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(jìn)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(guò)分相和地面切換過(guò)分相方式通過(guò)此處分相區(qū)時(shí)存在的各種問(wèn)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(dòng)過(guò)分相裝置設(shè)計(jì)方案,介紹了系統(tǒng)構(gòu)成和控制方法,探討了保護(hù)邏輯,并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)高壓運(yùn)行試驗(yàn),驗(yàn)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(shí)間可在0.1ms~10ms之間無(wú)級(jí)調(diào)節(jié),保證電力機(jī)車及動(dòng)車組等負(fù)載不降速、平滑無(wú)感知通過(guò),并有效防止變電所之間潮流交換。同時(shí),裝置系統(tǒng)構(gòu)成簡(jiǎn)潔,保護(hù)功能完善,便于運(yùn)營(yíng)管理和維護(hù)檢修。
關(guān)鍵詞:分區(qū)所;自動(dòng)過(guò)分相;環(huán)流;控制方法;切換時(shí)間;保護(hù);晶閘管閥
中圖分類號(hào):U223.6? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A? ? ? ? ?文章編號(hào):2095-2945(2019)05-0007-04
引言
我國(guó)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(gè)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(jī)車或動(dòng)車組等通過(guò)分區(qū)所時(shí),就存在如何通過(guò)電分相的問(wèn)題。為了防止司機(jī)手動(dòng)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(guò)該分相區(qū)時(shí),可行的方案包括車載斷電自動(dòng)過(guò)分相和地面轉(zhuǎn)換自動(dòng)過(guò)分相。車載斷電自動(dòng)過(guò)分相無(wú)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(guò)電壓沖擊等缺點(diǎn)[4]。現(xiàn)有地面轉(zhuǎn)換自動(dòng)過(guò)分相通過(guò)真空斷路器切換給輪流中性段供電,失電時(shí)間短,列車速度損失小;同時(shí),車上主斷路器不動(dòng)作,減小了開斷次數(shù),延長(zhǎng)機(jī)車主斷的使用壽命,但是存在過(guò)電壓沖擊,且需要修改機(jī)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(dòng)過(guò)分相裝置設(shè)計(jì)方案,介紹了裝置的系統(tǒng)構(gòu)成、控制方法及保護(hù)邏輯,并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)高壓運(yùn)行試驗(yàn),驗(yàn)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(jī)車和動(dòng)車組不降速、平滑無(wú)感知地通過(guò)雙邊電源同相或者相位差較小的電分相區(qū)。同時(shí),裝置可以有效保證切換死區(qū)時(shí)間(斷電時(shí)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(guò)分相裝置主要由位置檢測(cè)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(cè)、控制、保護(hù)及執(zhí)行等四個(gè)單元,功能單元之間關(guān)聯(lián)關(guān)系見圖2。
1.1 位置檢測(cè)單元
PS1、PS2、PS3提供機(jī)車或動(dòng)車組位置信號(hào)給控制單元。
1.2 控制單元
依據(jù)位置檢測(cè)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(hào),控制單元輸出控制信號(hào)至晶閘管閥,控制K1、K2、K3、K4的導(dǎo)通與關(guān)斷,并接收4個(gè)閥組的狀態(tài)反饋。同時(shí),控制單元接收保護(hù)單元的動(dòng)作預(yù)告信號(hào),封鎖晶閘管閥的觸發(fā)脈沖;還可以輸出控制命令信號(hào)至保護(hù)單元,分?jǐn)郠F1、QF2。
1.3 保護(hù)單元
檢測(cè)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(hào),根據(jù)預(yù)設(shè)的定值和邏輯進(jìn)行裝置保護(hù)。
1.4 執(zhí)行單元
執(zhí)行單元包括K1、K2、K3、K4四個(gè)晶閘管閥,單個(gè)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(cè)單元發(fā)送“檢測(cè)有車”信號(hào)至控制單元,經(jīng)過(guò)邏輯判別確定行車方向及運(yùn)行位置。過(guò)分相過(guò)程中,裝置的控制策略如下:
(1)中性區(qū)原本為無(wú)電狀態(tài),電力機(jī)車/動(dòng)車組行駛至位置檢測(cè)單元PS1位置,控制單元通過(guò)位置檢測(cè)邏輯處理,判定為正向行車??刂茊卧辶憔чl管閥K1~K4的脈沖使能信號(hào),再置位K1和K3的脈沖使能信號(hào),與晶閘管觸發(fā)脈沖等信號(hào)進(jìn)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(jī)車/動(dòng)車組行駛至PS2位置,控制單元接收到位置檢測(cè)信號(hào),進(jìn)行雙邊電源切換,控制時(shí)序如下圖4所示(以雙邊電源存在比較大的相位差,同時(shí)電力機(jī)車或動(dòng)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(jìn)行說(shuō)明):
a.網(wǎng)壓過(guò)零點(diǎn)t0時(shí)刻,清零K1的脈沖觸發(fā)使能信號(hào),晶閘管閥K1在負(fù)載電流的過(guò)零點(diǎn)自然關(guān)斷。
b.網(wǎng)壓過(guò)零點(diǎn)t1時(shí)刻,清零K3的脈沖觸發(fā)使能信號(hào),晶閘管閥K3在負(fù)載電流的過(guò)零點(diǎn)t2時(shí)刻自然關(guān)斷,電力機(jī)車/動(dòng)車組27.5kV一次側(cè)電壓和電流均變?yōu)?。
c.控制單元檢測(cè)到電流互感器CT1的電流為0,經(jīng)過(guò)延時(shí)時(shí)間T(定值可調(diào)節(jié),0.1ms≤T<10ms),t3時(shí)刻,置位晶閘管閥K4的脈沖使能信號(hào),與晶閘管觸發(fā)脈沖等信號(hào)進(jìn)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(guò)零點(diǎn)t4時(shí)刻,置位晶閘管閥K2的脈沖使能信號(hào),與晶閘管觸發(fā)脈沖等信號(hào)進(jìn)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(guò)過(guò)分相裝置供給的中性區(qū)電壓,同時(shí)也是電力機(jī)車/動(dòng)車組等牽引供電負(fù)載的25kV側(cè)電壓。
I:通過(guò)過(guò)分相裝置供給的電力機(jī)車/動(dòng)車組等牽引供電負(fù)載的25kV側(cè)電流。
(3)電力機(jī)車/動(dòng)車組行駛至位置檢測(cè)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(hào),晶閘管閥K2和K4關(guān)斷,中性區(qū)恢復(fù)無(wú)電狀態(tài),等待下一趟機(jī)車/動(dòng)車組到來(lái)。
3 保護(hù)策略
為保障牽引供電系統(tǒng)及過(guò)分相裝置的安全可靠運(yùn)行,保護(hù)單元通過(guò)采集電流互感器、電壓互感器、晶閘管閥的狀態(tài)反饋信號(hào),制定了綜合保護(hù)策略,設(shè)置了多重保護(hù)。主要包括:
3.1 電流保護(hù)
電流互感器CT1、CT2分別檢測(cè)流經(jīng)各自回路的電流ICT1和ICT2,如果出現(xiàn):
單邊過(guò)流,CT1的測(cè)量值ICT1≥過(guò)流設(shè)定值Iset1。
單邊過(guò)流,CT2的測(cè)量值ICT2≥過(guò)流設(shè)定值Iset1。
雙邊環(huán)流,CT1的測(cè)量值ICT1=CT2的測(cè)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(hù)單元,聯(lián)跳雙邊斷路器QF1和QF2。
3.2 電壓保護(hù)
電壓互感器PT1、PT2分別檢測(cè)雙邊電源母線電壓UPT1和UPT2,如果出現(xiàn):
單邊過(guò)壓,PT1的測(cè)量值UPT1≥過(guò)壓設(shè)定值Uset,則控制單元發(fā)出報(bào)警信號(hào),同時(shí)輸出跳閘命令至保護(hù)單元,跳斷路器QF1;若10s后若檢測(cè)PT1的測(cè)量值UPT1<設(shè)定值Uset,則執(zhí)行一次自動(dòng)重合閘,輸出合閘命令至保護(hù)單元,合斷路器QF1。
單邊過(guò)壓,PT2的測(cè)量值UPT2≥過(guò)壓設(shè)定值Uset,則控制單元發(fā)出報(bào)警信號(hào),同時(shí)輸出跳閘命令至保護(hù)單元,跳斷路器QF2。若10S后若檢測(cè)PT2的測(cè)量值UPT2<設(shè)定值Uset,則執(zhí)行一次自動(dòng)重合閘,輸出合閘命令至保護(hù)單元,合斷路器QF2。
3.3 閥組保護(hù)
控制單元檢測(cè)執(zhí)行單元K1~K4的元件狀態(tài)反饋, 如果出現(xiàn):
元件個(gè)數(shù)輕故障,故障元件個(gè)數(shù)N≥元件個(gè)數(shù)輕故障設(shè)定值Nset1,控制單元發(fā)出報(bào)警信號(hào)。
元件個(gè)數(shù)重故障,故障元件個(gè)數(shù)N≥元件個(gè)數(shù)重故障設(shè)定值Nset2,控制單元發(fā)出跳閘命令至保護(hù)單元,聯(lián)跳雙邊斷路器QF1和QF2。
4 試驗(yàn)驗(yàn)證
為了驗(yàn)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(jìn)行了高壓運(yùn)行測(cè)試。試驗(yàn)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(jī)車,過(guò)分相裝置切換時(shí)間控制為1.6ms,雙邊牽引供電系統(tǒng)無(wú)環(huán)流。圖7可見,換相前后,機(jī)車原邊電流、四象限電流及直流電壓波形平穩(wěn),各項(xiàng)運(yùn)行指標(biāo)正常,實(shí)現(xiàn)了機(jī)車帶電無(wú)感知過(guò)分相。
5 結(jié)束語(yǔ)
本文所提出的分區(qū)所地面自動(dòng)過(guò)分相裝置,由位置檢測(cè)單元、控制單元、保護(hù)單元、執(zhí)行單元構(gòu)成,系統(tǒng)構(gòu)成簡(jiǎn)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(hù)方便。裝置能夠?qū)崿F(xiàn)電力機(jī)車或者動(dòng)車組等負(fù)載不降速、平滑無(wú)感知地通過(guò)分區(qū)所分相區(qū);而且,通過(guò)位置檢測(cè)信號(hào)、晶閘管閥導(dǎo)通使能信號(hào)、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(shí)間無(wú)級(jí)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(chǎng)高壓運(yùn)行試驗(yàn)證明,系統(tǒng)設(shè)計(jì)及控制方法安全可靠,能夠顯著縮短機(jī)車分相區(qū)通過(guò)時(shí)間,增加區(qū)間通過(guò)能力,提升鐵路運(yùn)能,值得進(jìn)一步推廣應(yīng)用。
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