基于晶閘管的地面自動過分相系統(tǒng)及工程驗證

王林濤 李鵬飛 謝 棟

（陜西靖神鐵路有限責(zé)任公司，陜西 榆林 719000）

我國電氣化鐵路普遍采用列車自動過分相。雖然列車自動過分相可以減少司機的人工操作，提高系統(tǒng)安全性等[1-2]，但是仍存在一定不足，如過分相期間列車失去牽引力，行駛速度會明顯降低，不利于運量提升。此外，列車主斷路器的頻繁動作，經(jīng)常產(chǎn)生過分相過電壓，嚴重時造成互感器等車載高壓設(shè)備損壞。

我國在20 世紀80 年代開展以真空斷路器為核心部分的地面自動過分相技術(shù)研究，通過控制地面真空短路器的分合，實現(xiàn)向接觸網(wǎng)中性區(qū)供電，支撐列車帶電自動過分相，提高了列車供電的連續(xù)性[3]。然而，由于真空斷路器在分斷操作時易產(chǎn)生很大的暫態(tài)過電壓，對系統(tǒng)運行安全產(chǎn)生一定隱患，因此應(yīng)用價值受限[4]。該文開展了一種新型地面自動過分相技術(shù)研究，采用由晶閘管構(gòu)成的電子開關(guān)代替真空斷路器提高系統(tǒng)性能，分析其工作原理，并通過工程應(yīng)用驗證其有效性。

1 地面自動過分相系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖1 所示，傳統(tǒng)牽引供電系統(tǒng)由供電臂a、供電臂b 以及二者之間的電分相區(qū)構(gòu)成。其中，電分相區(qū)由兩個錨段關(guān)節(jié)和一個中性區(qū)構(gòu)成。該中性區(qū)無電源供電，實現(xiàn)2 個供電臂的電氣隔離。

圖1 地面自動過分相系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

地面自動過分相系統(tǒng)主要由2個電子開關(guān)（Va和Vb）、列車位置檢測傳感器（CG1、CG2、CG3 和CG4）以及斷路器（QF1、QF2 和QF3）和互感器構(gòu)成。其中，通過斷路器QF1～QF3 將3 個輸出端分別連接至供電臂a、中性區(qū)、供電臂b 的接觸網(wǎng)。

傳感器CG1—CG4 用于檢測列車位置，當(dāng)有列車通過時，傳感器向控制系統(tǒng)輸出信號。由于傳感器沿線布置在中性區(qū)不同位置，因為通過多個傳感器檢測信號可以識別列車處于中性區(qū)的不同位置，進而控制兩個電子開關(guān)的導(dǎo)通與關(guān)斷。

1.2 電子開關(guān)

地面自動過分相系統(tǒng)的電子開關(guān)是核心部件[5-7]，是提高列車過分相系統(tǒng)的決定性因素。晶閘管是一種典型的能在高電壓、大電流條件下工作的功率半導(dǎo)體開關(guān)器件，可零電壓開通導(dǎo)通、零電流關(guān)斷。因此，每個電子開關(guān)由多個反并聯(lián)晶閘管串聯(lián)構(gòu)成，可承受符合設(shè)計要求的高電壓、大電流。

為減少占地，電子開關(guān)采用上下疊放的多層架構(gòu)，如圖2所示。每個電子開關(guān)最下層設(shè)置散熱風(fēng)機，中間層和上層為晶閘管串聯(lián)回路、并聯(lián)RC 組件以及觸發(fā)控制電路等。外形結(jié)構(gòu)如圖2（a）所示，核心部件布局如圖2（b）所示。

圖2 晶閘管電子開關(guān)

2 功能原理

2.1 輸出電壓

由于上述電子開關(guān)可實現(xiàn)零電壓開通功能，可將其等效為2 個可控開關(guān)。因此，中性區(qū)的電壓與2 個電子開關(guān)的導(dǎo)通狀態(tài)相關(guān)，且其中一個供電臂電壓或無電壓。因此，定義2個供電臂電壓如公式（1）所示。

定義2 個晶閘管的開關(guān)狀態(tài)為Sa、Sb，如公式（2）所示。其中，Sa 為晶閘管SCR_V1 導(dǎo)通狀態(tài)，Sb 為晶閘管SCR_V2導(dǎo)通狀態(tài)。

由公式（1）和公式（2）可以得到中性區(qū)電壓，如公式（3）所示。

綜上所述，可根據(jù)電子開關(guān)導(dǎo)通狀態(tài)獲得中性區(qū)電壓，如圖3 所示。當(dāng)晶閘管Va導(dǎo)通后，中性區(qū)電壓與供電臂a 電壓相同。同理，當(dāng)晶閘管Vb導(dǎo)通后，中性區(qū)電壓與供電臂b 電壓相同。為保證2 個供電臂之間形成短路，需要嚴格控制2 個晶閘管的導(dǎo)通時序，在晶閘管Va由導(dǎo)通狀態(tài)變換至關(guān)斷狀態(tài)后，需要設(shè)置一定的時間，然后再發(fā)出Vb的觸發(fā)導(dǎo)通信號，這樣就可以有效避免2 個晶閘管同時導(dǎo)通造成的2 個供電臂短路現(xiàn)象。

圖3 中性區(qū)電壓示意圖

2.2 動作時序

傳感器用于檢測機車位置，是一種基于霍爾效應(yīng)和磁阻效應(yīng)的傳感器，主要由磁鐵和磁敏電阻構(gòu)成[8-9]。當(dāng)列車輪對經(jīng)過時，輪對切割磁鐵產(chǎn)生的磁力線，導(dǎo)致檢測到的磁場發(fā)生變化，則認為有列車駛過，向外輸出脈沖信號。該檢測方法具有精度高、響應(yīng)速度快、可靠性高、使用壽命長等優(yōu)點。

當(dāng)采用列車正向行駛時，通過傳感器CG1、CG3 和CG4 檢測列車位置，當(dāng)檢測到列車通過時輸出脈沖信號，由控制系統(tǒng)進行狀態(tài)識別，然后控制2 個電子開關(guān)，相關(guān)時序如圖4 所示。

圖4 傳感器輸出和晶閘管狀態(tài)

根據(jù)上述時序圖，可將列車過分相過程分為4 個階段，每個階段的狀態(tài)如下。

狀態(tài)1：無傳感器檢測到列車，則兩個電子開關(guān)均處于關(guān)斷狀態(tài)，中性區(qū)為無電狀態(tài)。

狀態(tài)2：當(dāng)傳感器CG1 檢測到列車時，則向控制系統(tǒng)輸出脈沖信號，控制系統(tǒng)向Va發(fā)出驅(qū)動信號，則Va導(dǎo)通，中性區(qū)由供電臂a 供電。列車駛?cè)胫行詤^(qū)時中性區(qū)與供電臂a 電壓相同。

狀態(tài)3：當(dāng)傳感器CG3 檢測到列車時，則向控制系統(tǒng)輸出脈沖信號，控制系統(tǒng)撤銷Va驅(qū)動信號，Va在電流過零時自動關(guān)斷，然后控制系統(tǒng)向Vb發(fā)出驅(qū)動信號，則Vb導(dǎo)通，中性區(qū)由供電臂b 供電。列車駛出中性區(qū)時中性區(qū)與供電臂b 電壓相同。

狀態(tài)4：當(dāng)傳感器CG4 檢測到列車時，則輸出脈沖信號，控制系統(tǒng)撤銷Vb驅(qū)動信號，當(dāng)Vb在電流過零時自動關(guān)斷，中性區(qū)恢復(fù)無電狀態(tài)。

此外，當(dāng)列車反向行駛時，通過傳感器CG4、CG2、CG1 檢測列車位置，其原理和時序與正向行駛時相似，該文不再贅述。

3 試驗驗證

結(jié)合我國某工程應(yīng)用需求，開發(fā)了基于晶閘管的地面自動過分相裝備，并完成了某重載鐵路的地面自動過分相的工程示范，分別開展了模擬試驗和帶載試驗。

3.1 模擬試驗

將地面自動過分相系統(tǒng)接入既有牽引供電系統(tǒng)，模擬列車檢測信號，由控制系統(tǒng)分別控制2 個電子開關(guān)導(dǎo)通與關(guān)斷。圖5為模擬試驗結(jié)果，其中通道1（CH1）為中性區(qū)電壓，通道2、3（CH2、CH3）分別為連接與供電臂a 和供電臂b 的晶閘管輸出電壓，設(shè)定Va關(guān)斷到Vb導(dǎo)通的間隔時間為125.6ms，當(dāng)未帶載時，中性區(qū)可根據(jù)指令由其中一個供電臂供電，且無暫態(tài)過電壓。

圖5 模擬試驗電壓波形

3.2 帶載試驗

在運營列車的配合下，該研究開展了帶載試驗，試驗結(jié)果如圖6 所示。其中，通道1（CH1）為晶閘管Va 導(dǎo)通后的電壓，通道2（CH2）為晶閘管Vb 導(dǎo)通后的電壓，通道3、4（CH3、CH4）分別為晶閘管Va、Vb 導(dǎo)通后的負載電流。

圖6 帶載試驗電壓和電流波形

試驗列車為多編組形式，在逐步進入中性區(qū)過程中負載電流存在階躍增加現(xiàn)象，由中部機車駛?cè)牒筘撦d突增導(dǎo)致。可以看出，列車在中性區(qū)仍可帶電行駛，且輸出足夠的牽引力，提高了通行能力。列車在駛?cè)?、駛出中性區(qū)過程中均無暫態(tài)過電壓，僅在2 個電子開關(guān)切換時存在一定程度的勵磁沖擊電流，主要原因是車載變壓器磁通變化。

傳統(tǒng)自動過分相列車在過分相前檢測到預(yù)警信號，然后逐漸降低牽引力，當(dāng)牽引力為0 時斷開主斷路器，然后通過中性區(qū)，列車斷電時間長 ，列車無牽引力時間更長。晶閘管的地面自動過分相系統(tǒng)列車斷電時間明顯減少 ， 無牽引力時間也相應(yīng)減少。

由帶載試驗可以得知，地面自動過分相可以較好地滿足重載線路應(yīng)用需求，其帶載能力強，由于晶閘管元件可耐受大電流，因此帶載電流可達1000A 以上，提高了重載列車的長大坡道通行能力。此外，試驗全過程無明顯的以過電壓為代表的暫態(tài)沖擊，暫態(tài)性能得到了明顯提升。

4 結(jié)語

該文介紹了一種地面自動過分相系統(tǒng)，采用晶閘管構(gòu)成電子開關(guān)，利用其良好的受控特性實現(xiàn)性能良好的列車自動過分相。分析了工作原理，詳細描述了工作時序。此外，結(jié)合示范工程，通過模擬試驗、帶載試驗驗證了地面自動過分相系統(tǒng)可以提高列車長大坡道通行能力、降低過分相過電壓等暫態(tài)沖擊，保障列車運行安全。