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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