高速鐵路動(dòng)車組不斷電過(guò)分相技術(shù)研究

摘要：文章介紹了一種用于高速鐵路動(dòng)車組不斷電過(guò)分相技術(shù)。該技術(shù)基于先進(jìn)的電力電子技術(shù)，采用大功率晶閘管閥組作為開關(guān)裝置，開關(guān)過(guò)程對(duì)動(dòng)車組及接觸網(wǎng)無(wú)電壓電流沖擊，動(dòng)車組在過(guò)電分相時(shí)不失電，避免了現(xiàn)有車載斷電過(guò)分相方式中存在的退級(jí)降速-重合閘增流加速過(guò)程問(wèn)題，提高了高速鐵路運(yùn)行效率。

關(guān)鍵詞：電氣化鐵路;電分相;晶閘管;不斷電

0 引言

我國(guó)高速鐵路采用50 Hz單相交流牽引供電網(wǎng)對(duì)動(dòng)車組進(jìn)行供電，受限于變壓器供電范圍，往往將整條高速鐵路的牽引供電網(wǎng)分割為若干段，由多臺(tái)變壓器對(duì)牽引網(wǎng)供電。為了避免同變壓器相間短路或者不同變壓器間短路，通常在牽引變電所出口及分區(qū)亭處設(shè)置一段兩端都有電氣分段的接觸網(wǎng)，即電分相。由于中性區(qū)接觸網(wǎng)本身不帶電，動(dòng)車組列車通過(guò)電分相時(shí)，需采取特殊操作通過(guò)該段無(wú)電區(qū)域。

目前我國(guó)高速鐵路動(dòng)車組均采用車載設(shè)備斷電過(guò)分相方式，即動(dòng)車組在進(jìn)入電分相前牽引變流器逐漸降流至零，然后斷開主斷路器，使動(dòng)車組與牽引網(wǎng)的電氣連接斷開，輔助供電系統(tǒng)由電池供電，或者由牽引變流器再生制動(dòng)供電，維持動(dòng)車組空調(diào)、照明系統(tǒng)用電。由于在電分相區(qū)間內(nèi)動(dòng)車組無(wú)電，只能以慣性劃過(guò)，所以動(dòng)車組在電分相及附近區(qū)域內(nèi)只能以較低的運(yùn)行速度通過(guò)，影響運(yùn)行效率。另外，動(dòng)車組出分相后的加速過(guò)程中，牽引功率需求高，對(duì)牽引供電網(wǎng)的沖擊也較大。

本文擬采用一種新型地面自動(dòng)過(guò)分相裝置，使得動(dòng)車組列車在通過(guò)電分相區(qū)域時(shí)持續(xù)帶電保持牽引力，保證列車不減速通過(guò)電分相區(qū)。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

圖1為新型地面自動(dòng)過(guò)分相裝置主接線圖，主要部件的功能如下：

（1）晶閘管閥組：TMa、TMb由多個(gè)晶閘管串聯(lián)組成，用于本裝置對(duì)中性區(qū)進(jìn)行供電。開關(guān)動(dòng)作時(shí)，晶閘管先觸發(fā)導(dǎo)通，整個(gè)過(guò)程中無(wú)電弧、沖擊產(chǎn)生，由此大大提高開關(guān)的工作壽命。

（2）斷路器：QF1、QF2為高壓斷路器。正常工作時(shí)，QF1和QF2閉合;本裝置故障時(shí)，無(wú)法正常執(zhí)行分閘操作，操作QF1、QF2，替代本裝置的分?jǐn)喙δ?供電網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)短路故障時(shí)，直接斷開QF1和QF2，保護(hù)本裝置不受損壞。

（3）電壓互感器：PT1、PT2、PT3、PT4為高壓互感器。PT1采集左側(cè)供電臂接觸網(wǎng)對(duì)地電壓;PT2采集中性區(qū)接觸網(wǎng)對(duì)地電壓;PT3采集右側(cè)供電臂接觸網(wǎng)對(duì)地電壓;PT4為檢壓器的一部分，用于列車位置判斷。

（4）電流互感器：CT1、CT2、CT3為電流互感器，用于采集各條支路電流。

2 晶閘管閥體設(shè)計(jì)

考慮開行CRH380型動(dòng)車組16輛編組使用，其中CRH380AL型號(hào)最大功率為21 560 kVA，最大電流為784 A。

（1）供電電流按照800 A（有效值）來(lái)計(jì)算，流過(guò)晶閘管的最大通態(tài)平均電流為：

考慮1.5～2倍系數(shù)，晶閘管通態(tài)平均電流IT（AV）>（540～720 ）A。

（2）工作電壓：持續(xù)工作最高電壓為31.5 kV（rms）;瞬時(shí)峰值為60 kV。

由于單只晶閘管耐壓等級(jí)有限，選用6 500 V耐壓的晶閘管，需多只串聯(lián)使用，串聯(lián)層數(shù)計(jì)算過(guò)程如下：

取整數(shù)得nT=21。

考慮一定數(shù)量備用層數(shù)，取總層數(shù)為24。電壓安全系數(shù)為：

3 地面自動(dòng)過(guò)分相裝置工作原理

根據(jù)動(dòng)車組通過(guò)電分相區(qū)域的空間順序，地面自動(dòng)過(guò)分相裝置的工作狀態(tài)可分為：等待、開關(guān)投入、開關(guān)切換、出清復(fù)歸等四種狀態(tài)。本文按照地面自動(dòng)過(guò)分相裝置的四種工作狀態(tài)，對(duì)原理進(jìn)行說(shuō)明。

3.1 狀態(tài)1：等待

動(dòng)車組進(jìn)分相區(qū)前，機(jī)車受電弓在電分相區(qū)錨段關(guān)節(jié)前，機(jī)車一直由饋線供電，地面自動(dòng)過(guò)分相裝置處于等待狀態(tài)。裝置通過(guò)CT1監(jiān)測(cè)動(dòng)車組在本段供電臂上的運(yùn)行狀態(tài)，根據(jù)電流特征判斷動(dòng)車組型號(hào)、運(yùn)行速度、距電分相區(qū)距離（見(jiàn)圖2）。

3.2 狀態(tài)2：開關(guān)投入

動(dòng)車組受電弓進(jìn)入錨段關(guān)節(jié)，當(dāng)受電弓運(yùn)行于饋線接觸網(wǎng)與中性線等高點(diǎn)時(shí)，受電弓同時(shí)與饋線接觸網(wǎng)與中性區(qū)接觸網(wǎng)接觸，中性線通過(guò)受電弓與饋線等電位，使得中性線與饋線電壓相等。新型地面自動(dòng)過(guò)分相裝置通過(guò)識(shí)別PT2的變化，當(dāng)與PT1相等時(shí)即判定機(jī)車進(jìn)入中性區(qū)，開始過(guò)分相過(guò)程。

當(dāng)識(shí)別到動(dòng)車組進(jìn)入分相區(qū)后，立刻觸發(fā)TMa，使晶閘管閥組TMa導(dǎo)通，使得中性區(qū)通過(guò)TMa仍然由饋線B供電（見(jiàn)圖3）。

3.3 狀態(tài)3：開關(guān)切換

動(dòng)車組在中性區(qū)運(yùn)行，通過(guò)地面過(guò)分相裝置給動(dòng)車組供電。當(dāng)動(dòng)車組受電弓運(yùn)行到檢壓器安裝位置時(shí)，檢壓器通過(guò)動(dòng)車組受電弓與中性區(qū)接觸網(wǎng)相通，此時(shí)檢壓器與中性區(qū)接觸網(wǎng)等電位。地面自動(dòng)過(guò)分相裝置通過(guò)識(shí)別PT4的變化，當(dāng)與PT2相等時(shí)即判定動(dòng)車組到達(dá)開關(guān)切換點(diǎn)位置。此時(shí)發(fā)出斷開TMa的命令，在TMa撤掉觸發(fā)脈沖，電流過(guò)零自然關(guān)斷后，再發(fā)出TMb合閘命令，使中性區(qū)轉(zhuǎn)換為帶饋線A的電。

中性區(qū)切換過(guò)程中，裝置可在任意角度上斷開前序開關(guān)。撤除TMa觸發(fā)脈沖后，晶閘管在電流自然過(guò)零后關(guān)斷，不會(huì)產(chǎn)生電壓電流突變。但是對(duì)動(dòng)車組而言，切除電源后，牽引變壓器上仍然有殘壓，并以不確定周期衰減，若切換時(shí)間過(guò)短或者合閘角度選擇不合適，會(huì)導(dǎo)致列車產(chǎn)生較大的沖擊電流，影響設(shè)備或機(jī)車的安全運(yùn)行。本裝置選擇的切換角度參數(shù)為72°，切換間隔為5 ms（見(jiàn)圖4）。

3.4 狀態(tài)4：出清復(fù)歸

當(dāng)動(dòng)車組駛出電分相區(qū)，動(dòng)車組恢復(fù)由饋線A供電，CT3電流變?yōu)?，此時(shí)發(fā)出斷開TMb的命令，使得中性區(qū)不帶電，恢復(fù)到等待下一次列車過(guò)分相狀態(tài)（見(jiàn)圖5）。

4 裝置試驗(yàn)分析

本裝置應(yīng)用于既有線路，機(jī)車在通過(guò)電分相區(qū)時(shí)不降弓、不斷主斷路器、不退級(jí)，正常行車通過(guò)，保證在過(guò)分相時(shí)仍能按大功率牽引出力，以驗(yàn)證地面自動(dòng)過(guò)分相裝置的功能及性能。

如圖6所示，列車從饋線B供電區(qū)域進(jìn)入電分相區(qū)域，當(dāng)受電弓在錨段關(guān)節(jié)等高點(diǎn)時(shí)，中性區(qū)電壓通過(guò)受電弓與饋線B電壓等電位，待TMa合閘完成后，機(jī)車電流逐漸從饋線B轉(zhuǎn)移到中性區(qū)，待機(jī)車駛出錨段關(guān)節(jié)后，完全通過(guò)TMa給機(jī)車供電。

圖7為機(jī)車在電分相中性區(qū)開關(guān)切換點(diǎn)附近運(yùn)行時(shí)的供電波形圖。由圖形可以看出，在地面自動(dòng)過(guò)分相裝置切換前，中性區(qū)帶A相電，機(jī)車正常工作取流。當(dāng)機(jī)車運(yùn)行到中性區(qū)中點(diǎn)時(shí)，地面自動(dòng)過(guò)分相裝置切換動(dòng)作，中性區(qū)電壓從A相切換到B相，瞬間失電時(shí)間為6.4 ms，由于失電時(shí)間極短，對(duì)機(jī)車的平穩(wěn)運(yùn)行幾乎沒(méi)有影響，機(jī)車能夠保持大功率牽引出力通過(guò)分相區(qū)域。

圖8為機(jī)車在駛出電分相區(qū)時(shí)，地面過(guò)分相裝置工作波形圖。由圖形可以看出，機(jī)車從電分相區(qū)域駛?cè)腽伨€A供電區(qū)域，機(jī)車電流也逐漸從中性區(qū)供電轉(zhuǎn)移到饋線A供電，但機(jī)車總電流維持穩(wěn)定。

綜合圖6～8可知，列車在整個(gè)電分相區(qū)域均獲得持續(xù)的供電電流，僅在地面自動(dòng)過(guò)分相裝置切換時(shí)短暫失電6.4 ms，但對(duì)機(jī)車連續(xù)運(yùn)行無(wú)影響，從而證明不斷電過(guò)分相技術(shù)的有效性。

5 結(jié)語(yǔ)

本文提出的高速鐵路動(dòng)車組不斷電過(guò)分相技術(shù)，能夠有效解決現(xiàn)階段動(dòng)車組在過(guò)電分相時(shí)運(yùn)行速度降低的問(wèn)題，能夠有效提升高速鐵路運(yùn)行效率。

本文所述的高速鐵路動(dòng)車組不斷電過(guò)分相技術(shù)已在既有線路上驗(yàn)證了原理的有效性，下一階段需要進(jìn)行進(jìn)一步的試驗(yàn)，驗(yàn)證對(duì)全路運(yùn)行的電力機(jī)車、電力動(dòng)車組不斷電過(guò)分相的有效性。

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作者簡(jiǎn)介：李艷軍（1986—），工程師，碩士研究生，主要從事電氣化鐵路供電技術(shù)研究及電力系統(tǒng)技術(shù)研究工作。