電氣化鐵路分區(qū)所地面自動過分相裝置

呂順凱

摘? 要：電氣化鐵路分區(qū)所的兩路引入電源在接觸網(wǎng)上設(shè)置了錨段關(guān)節(jié)式分相進行隔離，以避免雙邊變電所之間出現(xiàn)環(huán)流。為解決現(xiàn)有車載斷電過分相和地面切換過分相方式通過此處分相區(qū)時存在的各種問題，文章提出了一種基于大功率電力電子技術(shù)的分區(qū)所地面自動過分相裝置設(shè)計方案，介紹了系統(tǒng)構(gòu)成和控制方法，探討了保護邏輯，并通過現(xiàn)場高壓運行試驗，驗證了方案及控制策略的可行性、安全性和優(yōu)越性。分相雙邊電源切換時間可在0.1ms～10ms之間無級調(diào)節(jié)，保證電力機車及動車組等負(fù)載不降速、平滑無感知通過，并有效防止變電所之間潮流交換。同時，裝置系統(tǒng)構(gòu)成簡潔，保護功能完善，便于運營管理和維護檢修。

關(guān)鍵詞：分區(qū)所;自動過分相;環(huán)流;控制方法;切換時間;保護;晶閘管閥

中圖分類號：U223.6? ? ? ? 文獻標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）05-0007-04

引言

我國電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)采用27.5kV單相供電方式，牽引變電所將公共電網(wǎng)的三相電源轉(zhuǎn)換成27.5kV的單相交流電供給牽引供電網(wǎng)[1]。為抑制負(fù)序，平衡電力系統(tǒng)的A、B、C三相電流，牽引變電所接入電源相序采用輪流轉(zhuǎn)換方式[2]。分區(qū)所處于變電所供電線路末端，位于兩個相鄰變電所之間，引入的兩路電源分別由左右兩邊的變電所提供。通常情況下，每隔50～60km即設(shè)置一處分區(qū)所，按照相序循環(huán)輪換的原則，雙邊電源基本同相位或相差很小，但是為了避免變電所之間的環(huán)流，在物理結(jié)構(gòu)上，由錨段式關(guān)節(jié)構(gòu)成電分相區(qū)（中性區(qū)）隔開，不直接連通[3]。電力機車或動車組等通過分區(qū)所時，就存在如何通過電分相的問題。為了防止司機手動誤操作，帶電闖分相引起拉弧造成接觸網(wǎng)損毀事故，列車在通過該分相區(qū)時，可行的方案包括車載斷電自動過分相和地面轉(zhuǎn)換自動過分相。車載斷電自動過分相無需人工干預(yù)、投資小、技術(shù)成熟，適應(yīng)于低速、常速、高速列車的要求，應(yīng)用范圍廣泛，但存在列車降牽引、速度損失大、存在過電壓沖擊等缺點[4]。現(xiàn)有地面轉(zhuǎn)換自動過分相通過真空斷路器切換給輪流中性段供電，失電時間短，列車速度損失小;同時，車上主斷路器不動作，減小了開斷次數(shù)，延長機車主斷的使用壽命，但是存在過電壓沖擊，且需要修改機車程序，應(yīng)用受到一定的限制[5]。

基于現(xiàn)已成熟應(yīng)用的大功率晶閘管閥控制技術(shù)[6]，本

文提出了一種新型地面自動過分相裝置設(shè)計方案，介紹了裝置的系統(tǒng)構(gòu)成、控制方法及保護邏輯，并通過現(xiàn)場高壓運行試驗，驗證了應(yīng)用效果。該裝置安裝于分區(qū)所內(nèi)，能夠?qū)崿F(xiàn)電力機車和動車組不降速、平滑無感知地通過雙邊電源同相或者相位差較小的電分相區(qū)。同時，裝置可以有效保證切換死區(qū)時間（斷電時間），防止分區(qū)所雙邊電源之間出現(xiàn)潮流環(huán)流。

1 裝置構(gòu)成

過分相裝置主要由位置檢測單元、隔離開關(guān)、斷路器、避雷器、電流互感器以及大功率晶閘管閥等構(gòu)成，一次主電路見圖1。

主要設(shè)備清單見表1。

按照功能劃分，裝置包含位置檢測、控制、保護及執(zhí)行等四個單元，功能單元之間關(guān)聯(lián)關(guān)系見圖2。

1.1 位置檢測單元

PS1、PS2、PS3提供機車或動車組位置信號給控制單元。

1.2 控制單元

依據(jù)位置檢測單元（PS1、PS2、PS3）、電壓互感器（PT1、PT2）和電流互感器（CT1、CT2）提供的信號，控制單元輸出控制信號至晶閘管閥，控制K1、K2、K3、K4的導(dǎo)通與關(guān)斷，并接收4個閥組的狀態(tài)反饋。同時，控制單元接收保護單元的動作預(yù)告信號，封鎖晶閘管閥的觸發(fā)脈沖;還可以輸出控制命令信號至保護單元，分?jǐn)郠F1、QF2。

1.3 保護單元

檢測斷路器（QF1、QF2），隔離開關(guān)（QS1、QS2、QS3），電壓互感器（PT1、PT2），以及電流互感器（CT1、CT2）的信號，根據(jù)預(yù)設(shè)的定值和邏輯進行裝置保護。

1.4 執(zhí)行單元

執(zhí)行單元包括K1、K2、K3、K4四個晶閘管閥，單個閥均由晶閘管元件順序單向組串而成，構(gòu)成示意見圖3。

2 控制方法

位置檢測單元發(fā)送“檢測有車”信號至控制單元，經(jīng)過邏輯判別確定行車方向及運行位置。過分相過程中，裝置的控制策略如下：

（1）中性區(qū)原本為無電狀態(tài)，電力機車/動車組行駛至位置檢測單元PS1位置，控制單元通過位置檢測邏輯處理，判定為正向行車。控制單元清零晶閘管閥K1～K4的脈沖使能信號，再置位K1和K3的脈沖使能信號，與晶閘管觸發(fā)脈沖等信號進行“與”邏輯后，輸出觸發(fā)脈沖至K1和K3，晶閘管閥K1和K3導(dǎo)通，中性區(qū)的電壓和相位與左側(cè)電源U1完全相同。

（2）電力機車/動車組行駛至PS2位置，控制單元接收到位置檢測信號，進行雙邊電源切換，控制時序如下圖4所示（以雙邊電源存在比較大的相位差，同時電力機車或動車組等負(fù)載處于功率因數(shù)低導(dǎo)致的電壓/負(fù)載電流相位偏差較大的最復(fù)雜工況為例進行說明）：

a.網(wǎng)壓過零點t0時刻，清零K1的脈沖觸發(fā)使能信號，晶閘管閥K1在負(fù)載電流的過零點自然關(guān)斷。

b.網(wǎng)壓過零點t1時刻，清零K3的脈沖觸發(fā)使能信號，晶閘管閥K3在負(fù)載電流的過零點t2時刻自然關(guān)斷，電力機車/動車組27.5kV一次側(cè)電壓和電流均變?yōu)?。

c.控制單元檢測到電流互感器CT1的電流為0，經(jīng)過延時時間T（定值可調(diào)節(jié)，0.1ms≤T<10ms），t3時刻，置位晶閘管閥K4的脈沖使能信號，與晶閘管觸發(fā)脈沖等信號進行“與”邏輯后輸出觸發(fā)脈沖至K4，晶閘管閥K4立即開通。

d.網(wǎng)壓過零點t4時刻，置位晶閘管閥K2的脈沖使能信號，與晶閘管觸發(fā)脈沖等信號進行“與”邏輯后輸出觸發(fā)脈沖至K2，晶閘管閥K2立即導(dǎo)通;中性區(qū)的電壓和相位與右側(cè)電源U2完全相同。

圖4中：U1：分區(qū)所左側(cè)變電所供電電源。

U2：分區(qū)所右側(cè)變電所供電電源。

Un：通過過分相裝置供給的中性區(qū)電壓，同時也是電力機車/動車組等牽引供電負(fù)載的25kV側(cè)電壓。

I：通過過分相裝置供給的電力機車/動車組等牽引供電負(fù)載的25kV側(cè)電流。

（3）電力機車/動車組行駛至位置檢測單元PS3位置，控制單元清零晶閘管閥K2和K4的脈沖使能信號，晶閘管閥K2和K4關(guān)斷，中性區(qū)恢復(fù)無電狀態(tài)，等待下一趟機車/動車組到來。

3 保護策略

為保障牽引供電系統(tǒng)及過分相裝置的安全可靠運行，保護單元通過采集電流互感器、電壓互感器、晶閘管閥的狀態(tài)反饋信號，制定了綜合保護策略，設(shè)置了多重保護。主要包括：

3.1 電流保護

電流互感器CT1、CT2分別檢測流經(jīng)各自回路的電流ICT1和ICT2，如果出現(xiàn)：

單邊過流，CT1的測量值ICT1≥過流設(shè)定值Iset1。

單邊過流，CT2的測量值ICT2≥過流設(shè)定值Iset1。

雙邊環(huán)流，CT1的測量值ICT1=CT2的測量值ICT2≥環(huán)流設(shè)定值Iset2。

則控制單元輸出跳閘命令至保護單元，聯(lián)跳雙邊斷路器QF1和QF2。

3.2 電壓保護

電壓互感器PT1、PT2分別檢測雙邊電源母線電壓UPT1和UPT2，如果出現(xiàn)：

單邊過壓，PT1的測量值UPT1≥過壓設(shè)定值Uset，則控制單元發(fā)出報警信號，同時輸出跳閘命令至保護單元，跳斷路器QF1;若10s后若檢測PT1的測量值UPT1<設(shè)定值Uset，則執(zhí)行一次自動重合閘，輸出合閘命令至保護單元，合斷路器QF1。

單邊過壓，PT2的測量值UPT2≥過壓設(shè)定值Uset，則控制單元發(fā)出報警信號，同時輸出跳閘命令至保護單元，跳斷路器QF2。若10S后若檢測PT2的測量值UPT2<設(shè)定值Uset，則執(zhí)行一次自動重合閘，輸出合閘命令至保護單元，合斷路器QF2。

3.3 閥組保護

控制單元檢測執(zhí)行單元K1～K4的元件狀態(tài)反饋， 如果出現(xiàn)：

元件個數(shù)輕故障，故障元件個數(shù)N≥元件個數(shù)輕故障設(shè)定值Nset1，控制單元發(fā)出報警信號。

元件個數(shù)重故障，故障元件個數(shù)N≥元件個數(shù)重故障設(shè)定值Nset2，控制單元發(fā)出跳閘命令至保護單元，聯(lián)跳雙邊斷路器QF1和QF2。

4 試驗驗證

為了驗證本文所提出的裝置及控制方法的安全性、可行性，于2018年9月在某鐵路分區(qū)所進行了高壓運行測試。試驗波形如圖6、圖7所示。

圖6可見，分區(qū)所雙邊電源的依次流經(jīng)CT1和CT2供給機車，過分相裝置切換時間控制為1.6ms，雙邊牽引供電系統(tǒng)無環(huán)流。圖7可見，換相前后，機車原邊電流、四象限電流及直流電壓波形平穩(wěn)，各項運行指標(biāo)正常，實現(xiàn)了機車帶電無感知過分相。

5 結(jié)束語

本文所提出的分區(qū)所地面自動過分相裝置，由位置檢測單元、控制單元、保護單元、執(zhí)行單元構(gòu)成，系統(tǒng)構(gòu)成簡潔，功能和結(jié)構(gòu)分區(qū)清晰，控制方法安全可靠，檢修維護方便。裝置能夠?qū)崿F(xiàn)電力機車或者動車組等負(fù)載不降速、平滑無感知地通過分區(qū)所分相區(qū);而且，通過位置檢測信號、晶閘管閥導(dǎo)通使能信號、晶閘管觸發(fā)脈沖之間的連鎖，還可以有效保證斷電切換時間無級可調(diào)，防止分區(qū)所雙邊電源之間出現(xiàn)潮流環(huán)流?，F(xiàn)場高壓運行試驗證明，系統(tǒng)設(shè)計及控制方法安全可靠，能夠顯著縮短機車分相區(qū)通過時間，增加區(qū)間通過能力，提升鐵路運能，值得進一步推廣應(yīng)用。

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