地面自動(dòng)過分相系統(tǒng)應(yīng)用于重載列車的研究

馬浩宇，鄭瓊林，冉 旺

（北京交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，北京100044）

電氣化鐵路在我國(guó)鐵路中所占的比例逐步增大。目前常用的自動(dòng)過分相方式中，車載自動(dòng)過分相和柱上開關(guān)自動(dòng)過分相不適合陡坡、重載鐵路的要求，在重載、長(zhǎng)大坡道的情況下容易發(fā)生停車事故。而現(xiàn)有的地面自動(dòng)開關(guān)過分相系統(tǒng)中開關(guān)器件普遍為真空負(fù)荷開關(guān)，由于機(jī)車斷電后存在殘壓，合閘時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的過電壓和過電流。特別是重載列車，由于電流較大，如果過分相時(shí)發(fā)生沖擊，會(huì)造成比普通列車更大的危害。所以本文提出一種用晶閘管代替真空負(fù)荷開關(guān)的地面自動(dòng)過分相方案，目的在于降低開關(guān)切換時(shí)的過電壓和過電流。

1 交流電力機(jī)車建模

現(xiàn)有的文獻(xiàn)中，大多將地面自動(dòng)過分相系統(tǒng)中的機(jī)車等效成一個(gè)阻感負(fù)載，這樣做簡(jiǎn)化了仿真模型，但可能會(huì)和真實(shí)情況有所差別。本文將單獨(dú)搭建交流電力機(jī)車的模型，以求真實(shí)反映在機(jī)車過分相過程中的各個(gè)暫態(tài)過程，并討論在列車通過分相區(qū)的過程中，機(jī)車四象限整流器的各種暫態(tài)過程。以HXD3型交流電力機(jī)車為參考，搭建并仿真交流電力機(jī)車的模型。

圖1為HXD3型交流電力機(jī)車交-直-交系統(tǒng)主電路的原理圖。在地面過分相系統(tǒng)的仿真與分析中，電力機(jī)車對(duì)外表現(xiàn)的特性主要是主變壓器和四象限整流器的特性。為減小系統(tǒng)的復(fù)雜性，可以將牽引電傳動(dòng)系統(tǒng)和輔助電氣系統(tǒng)的模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，用可控電流源代替中間直流環(huán)節(jié)以后的部分。

根據(jù)文獻(xiàn)［2］中提供的資料，HXD3型交流電力機(jī)車主變壓器、四象限整流器的參數(shù)如表1、表2所示。

四象限整流器簡(jiǎn)化后的原理圖如圖2所示，對(duì)于電網(wǎng)的基波電壓和基波電流，有：

根據(jù)文獻(xiàn)［3］可知，四象限整流器交流側(cè)電感為

圖1 HXD3型交流電力機(jī)車交－直－交系統(tǒng)主電路原理圖

表1 HXD3型交流電力機(jī)車主變壓器參數(shù)

表2 HXD3型交流電力機(jī)車交－直－交系統(tǒng)四象限整流器主要參數(shù)

圖2 四象限整流器簡(jiǎn)化后的原理圖

直流側(cè)支撐電容為

根據(jù)以上公式及參數(shù)，可計(jì)算得到牽引電傳動(dòng)系統(tǒng)四象限整流器交流側(cè)電感為1.5mH，直流側(cè)支撐電容為9mF，直流側(cè)等效電流源為500A；輔助電氣系統(tǒng)四象限整流器交流側(cè)電感為0.7mH，直流側(cè)支撐電容為26mF，直流側(cè)等效電流源為404A。

四象限整流器采用瞬態(tài)電流控制，控制模塊模型如圖3所示。

圖3 四象限整流器瞬態(tài)電流控制系統(tǒng)模型圖

圖4 HXD3型交流電力機(jī)車牽引系統(tǒng)仿真波形圖

圖5 HXD3型交流電力機(jī)車交－直－交系統(tǒng)仿真波形圖

圖4為牽引電傳動(dòng)系統(tǒng)仿真波形圖，從上往下依次是四象限整流器交流側(cè)電壓、交流側(cè)電流和直流側(cè)電壓。圖中可以看出，由于有預(yù)充電電阻，啟動(dòng)時(shí)交流側(cè)電流沒有太大波動(dòng)，直流側(cè)電壓平穩(wěn)上升，且迅速穩(wěn)定在2 800V。輔助電氣系統(tǒng)與牽引電傳動(dòng)系統(tǒng)類似，在此不作贅述。圖5為HXD3型電力機(jī)車整體仿真波形圖，從上往下依次是機(jī)車主變壓器一次側(cè)電壓、電流，從圖中可以看出，機(jī)車啟動(dòng)后，電流波形穩(wěn)定。圖6為機(jī)車起動(dòng)以及額定工況運(yùn)行時(shí)的功率因數(shù)，可以看出除起動(dòng)過程外，機(jī)車功率因數(shù)接近1。所以搭建的電力機(jī)車模型基本符合真實(shí)情況。

圖6 HXD3型電力機(jī)車起動(dòng)與額定工況運(yùn)行時(shí)的功率因數(shù)波形圖

2 過分相系統(tǒng)分相區(qū)的接觸網(wǎng)建模

圖7和圖8分別為地面過分相系統(tǒng)的原理圖和仿真模型。模型包含中性段與接觸網(wǎng)等效電路、晶閘管模型、過分相控制系統(tǒng)以及HXD3型電力機(jī)車模型。其中，左邊和右邊的電壓源Ua、Ub以及Rs、Ls為接觸網(wǎng)變電所的等效模型，Ua、Ub互差一定的電角度，Rs、Ls為變壓器的等效阻抗；Za和Zb分別為兩段接觸網(wǎng)簡(jiǎn)化后的等效阻抗，接觸網(wǎng)長(zhǎng)25km；C1、C2分別為兩段接觸網(wǎng)與分相區(qū)中性段之間的電容；Zn1、Zn2分別為中性段等效阻抗的一半，中性段長(zhǎng)200m；C為中性段接觸網(wǎng)對(duì)大地的等效電容；Ka和Kb分別為代替真空負(fù)荷開關(guān)的兩個(gè)晶閘管開關(guān)模型；CG1、CG2、CG3、CG4為機(jī)車位置傳感器；模型上部的矩形框?yàn)檫^分相系統(tǒng)的控制模塊；下部為HXD3型交流電力機(jī)車模型。

圖7 地面過分相簡(jiǎn)化后的原理圖

過分相模型基本原理如下：在0.3s之前，機(jī)車模型通過接觸器與a相接觸網(wǎng)相連，a相接觸網(wǎng)給機(jī)車供電，此時(shí)晶閘管開關(guān)Ka閉合，中性段由a相接觸網(wǎng)供電；在0.3s時(shí)，第1個(gè)接觸器斷開，第2個(gè)接觸器閉合，模擬機(jī)車運(yùn)行至中性段，此時(shí)是a相通過中性段向機(jī)車供電；在0.3s之后的某個(gè)時(shí)間，過分相控制系統(tǒng)斷開晶閘管開關(guān)Ka、閉合晶閘管開關(guān)Kb，完成兩相電網(wǎng)的切換，此時(shí)b相通過中性段向機(jī)車供電；在2s時(shí)，第2個(gè)接觸器斷開，第3個(gè)接觸器閉合，模擬機(jī)車駛離中性段。

參照文獻(xiàn)［4］的計(jì)算方法，中性線、接觸網(wǎng)以及牽引變壓器各項(xiàng)參數(shù)計(jì)算如下：

表3 各項(xiàng)參數(shù)計(jì)算

圖8 地面過分相仿真模型圖

3 機(jī)車通過分相區(qū)暫態(tài)瞬間仿真

3.1 開關(guān)分?jǐn)噙^程仿真

對(duì)于使用真空負(fù)荷開關(guān)作為開關(guān)器件的地面過分相系統(tǒng)，突然關(guān)斷真空負(fù)荷開關(guān)，將會(huì)發(fā)生類似于切除空載變壓器的暫態(tài)過程。電流的切斷過程中，di／dt很大，很容易產(chǎn)生截流過電壓。

要想減少截流過電壓，就要盡量在電流過零點(diǎn)分?jǐn)嚯娏鳎镁чl管代替真空負(fù)荷開關(guān)是最理想的方法。晶閘管的一個(gè)特性就是電流減小到維持電流以下時(shí)，晶閘管關(guān)斷，并且關(guān)斷時(shí)不會(huì)產(chǎn)生任何截流過電壓。以此來看，晶閘管是地面過分相系統(tǒng)理想的開關(guān)器件，不用對(duì)晶閘管做另外的控制，只用在需要關(guān)斷的時(shí)刻停止晶閘管的觸發(fā)脈沖，到下一個(gè)電流過零的時(shí)刻，晶閘管會(huì)自行關(guān)斷，不會(huì)產(chǎn)生真空負(fù)荷開關(guān)關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的過電壓。

圖9為普通開關(guān)作為分?jǐn)嗥骷年P(guān)斷暫態(tài)過程，圖中從上往下依次為電壓和電流，從圖中可以看到，普通開關(guān)關(guān)斷時(shí)，由于電壓電流不為零，電壓出現(xiàn)很大的波動(dòng)。

圖10為用過零開關(guān)作為分?jǐn)嗥骷年P(guān)斷暫態(tài)過程，用以模擬真空負(fù)荷開關(guān)。從圖中可以看出當(dāng)開關(guān)關(guān)斷后，會(huì)有很長(zhǎng)的振蕩過程，如果在振蕩未結(jié)束的時(shí)候合閘，將會(huì)產(chǎn)生很大的過電壓和過電流。

圖11為用晶閘管作為分?jǐn)嗥骷年P(guān)斷暫態(tài)過程，從圖中可以看出，在電流小于維持電流后，晶閘管自然關(guān)斷，不會(huì)產(chǎn)生截流過電壓。對(duì)比3個(gè)圖可以得出結(jié)論，在關(guān)斷瞬間的暫態(tài)過程，用晶閘管作為開關(guān)器件要優(yōu)于其他兩種。

3.2 開關(guān)導(dǎo)通過程仿真

在晶閘管開關(guān)Ka關(guān)斷后，a相停止對(duì)中性段供電，機(jī)車此時(shí)處于斷電狀態(tài)。在無電狀態(tài)下，輔助電氣系統(tǒng)的異步電動(dòng)機(jī)與變壓器二次側(cè)繞組仍然構(gòu)成回路，有的異步電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電機(jī)狀態(tài)，會(huì)在主變壓器一次側(cè)耦合出一個(gè)電壓，使中性段產(chǎn)生殘壓。如果此時(shí)晶閘管開關(guān)Kb導(dǎo)通，中性段殘壓會(huì)和后一相接觸網(wǎng)的電壓疊加并產(chǎn)生振蕩。響應(yīng)為50Hz的穩(wěn)態(tài)量和大于50Hz的暫態(tài)量的疊加，當(dāng)穩(wěn)態(tài)量和暫態(tài)量同相時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生合閘過電壓。

從合閘過電壓的產(chǎn)生機(jī)理看，減少合閘過電壓的關(guān)鍵就是減小晶閘管開關(guān)Kb導(dǎo)通瞬間中性段和b相電壓的瞬態(tài)壓差。在本文中，采用的方法是實(shí)時(shí)檢測(cè)中性段和b相的電壓值，當(dāng)過分相系統(tǒng)發(fā)出導(dǎo)通指令后，并不立即觸發(fā)晶閘管開關(guān)Kb，而是等到中性段的電壓和b相的電壓之差小于一個(gè)給定的閾值后，再觸發(fā)晶閘管開關(guān)Kb導(dǎo)通，以此減小中性段和b相的瞬態(tài)壓差。

牽引變電所的牽引變壓器有不同的結(jié)線形式，對(duì)應(yīng)分相區(qū)兩邊接觸網(wǎng)不同的相位差。比如三相YN，d11結(jié)線的牽引變電所，分相區(qū)兩邊接觸網(wǎng)的相位差為60°，而斯科特結(jié)線的牽引變電所，分相區(qū)兩邊接觸網(wǎng)的相位差為90°。

（1）b相電壓滯后a相60°

如果Ka關(guān)斷后，在中性段電壓與b相電壓差值滿足條件的時(shí)刻立即導(dǎo)通Kb，實(shí)際應(yīng)用中有可能會(huì)出現(xiàn)Ka沒有關(guān)斷而Kb導(dǎo)通的情況，引發(fā)相間短路，所以電壓差滿足條件后，延遲導(dǎo)通Kb。圖12為滯后60°時(shí)換相過程的波形圖。在中性段電壓與b相電壓的差值小于500V后，延時(shí)觸發(fā)晶閘管開關(guān)Kb。圖中第1行為中性段電壓波形和b相電壓波形，第2、3行分別為機(jī)車的電壓和電流波形（下同）。從圖中可以看出，中性段電壓由a相切換到b相，平滑過渡，沒有出現(xiàn)過電壓，切換后的下一個(gè)周波，電流有微小的過沖，斷電時(shí)間為43.3ms。

（2）b相超前a相60°

圖13為超前60°時(shí)延遲一個(gè)周波觸發(fā)的仿真波形圖。從圖中可以看到，此時(shí)斷電時(shí)間為36.7ms，且沒有出現(xiàn)較大的過電流。

（3）b相滯后、超前a相90°

此種情況與前兩種情況相同，在此不作贅述，只給出仿真波形圖。

4 結(jié)束語

綜上所述，在過分相系統(tǒng)換相的暫態(tài)過程中，晶閘管開關(guān)的關(guān)斷不需要特別的控制，在停止晶閘管開關(guān)的觸發(fā)脈沖后的下一個(gè)電流過零點(diǎn)，晶閘管會(huì)自行關(guān)斷，且不會(huì)出現(xiàn)過電壓。晶閘管導(dǎo)通的條件是中性段電壓與b相電壓之差滿足閾值，且經(jīng)過一個(gè)周波左右的延時(shí)。根據(jù)仿真結(jié)果可知，利用晶閘管代替真空負(fù)荷開關(guān)后，在地面自動(dòng)過分相系統(tǒng)換相瞬間，不會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的過電壓與過電流，達(dá)到了消除過電壓與過電流的目的，克服了地面自動(dòng)過分相的缺點(diǎn)，避免經(jīng)常更換分?jǐn)嗥骷岣吡讼到y(tǒng)的穩(wěn)定性。

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