李紅梅，戚廣楓，方華松，方志國，邱長青

（1.?中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北?武漢??430063；2.?中船重工集團有限公司?第七一二研究所，湖北?武漢??430064）

由于鐵路系統(tǒng)供電模式和運行模式的特殊性，每隔30～60?km都存在200～900?m的中性電氣分相的隔離區(qū)，除影響運輸?shù)氖孢m性和總運行時間等運輸質量外，更會因此帶來至少超過80?kV的操作過電壓，有可能引發(fā)列車高壓設備損傷或故障。同時，頻繁過分相容易導致司機操作疲勞，因此電分相裝置一直都是機電、弓網(wǎng)配合的高發(fā)故障區(qū)域。一旦發(fā)生誤操作，輕則影響供電設備壽命，重則造成接觸網(wǎng)相間短路以至于塌網(wǎng)的重大故障，嚴重影響正常運輸秩序。隨著鐵路大提速及新型重型貨運機車的大量使用，高鐵動車組和提速列車的跨線交叉運行逐漸增多，為減少供電固有電分相帶來的負面影響，必須從電氣分相設備系統(tǒng)原理上做出改進，才能進一步保證供電安全與效率，并滿足未來的用戶需求[1]。

1 列車過分相技術現(xiàn)狀

目前，根據(jù)我國行業(yè)設計標準[2]，列車通過接觸網(wǎng)電分相中性區(qū)的模式主要有2種：（1）模式1：列車車載斷電惰行自動過分相方式[3]；（2）模式2：采用開關切換式的地面自動過分相系統(tǒng)[4]，使列車不中斷取流過分相方式。

模式1是現(xiàn)在國內外主流過分相方式，即配合地面磁鋼或地面車載信號控制系統(tǒng)的列車自動斷電操作惰行過分相。但該方式斷電區(qū)較長，需要嚴格的機車受電弓間距匹配和信號監(jiān)控。而且，機車過分相對客運列車的速度有一定損失，對于客貨混運線路的貨車，還容易導致意外斷電停車發(fā)生。頻繁斷電操作容易縮短機車斷路器使用壽命并導致開關設備可靠性下降，且司機因為監(jiān)控操作頻繁、緊張，容易產(chǎn)生疲勞。基于此，設置地面型機車不斷電自動過分相裝置具有重大意義。

模式2是日本新干線應用的采用換相開關的地面自動過分相技術。該方式過分相時斷電時間短，基本解決了列車過分相時的失速或停車問題，解決了各種配置不同受電弓距離的車型兼容問題，緩解了司機操作疲勞。但這種自動過分相設備仍存在自身不足：列車過分相時，斷路器快速切換使得接觸網(wǎng)中性區(qū)段仍有不可克服的700?ms左右的短時間切換斷電和續(xù)流暫態(tài)過程，會對列車高壓設備產(chǎn)生3倍以上的操作過電壓，帶來機車絕緣損傷和影響斷路器壽命等新缺陷，導致這一技術無法和CRH1、CRH3、CRH5等車型匹配；其次，換相開關工作過程失敗的故障也時有發(fā)生，容易造成對運輸安全的影響。其關鍵的開關設備可靠性和壽命始終是薄弱環(huán)節(jié)，維護成本較高，機械開關設備故障導致的事故難以根本杜絕，影響了該電分相系統(tǒng)設備在我國的應用。

當前的高速鐵路工程，在山區(qū)、風景區(qū)采用長大隧道的方案越來越多，在城際鐵路工程應用中，也因為直接供電方式的供電臂短而進入城市區(qū)域的地下隧道區(qū)間較長，坡度往往較大，都難免在連續(xù)大坡道的隧道內設置電分相，如長株潭、穗廣深等珠三角城際鐵路，張吉懷高鐵等均已遇到該類特殊的新技術難題和安全風險問題。

隧道內設置的電分相裝置，因分相區(qū)間所處的地理環(huán)境導致電弧燃燒條件太充分而不易熄滅，當列車速度較快時，極易導致相間短路從而引起接觸網(wǎng)塌網(wǎng)或機車絕緣損傷，并有引發(fā)次生事故的風險。為避免分相燃弧危險或列車無電闖過大坡道區(qū)段，在隧道大坡道設置的電分相需采用不產(chǎn)生電弧的自動過分相裝置。

此外，重載貨運列車普遍開始采用交直交列車，而且重載列車惰性通過大坡度區(qū)段十分困難，為此采用自動過分相系統(tǒng)方案時，將同樣面臨過電壓帶來的交直交變流機車主絕緣耐受能力問題[5]。

2 工程背景

2010年6月30日正式開工建設的長株潭城際鐵路是長株潭城市群城際鐵路網(wǎng)的核心部分，線路全長95.5?km，共設車站21個。新建長沙、暮云、七斗沖3座牽引變電所，新建中信新城、時代、湘潭3座分區(qū)所。線路標準：200?km/h城際鐵路，最大坡度20‰（困難地段30‰?），8輛編組CRH6型車。

長株潭城際鐵路牽引供電設施分布示意見圖1。因工程征地困難，引起長沙市區(qū)內橋改隧一類變更，長沙站西北方向出站即面臨湘江隧道內30‰的縱坡電分相（見圖1位置①），亟待研發(fā)并應用新型的連續(xù)供電自動過分相系統(tǒng)，以解決工程實際難題，同時也是中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計劃項目《運用電力電子控制技術優(yōu)化接觸網(wǎng)分相開關裝置的技術研究》的總體研究目標。

圖1 長株潭城際鐵路牽引供電設施分布示意圖

3 總體技術思路與方案

3.1 總體技術思路

利用大功率電力電子控制技術，為列車通過接觸網(wǎng)電分相中性區(qū)段時提供可靠連續(xù)供電，從系統(tǒng)層面進行原始創(chuàng)新，可在不改變我國27.5?kV單相交流牽引供電系統(tǒng)既有制式和模式的前提下，克服系統(tǒng)電分相這一固有缺陷。應用創(chuàng)新的BPT接觸網(wǎng)電分相連續(xù)供電系統(tǒng)（簡稱BPT系統(tǒng)），取代傳統(tǒng)過分相的機械式開關斷路器操作，基本避免不同相位電壓轉換引起的過電壓暫態(tài)過程，從而根本解決現(xiàn)有鐵路供電系統(tǒng)機車過分相的應用難題。

3.2 技術方案

BPT系統(tǒng)整體技術方案和工作原理見圖2。

圖2 BPT系統(tǒng)整體技術方案和工作原理

系統(tǒng)巧妙利用并網(wǎng)和移相過程實現(xiàn)不同相位的“換電”方案，移相過程原理和輸出電壓波形見圖3。

（1）電力牽引列車接近中性區(qū)時裝置輸出電源，使得中性區(qū)具有此刻的同相電Uα，在錨段關節(jié)處實現(xiàn)逆變并網(wǎng)[6]運行。

（2）列車位于中性區(qū)內時，系統(tǒng)變流器裝置可在保持滿功率輸出狀態(tài)下，在電能質量標準[7]允許頻率偏差下，小步快速變換當前工作電壓相位Uα，使之在列車移動過程中轉換為與列車前方電源端同相位的電源Uβ（120°相位差可在0.3～0.7?s完成移相換電，可根據(jù)需要滿足0°～180°任意相位角差的移相換電）。

圖3 BPT系統(tǒng)移相原理及輸出電壓波形

（3）列車駛離中性區(qū)后裝置返回到初始狀態(tài)，等待下一趟列車到來。

4 關鍵技術創(chuàng)新

（1）首次提出并應用基于電力電子變頻原理的連續(xù)移相技術方法，實現(xiàn)為鐵路接觸網(wǎng)電分相提供連續(xù)移相電源供電的功能。

電力電子技術是目前開始推廣應用的高新技術，電力電子控制的供電電源具有可輸出任何一種指定相位的電源的特點，BPT系統(tǒng)研究發(fā)明了將這一特點運用到電分相連續(xù)供電系統(tǒng)的方法，從而實現(xiàn)在電分相區(qū)域兩端短時動態(tài)同相的功能，即在持續(xù)地為列車供給合乎標準品質電源的前提下，動態(tài)地改變電源相位，追隨并逼近列車運行前方的（不同相位的）目標相位。

（2）首次將大功率電力電子變流裝置的設計、生產(chǎn)、制造技術應用到鐵路接觸網(wǎng)自動過分相領域，首次應用單體大容量（10～25?MVA）的電力電力變流裝置技術，成功研制了“接觸網(wǎng)電分相連續(xù)供電系統(tǒng)”，形成了10?/20?MVA接觸網(wǎng)電分相連續(xù)供電系統(tǒng)設計技術、生產(chǎn)制造工藝、施工安裝調試技術及運營維護管理機制。

首次成功地將具有高可靠性的單體大容量（10～25?MVA）電力電子變流裝置技術應用于電氣化鐵路，實現(xiàn)對列車的牽引供電。以往曾有小單元（如5?MVA）的合計容量構成10?MVA的類似供電系統(tǒng)技術，但未能成功采用單體大容量控制技術，造成裝置的整體可靠性較差。

除采用德國標準的鐵路，各國電氣化鐵路的牽引供電外部電源均來自于三相公共電網(wǎng)，導致單相供電的接觸網(wǎng)存在中性電分相區(qū)，該新型BPT系統(tǒng)能為快速通過電氣中性區(qū)的列車提供連續(xù)不間斷供電，其特點是連續(xù)地沒有間斷地供電，即通過過程中的中斷供電時間為零。BPT系統(tǒng)為世界上首次完全實現(xiàn)該功能的一種新型地面自動過分相系統(tǒng)，即通過過程中的中斷供電時間為零。國際上有其他方式，例如通過機械或電子開關分斷再快速合閘的自動過分相系統(tǒng)，雖然可實現(xiàn)供電中斷時間逼近于0的供電（如在日本和我國采用的既有高速斷路器式或電力電子開關的地面自動過分相系統(tǒng)），但實際均存在50～300?ms斷電或過零時間，即中斷時間大于0。而且BPT系統(tǒng)對列車車型沒有限制，對列車司機操作沒有任何影響。

（3）首次在電氣化接觸網(wǎng)地面自動過分相系統(tǒng)中，采用了新型的信號計軸布點、電流采集布置與電分相多重匹配等技術手段，成功實現(xiàn)列車準確定位、運行方向、動車取流等多重信息采集、可靠采集、快速采集和精確控制。

各種自動過分相系統(tǒng)都需要與列車之間進行配合，需要掌握列車動態(tài)情況尤其是位置和速度，日本和我國其他自動過分相系統(tǒng)采用相似或其他方法。但采用的信號計軸技術僅停留在試驗階段未真正實現(xiàn)工程應用，或應用中未曾實現(xiàn)列車多方向運行的判斷和定位功能。BPT系統(tǒng)采用的列車定位系統(tǒng)具有如下特點：可實現(xiàn)正向反向運行準確位置的判斷功能，可第一時間準確探知列車進入電分相區(qū)域，發(fā)明的信號計軸布點、電流采集和電分相區(qū)多重匹配技術，采用了改良型的2段軌道電路微機計軸列車位置檢測方案，可靠性高、經(jīng)濟合理。

（4）在工頻 50?Hz交流 27.5?kV 的電氣化鐵路技術中，首次提出并應用高阻抗多繞組變壓器磁場并聯(lián)技術方式，實現(xiàn)大容量多模塊電力電子變流裝置的可靠供電功能。

在工頻50?Hz交流27.5?kV的電氣化鐵路技術中，通常的牽引供電系統(tǒng)中，變壓器可以有多繞組并列，但都是電氣回路直接并聯(lián)或串聯(lián)，其中1個損壞則整個變壓器失效。BPT系統(tǒng)采用多功率單元變壓器磁場并聯(lián)運行的高可靠性變流系統(tǒng)設計技術的高-低-高背靠背變流器系統(tǒng)拓撲結構（見圖4），首次實現(xiàn)多繞組通過變壓器磁路并聯(lián)或串聯(lián)，某電路線圈出現(xiàn)故障時，其他線圈仍可通過控制變壓器磁路予以連通，從而大大提高了變壓器的供電可靠性，為實現(xiàn)大容量變流器IGBT功率模塊冗余備用的可靠控制提供了技術保障，局部器件故障退出時，不影響整體工作狀態(tài)，達到更好的系統(tǒng)整體可靠性。

5 車網(wǎng)匹配試驗

圖4 高-低-高背靠背變流器系統(tǒng)拓撲結構

2015年5月，在中車青島四方股份有限公司廠區(qū)試驗環(huán)線上開展了BPT系統(tǒng)有關車網(wǎng)匹配試驗，包括牽引、制動、惰行3種工況以及相互轉換工況下不斷電過分相（地面、車）的連續(xù)供電試驗、供電質量與動車組性能監(jiān)測（車載）匹配試驗。在試驗過程中，系統(tǒng)輸出電壓幅值相位穩(wěn)定，電壓諧波THD＜5%，實現(xiàn)了快速平滑移相功能；列車通過過程中，接觸網(wǎng)中性段完全由該裝置為列車提供無間斷的連續(xù)供電；系統(tǒng)設備及車、網(wǎng)各項主要功能、性能參數(shù)正常，未見電壓、電流或頻率的異?，F(xiàn)象，接觸網(wǎng)電壓幅值的變化都在網(wǎng)壓故障保護閾值內，沒有操作過電壓暫態(tài)過程。車載監(jiān)測數(shù)據(jù)表明：整車設備運行正常，感覺不到過分相的換相過程。

6 工程應用

在長株潭城際鐵路應用的BPT接觸網(wǎng)電分相連續(xù)供電系統(tǒng)（見圖5）由開關站、換相站、檢測開關柜、級聯(lián)變壓器、水風換熱器、吸收裝置等設備構成，可在戶外專用場地低式安裝，具備調度遠方監(jiān)控功能，工程中設備布置見圖6。列車定位檢測計軸裝置在鋼軌沿線布置。

圖5 BPT系統(tǒng)在長株潭城際鐵路的應用

首次完成電分相連續(xù)供電系統(tǒng)供電與車網(wǎng)匹配性試驗驗證、工程試用、工程驗收和聯(lián)調聯(lián)試，并投入運行，驗證了該系統(tǒng)具有良好的車網(wǎng)匹配性，列車過分相過程無供電死區(qū)、無電弧、無過電壓。同時，首次研究完成并應用了系統(tǒng)驗收及運營維護管理相關規(guī)定。

2017年10月，在中國鐵路廣州局集團有限公司組織的聯(lián)調聯(lián)試中，BPT系統(tǒng)通過了長株潭城際鐵路工程安裝試用、聯(lián)調聯(lián)試、工程驗收和試運行考核。于2017年12月正式投入運行至今，每天約38次列車過分相運行，迄今已經(jīng)完成1萬余弓架次的正常移相連續(xù)供電工作，總體上安全可靠。

工程應用中系統(tǒng)運行正常、功能穩(wěn)定，完成了聯(lián)調聯(lián)試大綱計劃中SS8、CRH2、CRH3和CRH6等車型的正反向行車、多種信號控車模式、0～170?km/h各速度等級、列車運行故障模擬等各項試驗。投入運營期間，系統(tǒng)經(jīng)歷了外界干擾等考驗，其導向安全的冗余保護技術先進合理。

帶電實車匹配試驗和正式運行表明：BPT接觸網(wǎng)電分相連續(xù)供電系統(tǒng)中的變流裝置、列車定位檢測裝置等方案設計合理、正確，設備工作安全可靠，所有試驗和運行工況下的車網(wǎng)系統(tǒng)匹配良好，與既有運行模式具有兼容性，系統(tǒng)保護及運行方式導向安全、冗余可靠，系統(tǒng)主要設備在運營中免維護、少維護。

圖6 BPT系統(tǒng)設備布置

7 結束語

結合鐵路工程急需，研發(fā)并成功應用的BPT接觸網(wǎng)電分相連續(xù)供電系統(tǒng)成套技術，支撐了長株潭城際鐵路由橋梁改為長大坡度隧道穿越重要城區(qū)的工程方案，節(jié)省征地遷改費用約1.8億元，已經(jīng)通過中國鐵路總公司、中國鐵路廣州局集團有限公司和湖北省組織的各階段評審和驗收，確認了系統(tǒng)技術和裝置功能的可靠性，及時解決了長株潭城際鐵路大坡度隧道內設置電分相的工程技術難題，創(chuàng)新提出的應用大功率變流控制平滑移相實現(xiàn)電分相連續(xù)供電的技術原理先進可靠，自動化程度高，系統(tǒng)穩(wěn)定運行至今，填補了國際空白。

BPT系統(tǒng)技術成果的推廣應用價值主要體現(xiàn)在以下方面：

（1）徹底解決大坡道、樞紐等限制條件下的電分相設置和供電方案可實施性難題，充分滿足工程建設和運營管理多方面的需求，大大節(jié)約鐵路工程土建工程投資。

（2）在重載、大坡道、長距離、客運、隧道內等風險較大的鐵路上，將充分發(fā)揮更大優(yōu)勢，可提高旅客舒適度，確保重載運輸能力，節(jié)省區(qū)間速度損失和運行時間，降低司乘人員過分相時的操作壓力和風險程度。

（3）有效解決了長大坡道、重載等特殊工況下列車過分相停坡、降速、帶電闖分相的過電壓、相間短路、拉弧等難題，提高了鐵路運輸?shù)陌踩煽啃浴?/p>

（4）系統(tǒng)在動態(tài)換相過程中對列車的連續(xù)供電沒有任何操作過電壓，對機車使用類型和運用方式?jīng)]有任何限制。

（5）可大大提高列車車載斷路器設備的整體壽命，提高運營列車的安全可靠性。

隨著我國大功率電力電子技術控制裝置制造技術的迅猛發(fā)展，其成果產(chǎn)業(yè)化的步伐也必將加快，在合理投資條件下，可有效解決以往常規(guī)列車過分相時存在車網(wǎng)匹配的技術和管理難題。具備移動去分相功能的BPT系統(tǒng)可彌補和徹底解決利用大工業(yè)網(wǎng)電源條件下25?kV牽引供電制式的電分相固有缺陷，有望成為地面自動過分相裝置技術應用的未來，可作為中國高鐵“走出去”的先進技術支撐，在國際國內推廣應用的前景非常廣闊。