工程應(yīng)用時(shí)，為保證設(shè)備安全，通常在Ua的上升過(guò)零點(diǎn)關(guān)斷A閥的觸發(fā)脈沖，在Ub的第二個(gè)上升過(guò)零點(diǎn)開(kāi)通B閥的觸發(fā)脈沖，則最短切換死區(qū)時(shí)間為13.3ms～23.3ms，并可根據(jù)機(jī)車(chē)適應(yīng)情況適當(dāng)增加n*20ms。同理，可以得到Scott和平衡變的最短切換死區(qū)時(shí)間見(jiàn)下表2。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文所提出的裝置及控制方法的技術(shù)性能，于2019年1月在某重載鐵路變電所進(jìn)行了高壓試驗(yàn)，測(cè)試了各種機(jī)車(chē)運(yùn)行工況下最優(yōu)切換死區(qū)時(shí)間，部分現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)波形見(jiàn)圖9～圖11。機(jī)車(chē)通過(guò)分相區(qū)前后，原邊電流、四象限電流及直流電壓波形平穩(wěn)，各項(xiàng)運(yùn)行指標(biāo)正常，實(shí)現(xiàn)了帶電無(wú)感知過(guò)分相。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種由位置檢測(cè)單元、控制單元、繼保單元、高壓大功率晶閘管閥等構(gòu)成的新型變電所地面自動(dòng)過(guò)分相裝置，討論了正向行車(chē)和反向行車(chē)的控制方案和工作時(shí)序，研究了晶閘管閥的安全設(shè)計(jì)以及在不同接線(xiàn)型式變壓器情況下的額定電壓設(shè)計(jì)和切換死區(qū)時(shí)間，并在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了高壓運(yùn)行測(cè)試。經(jīng)驗(yàn)證，裝置設(shè)計(jì)及控制方法安全可靠，參數(shù)自整定，適應(yīng)性強(qiáng)，能夠保障電力機(jī)車(chē)不降速、平滑無(wú)感知地通過(guò)變電所分相區(qū)，增加線(xiàn)路運(yùn)輸能力。

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