電子開關(guān)過分相裝置控制策略研究

劉永麗，成正林，陶洪亮，唐建宇

（株洲中車時代電氣股份有限公司，湖南 株洲 412001）

0 引言

目前我國主要采用車載過分相的方式來實現(xiàn)機車過分相，但現(xiàn)有的車載過分相斷電通過分相區(qū)造成的機車速度損失，給鐵路運輸能力的提升及鐵路供電的穩(wěn)定性均帶來了制約，在高速、高坡和重載鐵路中尤為明顯。隨著電氣化鐵路技術(shù)水平的不斷發(fā)展進步,地面自動過分相裝置也得到越來越多的推廣應(yīng)用[1]。地面帶電自動過分相系統(tǒng)是設(shè)置在牽引變電所、分區(qū)所的地面自動轉(zhuǎn)換設(shè)備，實現(xiàn)了在電力機車主斷路器閉合狀態(tài)下，乘務(wù)員免操作，機車帶電、帶負荷、安全地自動通過電分相中性區(qū)并保持列車牽引力和運行速度，有效縮短了機車過分相的運行時間，提高了線路的綜合運輸能力。

我國實際應(yīng)用的地面過分相裝置目前主要為基于斷路器投切式[2]，由于斷路器動作時間長、使用壽命較短、投切角度精度差，對于需頻繁切換的分相區(qū)，該類過分相裝置性能亟待提升；而基于電力電子技術(shù)的地面過分相裝置（簡稱“電子開關(guān)過分相裝置”）相比基于斷路器投切的地面過分相裝置，其換相時間短、適用范圍廣、使用壽命長、安全可靠性高，具有更高的推廣價值。為此，本文設(shè)計了一種基于晶閘管技術(shù)的電子開關(guān)過分相裝置，介紹了其工作原理及控制策略。

1 電子開關(guān)過分相裝置原理

電氣化鐵路的電力是由在鐵路沿線建設(shè)的若干個牽引變電站所提供。變電站將三相高壓交流電變換為2 路額定電壓為27.5 kV 的工頻單相交流電，分別為上行、下行雙向供電接觸網(wǎng)供電。為了平衡電力系統(tǒng)A, B, C各相負荷，電氣化鐵道采用相序輪換、分段分相供電的方案，這樣就會有分相區(qū)。我國生產(chǎn)的“韶山”系列機車為直流車，過分相機車失電后，輔助繞組和異步輔助機群構(gòu)成的閉合回路中仍有電流，輔機系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速并不為0，系統(tǒng)的反饋能量在中性段上形成殘壓，其在機車空載工況下可接近系統(tǒng)網(wǎng)壓值，在機車帶載工況下可達到11～12 kV。換相后，電壓疊加將會產(chǎn)生過電壓，威脅機車電氣設(shè)備安全并可能導(dǎo)致牽引變電所跳閘[3]。

國內(nèi)現(xiàn)有地面過分相裝置主要為西安鐵路局科學(xué)技術(shù)研究所研制的智能選相開關(guān)地面過分相裝置[4]，其利用斷路器的投切來實現(xiàn)中性區(qū)兩個供電臂電源的切換，采用斷路器的串并聯(lián)來降低因斷路器拒合、拒分而帶來的安全隱患（圖1）。圖中，QF1～QF4 為斷路器，QS1～QS3 為隔離開關(guān)，QF1B 和QF4B 分別為QF1 和QF4 的備用斷路器。該裝置在神朔鐵路投入使用后，提升了重載鐵路運能。

圖1 基于斷路器的地面過分相裝置Fig. 1 Ground neutral section passing equipment based on breaker

基于斷路器的地面過分相裝置存在機械開關(guān)控制精度低、動作速度慢、壽命有限、故障率高的缺陷。為此，設(shè)計一種電子開關(guān)過分相裝置，其中性區(qū)采用RC 吸收電路抑制過電壓，通過實時控制晶閘管的通斷來實現(xiàn)電源的切換，其響應(yīng)速度快，穩(wěn)定性高，并且電力電子開關(guān)壽命長，斷電時間可低至1 ms。該裝置原理如圖2 所示，每個供電臂均采用晶閘管閥組與中性區(qū)相連，中性區(qū)加入RC 支路以對晶閘管續(xù)流并吸收過電壓，通過晶閘管控制中性區(qū)供電切換，電子開關(guān)控制系統(tǒng)根據(jù)機車位置對晶閘管進行實時控制。

圖2 電子開關(guān)過分相系統(tǒng)原理圖Fig. 2 Principle diagram of electronic switch neutral section passing equipment

地面裝置位置檢測單元CG1～CG4（圖2）實時檢測列車方向和位置。正常情況下，斷路器QF1 和QF3閉合，斷路器QF2 和QF4 分斷，晶閘管閥組SCR1 和SCR2 關(guān)斷。

對于正向行車，當(dāng)機車行駛到CG1 安裝裝置時，列車即將進入中性區(qū)，此時晶閘管SCR 控制系統(tǒng)控制SCR1 導(dǎo)通；當(dāng)列車行駛至CG3 位置時，晶閘管SCR1關(guān)斷，并在確保其關(guān)斷之后晶閘管SCR2 導(dǎo)通；當(dāng)列車完全駛離CG4 位置時，晶閘管SCR2 關(guān)斷。

對于反向行車，當(dāng)機車行駛到CG4 安裝位置時，列車即將進入中性區(qū)，此時晶閘管SCR2 導(dǎo)通；當(dāng)列車行駛至CG2 位置時，晶閘管SCR2 關(guān)斷，并在確保其關(guān)斷之后 晶閘管SCR1 導(dǎo)通；當(dāng)列車完全駛離CG1 位置時，晶閘管SCR1 關(guān)斷。

2 電子開關(guān)過分相裝置控制方法與應(yīng)用研究

2.1 電子開關(guān)過分相裝置控制原理

電子開關(guān)過分相裝置邏輯控制單元是電子開關(guān)過分相裝置的主控制系統(tǒng)，其根據(jù)所采集的機車實時位置進行邏輯判斷、處理并下發(fā)對斷路器及閥組控制單元的控制命令，同時對整個裝置進行實時監(jiān)控及保護；SCR控制單元負責(zé)對SCR1 及SCR2 進行實時控制，實現(xiàn)中性區(qū)供電電源快速切換；斷路器用來對電子開關(guān)進行實時保護和越區(qū)供電（圖3）。

圖3 電子開關(guān)過分相控制關(guān)系框圖Fig. 3 Control relationship diagram of electronic switch neutral section passing equipment

電子開關(guān)過分相裝置采用晶閘管閥組控制單元實現(xiàn)自動換相。晶閘管為半控型器件，給晶閘管發(fā)出關(guān)斷命令之后，只要當(dāng)電流過零時，晶閘管才能自然關(guān)斷，關(guān)斷時刻與機車運行工況及負荷特性相關(guān)。晶閘管換相原理如圖4 所示。

圖4 換相原理圖Fig. 4 Principle diagram of phase switch

根據(jù)圖4 可知，通過精確控制SCR1 關(guān)斷時刻與SCR2 的開通時刻，就可以精確控制中性區(qū)斷電時間T。電子開關(guān)過分相裝置控制系統(tǒng)利用“DSP+雙CPLD”控制平臺，采用瞬時電壓與電流檢測與智能預(yù)測相結(jié)合的控制方法，能夠準確預(yù)測關(guān)斷過零點，從而準確控制關(guān)斷與開通時刻，完成1 次中性區(qū)電源切換的斷電時間低至1 ms。

根據(jù)文獻[5]，對于傳統(tǒng)過分相裝置，不同的接線方式對供電網(wǎng)的影響程度不同，其中YNd11 接線方式和Scott 接線方式下電壓波動幅值最大，V/v 接線方式下整體電壓的波動幅度較小。在電子開關(guān)過分相裝置中性區(qū)設(shè)置了RC 支路，可實現(xiàn)晶閘管的續(xù)流、中性區(qū)殘壓的釋放和過電壓的吸收。不同于車載過分相裝置[6]或基于斷路器的過分相裝置，電子開關(guān)過分相裝置在換相過程中中性區(qū)網(wǎng)壓與機車網(wǎng)側(cè)電壓保持一致，牽引工況下幾乎不用考慮殘壓對晶閘管造成的過電壓。

SCR 控制系統(tǒng)控制流程如圖5 所示，設(shè)備掛網(wǎng)后，實時對設(shè)備各元件狀態(tài)進行自檢，對行車及供電狀況進行實時監(jiān)測；列車進入中性區(qū)后，設(shè)備進入運行狀態(tài)；列車駛離中性區(qū)后，自動進入行車等待，根據(jù)邏輯控制系統(tǒng)的命令進行實時控制，到達換相點時，根據(jù)圖4 所示的換相原理，進行自動換相。SCR 控制系統(tǒng)在等待投運、自檢以及運行狀態(tài)下均對設(shè)備進行實時故障監(jiān)測，任何一個控制過程出現(xiàn)嚴重故障時，立即進入故障狀態(tài)，并將故障信息送至邏輯控制單元，由邏輯控制單元進行故障處理與保護；所有故障都復(fù)位后，重新進入等待投運狀態(tài)。

圖5 控制流程圖Fig. 5 Control flow chart

2.2 電子開關(guān)分相裝置對機車影響

機車完全進入中性區(qū)后，在即將駛出中性區(qū)之前，需要將中性區(qū)的供電由A 臂切換至B 臂供電。變電所牽引變壓器供電方式不同，A 臂與B 臂相位差亦不同，如在變壓器采用V/v 接線方式的牽引變電所，兩臂相位差為60°；但是在分區(qū)所，兩供電臂相位相同，電壓末端相位差小于10°。

當(dāng)列車通過分區(qū)所對應(yīng)接觸網(wǎng)分相區(qū)時，兩供電臂相位差不大(小于10°)，可以設(shè)置斷電時間為1 ms左右。以文獻[6]中HXD1C 型機車為例,其中間直流電壓Ud為1 800 V，額定功率為7 200 kW，單軸功率約1 200 kW，中間支撐電容Cd為4.6 mF。 由電容放電電壓公式Vt=Ud×e-t/RC可知，當(dāng)Vt為0.91Ud（1 630 V）時，機車功率因數(shù)近似為1，可算出等效電阻R，從而得出放電時間t 約為1.5 ms。當(dāng)直流電壓小于1 630 V 時機車開始卸力，電子開關(guān)過分相裝置可以實現(xiàn)換相時間低至1 ms，小于支撐電容支撐時間，完全可以達到無感知過分相的要求。由于換相時間較短，而且兩相相位差較小，磁通變化也較小，機車幾乎無勵磁涌流現(xiàn)象。

當(dāng)列車通過變電所對應(yīng)接觸網(wǎng)分相區(qū)時，電子開關(guān)過分相裝置換相的斷電時間對不同類型的機車的影響各不相同。由于脈沖整流器逆變電源相位與接觸網(wǎng)電源相位存在相位差，如果不對列車的四象限整流器采取任何措施,合閘后可能會產(chǎn)生很大的暫態(tài)電流[7]，導(dǎo)致機車過流跳閘。為了保障機車安全，需要等機車整流器脈沖封鎖后再換相，換相斷電時間設(shè)置在15 ms 左右。

當(dāng)機車變壓器處在非常短的斷電時間內(nèi)，剩磁無法快速衰減，換相后容易在電力機車用電回路中產(chǎn)生很大的浪涌電流，造成電力機車過流保護裝置啟動跳閘。電子開關(guān)需要選擇合適的投切相角，以減小機車因換相而再次帶電引起的浪涌電流沖擊，提高車網(wǎng)匹配性。

3 電子開關(guān)過分相裝置的換相過程仿真與應(yīng)用

3.1 電子開關(guān)過分相裝置換相仿真

以采用V/v 牽引變壓器變電站與HXD1C 型機車為例進行電子開關(guān)過分相過程仿真，HXD1C 型機車主要技術(shù)參數(shù)[8]如表1 所示。

表1 HXD1C 型機車變流電路參數(shù)Tab. 1 Convertor parameters of HXD1C locomotive

將兩相晶閘管連接至V/v 牽引變壓器同一供電臂，模擬分區(qū)所的供電方式，如圖6 所示。

圖6 地面過分相系統(tǒng)仿真模型Fig. 6 Simulation model of ground neutral section passing system

SCR 控制系統(tǒng)采用瞬態(tài)電流及功率檢測與剩磁預(yù)估的控制方法（圖7），實現(xiàn)1.5 ms 快速換相，并可適應(yīng)不同機車，達到最佳涌流抑制效果。

分相區(qū)斷電時間1.5 ms（分區(qū)所）機車網(wǎng)側(cè)電壓與電流如圖8 所示，機車中間直流電壓如圖9 所示。由圖可知，在兩供電臂同相模式下，電子開關(guān)過分相裝置換相時間為1.5 ms，晶閘管換相關(guān)斷過電壓尖峰值約為50 kV，符合電力機車操作過電壓應(yīng)限制在額定工作電壓2.25倍的技術(shù)要求，所引起的中間直流電壓波動很小，機車能夠無感知過分相。

圖8 1.5 ms 換相機車網(wǎng)側(cè)波形Fig. 8 Grid-side waveforms of locomotive as phase switch time is 1.5 ms

圖9 1.5 ms 換相機車直流電壓波形Fig. 9 DC voltage waveforms of locomotive as phase switch time is 1.5 ms

將兩相晶閘管分別至V/v 牽引變壓器兩相來模擬變電所供電方式，對機車異相換相進行仿真，分相區(qū)斷電時間15 ms 機車網(wǎng)側(cè)電壓與電流仿真波形如圖10 所示；機車中間直流電壓仿真波形如圖11 所示。由圖可知，當(dāng)兩供電臂在異相模式下時，電子開關(guān)過分相裝置換相時間為15 ms，晶閘管換相關(guān)斷過電壓尖峰值約為50 kV，符合電力機車操作過電壓應(yīng)限制在額定工作電壓2.25 倍的技術(shù)要求，所引起的中間直流電壓在滿載時有明顯的跌落，機車需要經(jīng)歷退載及加載過程[9]。

圖10 15 ms 換相機車網(wǎng)側(cè)波形Fig. 10 Grid-side waveforms of locomotive as phase switch time is 15 ms

圖11 15 ms 換相機車直流電壓波形Fig. 11 DC voltage waveforms of locomotive as phase switch time is 15 ms

3.2 電子開關(guān)過分相裝置試驗及應(yīng)用

3.2.1 同相換相

用電子開關(guān)過分相裝置同相換相模擬分區(qū)所換相過程，兩個牽引供電臂同相位時，電子開關(guān)過分相裝置1.5 ms 內(nèi)換相試驗波形如圖12 所示，晶閘管閥組無明顯過電壓，換相過程平穩(wěn)。

電子開關(guān)過分相裝置在廣珠貨運線進行行車試驗驗證，HXD1C 型機車試驗結(jié)果如圖13 所示。試驗工況為牽引工況、車速60 km/h和換相時間1.5 ms。從圖13可見，網(wǎng)側(cè)電壓恢復(fù)迅速，電流基本連續(xù)，機車直流電壓波動很小，機車無沖動及卸載現(xiàn)象出現(xiàn)，實現(xiàn)了無感知過分相。

圖12 同相換相時的電子開關(guān)過分相裝置換相波形Fig. 12 Waveforms of electronic switch neutral section passing equipment in the period of same-phase switching

圖13 同相換相時的HXD1C 型機車試驗波形Fig. 13 Test waveforms of HXD1C locomotive in the period of same-phase switching

3.2.2 異相換相

用電子開關(guān)過分相裝置異相換相模擬變電所過分相過程，以變壓器模擬機車牽引變壓器進行換相試驗，考慮到供電臂相差及機車變流器特性，試驗設(shè)置換相斷電時間為18 ms，試驗波形如圖14 所示。

圖14 異相換相時的電子開關(guān)過分相裝置換相波形Fig. 14 Waveforms of electronic switch neutral section passing equipment in the period of out-phase switching

由圖14 可知，僅按斷電時間進行切換，換相后容易產(chǎn)生較大的勵磁浪涌電流（見Ch3 波形）。在實際運行中，還需考慮機車牽引變壓器的磁通特性。為了減少供電相位變化對機車帶來的影響，避免機車牽引變壓器飽和造成較大的勵磁浪涌電流，需要控制電子開關(guān)過分相裝置投入的相位，盡量減少換相給機車帶來的浪涌電流沖擊。

廣珠線行車試驗牽引網(wǎng)側(cè)捕獲的機車牽引工況浪涌電流抑制效果波形如圖15 所示，換相時間為16.8 ms，換相后無浪涌電流（見Ch3 波形），勵磁涌流得到完全抑制。

圖15 變電所機車涌流試驗波形Fig. 15 Test waveform of locomotive inrush current in substation

HXD1C 型機車試驗波形如圖16 所示?？梢钥闯?，失電期間中間電壓略有跌落，換相過程平穩(wěn)，一次側(cè)無過電壓和勵磁浪涌電流。

圖16 異相換相時的HXD1C 型機車試驗波形Fig. 16 Test waveforms of HXD1C locomotive in the period of out-phase switching

4 結(jié)語

電子開關(guān)過分相裝置響應(yīng)速度快，換相斷電時間可低至1 ms，具有良好的車網(wǎng)匹配特性，且裝置基于電力電子器件，使用壽命長，控制精度高，能實現(xiàn)中性區(qū)穩(wěn)定供電。本文設(shè)計了一種電子開關(guān)過分相裝置，其能自適應(yīng)不同相位差變電所，并實時檢測機車運行工況，通過選擇最佳投切角度，快速恢復(fù)供電，減少投入涌流，降低對機車的沖擊，對不同類型的機車均有較好的適應(yīng)性，對高速、高坡和重載鐵路運輸能力的提升有明顯效果，實際應(yīng)用市場經(jīng)濟效益顯著。因鐵路供電對設(shè)備可靠性的要求非常高，后續(xù)將針對如何提高電子開關(guān)過分相裝置的可靠性做進一步的研究。