電力機(jī)車自動(dòng)過(guò)分相技術(shù)分析

王 波 通號(hào)（長(zhǎng)沙）軌道交通控制技術(shù)有限公司

重載高速軌道交通，牽引供電一般均采用單相交流25 kV電壓等級(jí)供電，單一供電臂不能過(guò)長(zhǎng)，一般不超過(guò)20 km（AT供電也不超過(guò)40 km），各個(gè)供電臂之間必須設(shè)置分相裝置。雖然分相裝置技術(shù)不斷進(jìn)步，從最初的器件式向關(guān)節(jié)式發(fā)展，從最初的六跨式關(guān)節(jié)、七跨式，直到十一跨式，但所有關(guān)節(jié)都存在中性段問(wèn)題，機(jī)車必須在經(jīng)過(guò)中性段時(shí)進(jìn)行斷電通過(guò)。這對(duì)機(jī)車的速度、分相設(shè)置的位置、相關(guān)的信號(hào)標(biāo)識(shí)、司乘人員的精力、及其他輔助的設(shè)施等都提出了要求。特別是重載列車，大坡度區(qū)段，曾經(jīng)發(fā)生過(guò)列車停在中性區(qū)，請(qǐng)求救援的事件發(fā)生，給正常運(yùn)輸秩序帶來(lái)很大的影響。在市域鐵路中，由于線路曲線半徑較大、速度較慢，很容易發(fā)生機(jī)車停留在中性區(qū)的現(xiàn)象。隨著列車速度的提高，為了克服這些問(wèn)題，采取了一系列技術(shù)措施。

1 早期的自動(dòng)過(guò)分相技術(shù)（裝置）

1.1 地面自動(dòng)轉(zhuǎn)換電分相裝置

通過(guò)軌道電路來(lái)控制斷路器S1、S2的斷、合；保持中性段分別與A相段和B相段同相，保證機(jī)車通過(guò)F1、F2斷口時(shí)，可以不斷電通過(guò)(如圖1所示)。

圖1 地面轉(zhuǎn)換過(guò)電分相結(jié)構(gòu)圖

1.2 柱上式電分相自動(dòng)轉(zhuǎn)換裝置

和地面自動(dòng)轉(zhuǎn)換電分相原理基本相同，主要是在支柱的桿頂布置，省去了地面建設(shè)和空間，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單。在設(shè)備和結(jié)構(gòu)上是對(duì)稱布置的，能夠適應(yīng)正反向行車要求。

1.3 車上式過(guò)電分相自動(dòng)轉(zhuǎn)換裝置

主要是在店里機(jī)車控制室及電分相區(qū)域安裝必要的裝置和設(shè)備，以至于不需要人工干預(yù)而實(shí)現(xiàn)電力機(jī)車自動(dòng)轉(zhuǎn)換的電分相裝置。主要是地面感應(yīng)器，車載感接收裝置，主電路設(shè)備，控制設(shè)備等自動(dòng)進(jìn)行機(jī)車主斷路器的斷、合操作。避免了誤操作引起的事故，但存在一定的速度損失。

以上幾種方式，都有不同的創(chuàng)新。有明顯端口的斷路器用半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)及并聯(lián)電路組成的無(wú)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)代替。地面位置確認(rèn)有采用軌道電路方式的，有電磁方式的，隨著現(xiàn)代列控方式的發(fā)展，采用應(yīng)答器、GPS定位或北斗定位等方式都可以實(shí)現(xiàn)。通過(guò)位置信號(hào)，給與司乘人員提示或直接作用于機(jī)車的相關(guān)斷路器等電器控制開(kāi)關(guān)。存在主要問(wèn)題：還不能實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格意義上的連續(xù)無(wú)斷點(diǎn)供電，在中性區(qū)進(jìn)行換相的過(guò)程中，還是存在涌流問(wèn)題。

2 準(zhǔn)同相供電技術(shù)

“接觸網(wǎng)電分相連續(xù)供電系統(tǒng)”為基于大功率電力子變流技術(shù)的四象限變流器，它從接觸網(wǎng)牽引母線取電，通過(guò)四象限變流裝置的 PWM技術(shù)，將27.5 kV牽引母線電源通過(guò)交-直-交變換，輸出相位、幅值均可調(diào)的電壓給接觸網(wǎng)分相區(qū)的中性段供電，列車通過(guò)分相區(qū)期間讓中性區(qū)始終連續(xù)的與兩端的接觸網(wǎng)動(dòng)態(tài)同相供電，徹底消除以往傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)式換相過(guò)程中無(wú)法杜絕的杜絕的暫態(tài)過(guò)電壓或電弧產(chǎn)生的條件。這種方式實(shí)現(xiàn)的列車帶電過(guò)分相，不存在開(kāi)關(guān)有載操作，因而全過(guò)程沒(méi)有操作過(guò)電壓，且全過(guò)程供電中，可始終保證電源品質(zhì)符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。線路試驗(yàn)證明，在動(dòng)態(tài)換相換電過(guò)程中，列車各典型工況下的工作狀態(tài)完全正常，因而電分相連續(xù)供電系統(tǒng)，可良好匹配和適用各機(jī)車類型 (系統(tǒng)裝置組成如圖2所示)。

圖2 接觸網(wǎng)電分相連續(xù)供電系統(tǒng)組成圖

該技術(shù)在長(zhǎng)株潭城際鐵路已經(jīng)進(jìn)行了應(yīng)用，效果良好。

3 基于對(duì)稱補(bǔ)償?shù)耐喙╇娂夹g(shù)

為保證電力系統(tǒng)的平衡及電壓質(zhì)量，要求鐵路供電盡量要保證系統(tǒng)三相平衡。變壓器的接線方式由Y/D-11接線，及次邊為三角形平衡接線，對(duì)系統(tǒng)影響較小，單變壓器器利用效率較低?；蛘呃脝蜗嘟泳€或V型接線，雖然每個(gè)變電所對(duì)系統(tǒng)不平衡，但通過(guò)三個(gè)（3的N倍）變電所依次換相后，可以保證系統(tǒng)的平衡?；蛘咄ㄟ^(guò)Scott接線或Wood Bridge接線方式的三相-兩相平衡變壓器來(lái)保證系統(tǒng)三相平衡，但是依然無(wú)法取消同一變電所變壓器次邊的兩相之間的分相。

根據(jù)steinmetz電路，對(duì)目前的鐵路常用的V/V，YN/D接線方式下的次邊不同相位的兩相分別利用電容、電感正負(fù)平衡的補(bǔ)償作用，達(dá)到相位一致，從而可以取消變電所出口處的分相裝置。電感和電容的容量相等，平衡電路既不吸收無(wú)功也不產(chǎn)生無(wú)功（如圖3所示）。

圖3 用于YN/D和V/V牽引變電所的steinmetz電路

該方式無(wú)法取消兩個(gè)變電所之間的分相裝置。但供電臂的延長(zhǎng)增加了事故時(shí)的故障范圍。

4 基于電力電子技術(shù)的同相供電

對(duì)次邊的另一相采用交-直-交方式，使用電力電子技術(shù)，變換相位及幅值后，保持與另外一相同相，相當(dāng)于兩支饋線并聯(lián)運(yùn)行。與兩臺(tái)變壓器并聯(lián)運(yùn)行的要求類似。

該種方式對(duì)有源逆變器的容量提出了更高的要求。

5 基于電力系統(tǒng)的同相供電

（1）依靠電力系統(tǒng)的直流供電方式，每個(gè)牽引變電所使用直-交方式，保證全線的交流為同一相位和幅值，這樣可以取消全線路的所有的分相裝置，實(shí)現(xiàn)全線路無(wú)分相。

（2）在市域鐵路、城際鐵路及國(guó)鐵相對(duì)密集的區(qū)域，對(duì)同一電力系統(tǒng)，采用市域鐵路、城際鐵路、國(guó)鐵各變電所從系統(tǒng)的三相分別取流，保證系統(tǒng)三相基本平衡，各鐵路變電所實(shí)現(xiàn)同相供電。

通過(guò)對(duì)目前牽引供電電分相處，保證機(jī)車自動(dòng)通過(guò)分相裝置、技術(shù)及方法的梳理分析，為設(shè)計(jì)、施工應(yīng)用提供一個(gè)技術(shù)對(duì)比參考。但僅僅是從技術(shù)角度的基本原理進(jìn)行了分析，對(duì)其經(jīng)濟(jì)可行性，及對(duì)次邊補(bǔ)償后，對(duì)系統(tǒng)側(cè)的諧波、負(fù)序、無(wú)功等因素的影響未進(jìn)行深入討論。隨著列車速度、載重量的提高和增大、司乘人員勞動(dòng)環(huán)境的改變、技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步和人們對(duì)乘車舒適度要求的提高，無(wú)分相裝置的同相供電技術(shù)是未來(lái)發(fā)展的方向。當(dāng)然新技術(shù)的應(yīng)用還要從電力系統(tǒng)的現(xiàn)狀、具體要求、投資大小、行車組織、牽引供電質(zhì)量的要求等方面進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)論證和分析。