劉卓輝

(中國鐵路設(shè)計集團(tuán)有限公司, 天津 300251)

三相電流平衡控制裝置在鐵路動車所中的應(yīng)用

劉卓輝

(中國鐵路設(shè)計集團(tuán)有限公司, 天津 300251)

為提升動車組檢修效率,提出一種基于三相電流動態(tài)平衡控制的動車所地面電源裝置,用于向動車組提供地面檢修供電,以替代傳統(tǒng)的交-直-交電源。通過分析交-直-交電源在使用中存在的缺陷,以及造成這些缺陷的原因,提出使用三相負(fù)載電流的動態(tài)平衡調(diào)節(jié)技術(shù)使其達(dá)到平衡狀態(tài),避免單相負(fù)載對動力變壓器及上級配電系統(tǒng)的影響,使負(fù)序電流不能進(jìn)入高壓電網(wǎng),使動力變壓器三相負(fù)載電流的動態(tài)平衡,并討論以三相電流動態(tài)平衡裝置為核心的動車運用所地面電源系統(tǒng)的設(shè)計。在動車運用所使用該技術(shù)可以簡化低壓配電設(shè)計,降低建設(shè)投資,統(tǒng)一不同用電制式動車組的供電設(shè)計。通過對樣機(jī)的測試,證實該技術(shù)能消除單相用電制式動車組所產(chǎn)生的負(fù)序電流。

動車組；動車運用所；地面電源；三相電流動態(tài)平衡

1 概述

經(jīng)過十多年的建設(shè)發(fā)展，高鐵出行成為國民出行優(yōu)選的交通方式。2016年年底我國高速鐵路運營里程達(dá)2.2萬km，高鐵線路規(guī)劃到2020年建成投產(chǎn)3萬km，到2025年達(dá)到3.8萬km[1]。

鐵路動車組運用維護(hù)規(guī)程規(guī)定了動車組在運行一定的公里數(shù)或小時數(shù)后必須進(jìn)行計劃性預(yù)防檢修[2]。動車組的一、二級檢修通常在路局所轄動車運用所內(nèi)完成，所內(nèi)動車組地面電源用于動車組落弓檢修過程中向動車組提供外部檢修電源。《動車組運用檢修設(shè)施建設(shè)及設(shè)備配置標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定了動車運用所檢查庫每條檢查線須設(shè)置地面電源。每條檢查線地面電源兼容車型，依據(jù)檢修動車組車型及配屬各型動車組數(shù)量確定。

2 動車組列車對地面供電的要求

我國目前主要運營的動車組包括CRH1、CRH2、CRH3、CRH5等型號。其中CRH2型動車組地面電源采用單相400V、50 Hz，其他型號動車組的地面供電電源為三相400V、50 Hz。有些在動車運用所要求每條股道都具有向上述任意一種型號動車組供電的能力，即每條股道可向動車組列車提供單相或三相電源[3]，如表1所示。

表1 各型動車組對地面電源的要求

工程設(shè)計方案一般是在動車運用所內(nèi)設(shè)置地面電源專用變壓器向動車組供電。當(dāng)向CRH2型動車組供電時，考慮到單相電流對動力變壓器及高壓電網(wǎng)的不利影響，不采用直接取用單相交流電的方式運行，而是設(shè)置交-直-交[4]整流逆變裝置將三相電變換為單相后再提供給動車組使用，其目的是保證動力變壓器三相輸出電流的平衡。

3 現(xiàn)有動車所地面電源的配置及存在的問題

一套完整的動車運用所地面電源系統(tǒng)一般由10 kV高壓開關(guān)柜、10/0.4 kV動力變壓器、整流逆變電源(動車所地面電源)裝置、400 V低壓開關(guān)柜和現(xiàn)場工業(yè)連接器等組成。

沿動車運用所內(nèi)軌道橋(股道)兩側(cè)，在軌道橋下設(shè)置有若干地面電源插座箱(工業(yè)連接器級)，用于收納與動車組連接的電連接器及其尾部電纜，地面電源插座箱與動車所地面電源變配電設(shè)備之間通過母線槽或動力電纜聯(lián)通。

動車組檢修用電具有隨機(jī)性和間歇性的特點，在最大負(fù)荷時其用電量占動車運用所總配電容量的40%左右，因此動車組地面電源一般設(shè)置專用變壓器供電，不與庫內(nèi)其他用電設(shè)備共用變壓器[5]。

現(xiàn)有動車組地面電源系統(tǒng)的設(shè)計主要有鋪設(shè)單相/三相雙路母線和鋪設(shè)一路母線通過雙路開關(guān)切換單相/三相兩種[6-9]。圖1及圖2是兩種典型的動車運用所地面電源系統(tǒng)供配電方式。

圖1 單相/三相切換的動車運用所地面電源系統(tǒng)

圖2 設(shè)置專用單相和三相電纜的動車運用所地面電源系統(tǒng)

圖1所示的動車運用所地面電源系統(tǒng)中，在單相交-直-交電源的輸入和輸出側(cè)并聯(lián)了切換開關(guān)。當(dāng)軌道橋上待檢修動車組為CRH1、CRH3、CRH5型時，旁路開關(guān)閉合，交-直-交整流逆變電源停機(jī)，向地面電源插座箱提供三相電源；軌道橋上待檢修動車組為CRH2型時，交-直-交整流逆變電源啟動運行，旁路開關(guān)斷開，向地面電源插座箱提供單相電源。這樣就可以在同一條股道上分時檢修單相和三相兩種供電制式的動車組。沈陽北、長春西動車運用所采取這種供電模式。這種供電系統(tǒng)必須設(shè)置可靠的閉鎖裝置，使得倒閘操作與待通電車型匹配，絕對避免交-直-交整流逆變電源的輸出與電網(wǎng)并聯(lián)運行。隨著高速鐵路運輸量的增加，對動車運用所提出了不同車型可以同股道同時檢修的要求，顯然采用切換方式的供電模式不能滿足這種檢修要求。

圖2所示的動車運用所地面電源系統(tǒng)設(shè)置單相和三相兩套獨立的供電線路，可以同時對動車組列車提供單相和三相供電，最大程度保證了動車組檢修供電要求，滿足不同車型同股道同時檢修的要求，但由于地面設(shè)備需要雙套，也使得系統(tǒng)造價高昂。

儲罐所儲物料發(fā)生變化前，一定對待儲物料進(jìn)行組份分析，評估新的物料可能對浮盤造成的影響或危害，防止可能出現(xiàn)的風(fēng)險，擬定運行方案，定期進(jìn)行浮盤運行情況檢查。同時對儲罐儲存物料的溫度、液位進(jìn)行合理控制，防止因溫度變化導(dǎo)致油品黏度變化對浮盤運行形成影響。

在上述兩種供電系統(tǒng)中，都使用了三相變單相的交-直-交整流逆變靜變電源，其單臺功率通常不小于300 kVA。靜變電源的使用避免了向CRH2型車通電時動力變壓器輸出電流不平衡問題。在動車運用所內(nèi)，靜變電源大多數(shù)時間處于空載運行狀態(tài)或小電流輸出狀態(tài)，綜合能源損耗大。需要配置功率較大的溫控裝置，進(jìn)一步加劇了能源消耗。

綜上所述，現(xiàn)有動車運用所地面電源系統(tǒng)存在的問題為：

(1)常用的兩種配電模式不能同時兼顧檢修效率和設(shè)備造價；

(2)設(shè)備本身及附加溫控的損耗大。

4 基于三相電流動態(tài)平衡控制的新型動車組地面電源

現(xiàn)有及未來動車組(CR400型)的供電制式為單相400V或三相400V，只要能解決單相制式動車組用電時動力變壓器輸出電流不平衡的問題，就可以使用同一根供電電纜向不同型號的動車組供電，滿足不同型號動車組列車同股道同時通電的檢修要求。

三相電流動態(tài)平衡控制裝置通過對動力變壓器輸出電流的實時控制，實現(xiàn)在任意負(fù)載下及其負(fù)載變化過程中，動力變壓器三相輸出電流均處于平衡狀態(tài)，剩余容量還可以用來控制動力變壓器輸出側(cè)功率因數(shù)，并對低次諧波電流有抑制作用[10]-11]，非常適合用于解決動車組列車地面檢修供電的問題。

圖3 電路原理圖

三相電流動態(tài)平衡裝置的基本原理是三相自換相橋式電路經(jīng)過電源開關(guān)連接到10/0.4 kV動力變壓器低壓側(cè)[12]，沿電流流動方向來看，接入點在負(fù)載之前。通過檢測動力變壓器輸出的三相電流和電壓，控制器計算三相電流正序有功電流分量，與動力變壓器三相輸出電流進(jìn)行減法運算，根據(jù)計算結(jié)果調(diào)節(jié)三相自換相橋式電路的輸出電流，與負(fù)載電流疊加后，使動力變壓器三相輸出電流達(dá)到并維持在平衡狀態(tài)[13]。圖3所示為基于三相電流動態(tài)平衡裝置的新型動車組地面電源電路原理圖，其中所示電流方向為單相負(fù)載連接于B、C相時的狀態(tài)。此時，如三相電流動態(tài)平衡裝置不工作，則只有B、C相有電流；三相電流動態(tài)平衡裝置開始工作時，可以理解為從A相取得一部分電流，經(jīng)過整流逆變后補充到B、C兩相，從而使得動力變壓器A相輸出電流增加，B、C兩相輸出電流減小，最終三相電流達(dá)到平衡狀態(tài)。

其中,φ1為基波電流相位；I為基波正序分量，其值為

5 新型動車運用所地面電源系統(tǒng)

使用三相電流動態(tài)平衡控制裝置構(gòu)建動車運用所地面電源系統(tǒng)，可以實現(xiàn)不同型號動車組列車同股道同時維修的要求，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 動車組地面電源系統(tǒng)

相比傳統(tǒng)的動車運用所地面電源系統(tǒng)，使用三相電流動態(tài)平衡控制裝置后，使用一根輸出電纜即可實現(xiàn)向單相和三相用電制式的動車組同時供電，且不會造成動力變壓器三相輸出電流的不平衡。

三相電流動態(tài)平衡控制裝置在調(diào)節(jié)不平衡電流后的剩余容量可以用來補償負(fù)載無功，相應(yīng)地動車所地面電源系統(tǒng)中可以減小電容柜容量或者直接取消電容柜，還可以用來濾除低次諧波電流(11次以下)[16]。

由于三相電流動態(tài)平衡控制裝置不存在變壓器和專門的整流電路，相比交-直-交整流逆變電源具有更高的效率、更低的發(fā)熱量，同時也使得溫控裝置容量得以減小。

6 測試情況

對使用三相電流動態(tài)平衡控制裝置的動車所地面電源進(jìn)行帶載測試，圖5、圖6分別是單相線性負(fù)載、單相非線性負(fù)載連接在B、C相時的C電流波形。其中CH1為負(fù)載電流、CH2為三相電流動態(tài)平衡控制裝置輸出電流、CH3為動力變壓器輸出電流。

圖5波形表明三相電流動態(tài)平衡控制裝置的輸出電流與負(fù)載電流反向，兩者疊加后動力變壓器C相電流小于負(fù)載C相電流，表明不平衡電流得到抑制。動力變壓器輸出電流相位超前負(fù)載電流相位，表明三相電流動態(tài)平衡控制裝置能夠調(diào)節(jié)動力變壓器輸出側(cè)功率因數(shù)。

圖5 對不平衡電流的調(diào)節(jié)效果

圖6波形表明，三相電流動態(tài)平衡控制裝置輸出電流抵消了單相非線性負(fù)載的諧波電流，動力變壓器輸出電流較為平滑。三相電流動態(tài)平衡控制裝置C相輸出電流與負(fù)載C相電流的疊加使動力變壓器C相輸出電流小于負(fù)載C相電流，不平衡電流得到抑制。

圖6 對諧波電流的抑制效果

測試結(jié)果表明，三相電流動態(tài)平衡控制裝置可以有效控制不平衡電流，在純單相負(fù)載條件下，動力變壓器輸出電流不平衡度可控制在2%以內(nèi)(三相電流的最大值與最小值之差與三相平均電流的比值)。在控制負(fù)載電流不平衡的同時可以調(diào)節(jié)負(fù)載功率因數(shù)，抑制負(fù)載電流諧波。

7 結(jié)語

通過對現(xiàn)有動車運用所地面電源系統(tǒng)及動車組列車地面檢修用電的要求進(jìn)行分析，指出了以交-直-交整流逆變電源核心的地面電源系統(tǒng)存在性能與成本難以兼顧的缺點。本文提出使用三相電流動態(tài)平衡控制裝置替代交-直-交整流逆變電源作為動車組地面電源核心設(shè)備的設(shè)計方案，能夠解決實際使用需求與設(shè)備成本之間的矛盾，并具有諧波電流治理和負(fù)載功率因數(shù)調(diào)節(jié)的額外優(yōu)點。本文還介紹了三相電流動態(tài)平衡控制裝置的基本電路和控制方式。

試驗數(shù)據(jù)和波形表明，基于三相電流動態(tài)平衡控制的動車所地面電源裝置，可以在負(fù)載電流不平衡時保證動力變壓器輸出電流處于平衡狀態(tài)，同時具有消除負(fù)載電流諧波和調(diào)節(jié)負(fù)載功率因數(shù)的效果。

本文所提出的設(shè)計方案能充分滿足動車組列車地面檢修要求，統(tǒng)一了不同用電制式動車組的地面供電電源系統(tǒng)設(shè)計，并具有建設(shè)成本低的優(yōu)點。

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Application of Three-phase Current Balance Control Device in Railway EMU Depot

LIU Zhuo-hui

(China Railway Design Corporation, Tianjin 300251, China)

In order to improve the overhaul efficiency of the bullet train, a new ground power supply unit based on three-phase current dynamic balance control is proposed to provide power supply for ground maintenance of high speed emus, instead of the conventional AC DC AC power supply. Through the analysis of the shortcomings of the existing traditional AC-DC-AC EMU ground power, and the causes of these defects, the dynamic balance using the three-phase load current regulation technology is put forward to reach the equilibrium state, avoid the single-phase load impact on power transformer and power distribution upper system. As a result, the negative sequence current can not enter the high voltage network, and the three-phase load current of the power transformer is balanced dynamically. The use of this technology can simplify the design of low voltage power distribution, reduce the construction investment, and unify the design of power supply for different power systems. The design scheme of the power system based on three-phase dynamic balancing device is discussed. The test of the prototype proves that the technology can completely eliminate the negative sequence current generated by the single-phase EMU.

EMU; EMU service depot; Ground power; Dynamic balance of three-phase current

1004-2954(2018)01-0119-04

2017-05-11；

2017-06-25

中國鐵路設(shè)計集團(tuán)有限公司科技開發(fā)課題(721732)

劉卓輝(1979—)，男，高級工程師，2005年畢業(yè)于天津大學(xué)電力系統(tǒng)及其自動化專業(yè)，工學(xué)碩士，E-mail:liuzhuohui518@126.com。

U223.5

A

10.13238/j.issn.1004-2954.201705110003