李艷軍

（廣西鐵路投資集團(tuán)有限公司，工程師，廣西 南寧，530029）

我國鐵路供電多采用交流單相工頻換相供電，為避免相間短路，在牽引變電所出口及分區(qū)亭處設(shè)置一段兩端都有電氣分段的接觸網(wǎng)，即中性段（或電分相）。中性段由中性區(qū)、兩端錨段關(guān)節(jié)組成。中性段隔離了同一條線路兩個相鄰的具有不同標(biāo)稱電壓或相位的電氣區(qū)段。由于中性區(qū)接觸網(wǎng)本身不帶電，列車通過時，車載設(shè)備或地面裝置需要進(jìn)行特殊的操作。

目前我國電氣化鐵路多采用車載設(shè)備斷電過分相方式，此種方式主牽引系統(tǒng)斷電，機(jī)車牽引出力降為零。所以列車在電分相區(qū)間內(nèi)會有速度損失，列車牽引供電系統(tǒng)會出現(xiàn)沖擊過電壓等問題。與車載設(shè)備斷電過分相方式相比，地面不斷電自動過分相技術(shù)運用電力開關(guān)使列車在中性區(qū)持續(xù)帶電，雖然可以消除前者不足，但由于該技術(shù)均采用機(jī)械開關(guān)作為主執(zhí)行機(jī)構(gòu)，不僅壽命低，而且分合閘瞬間仍然會有過電壓沖擊。

本文采用電子開關(guān)(晶閘管閥組)作為開關(guān)切換的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，利用其壽命長、開關(guān)柔性無電弧的特點，實現(xiàn)機(jī)車不退級帶電且保持牽引力和不減速通過電分相區(qū)。同時提出機(jī)車位置檢測新方法，該方法不依賴任何地面位置信息、不在接觸網(wǎng)加裝任何傳感器，采用全新的檢測手段準(zhǔn)確定位受電弓位置，從而在合適的時間觸發(fā)相應(yīng)的電子開關(guān)動作。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

圖1 新型地面自動過分相裝置主接線圖

圖1為新型地面自動過分相裝置主接線圖，圖中各部分組成和功能如下：

1）復(fù)合開關(guān)：Swich A、Swich B為由普通機(jī)械開關(guān)與晶閘管組成的復(fù)合開關(guān)，用于本裝置對中性區(qū)進(jìn)行供電。復(fù)合開關(guān)動作時，晶閘管先觸發(fā)導(dǎo)通，機(jī)械開關(guān)在晶閘管導(dǎo)通后在零電壓下進(jìn)行分合動作，機(jī)械開關(guān)無電弧產(chǎn)生，可提高開關(guān)工作壽命。

2）隔離開關(guān)：QS1、QS2、QS3、QS4為高壓隔離開關(guān)。正常工作時所有隔離開關(guān)均處于閉合狀態(tài)，裝置檢修時需分?jǐn)嗨懈綦x開關(guān)。

3）斷路器：QF1、QF2為高壓斷路器。

（a）正常工作時，QF1和QF2閉合。

（b）本裝置故障時，無法正常執(zhí)行分閘操作，操作QF1、QF2，替代本裝置的分?jǐn)喙δ堋?/p>

（c）供電網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)短路故障時，直接斷開QF1和QF2，保護(hù)本裝置不受損壞。

4）避雷器：F1、F2、F3、F4為電力避雷器，實現(xiàn)對本裝置的過壓保護(hù)。

5）電壓互感器：PT1、PT2、PT3為高壓互感器。PT1采集左側(cè)供電臂接觸網(wǎng)對地電壓，PT2采集中性區(qū)接觸網(wǎng)對地電壓，PT3采集右側(cè)供電臂接觸網(wǎng)對地電壓。PT1、PT2、PT3的作用：

（a）用于列車受電弓的位置檢測；

（b）用于接觸網(wǎng)過電壓、供電臂接觸網(wǎng)及中性區(qū)接觸網(wǎng)對地短路的檢測及保護(hù)。

6）電流互感器：CT1、CT2、CT3、CT4、CT5為電流互感器，用于采集各條支路電流。

CT1、CT2分別采集流過兩根110 kV/27.5 kV牽引變壓器及地面自動過分相裝置公共連接點與供電臂接觸網(wǎng)連接線的電流，CT3、CT4分別采集流過兩根中性區(qū)連接線的電流，CT5采集流過Switch A與Switch B公共支路的電流。CT1、CT2、CT3、CT4、CT5的作用：

（a）用于列車受電弓的位置檢測；

（b）用于消弧電源的控制；

（c）用于Switch A與Switch B的過電流保護(hù)。

2 復(fù)合開關(guān)工作原理

以Swich A為例對復(fù)合開關(guān)工作原理進(jìn)行闡述。

2.1 開關(guān)合閘過程 當(dāng)開關(guān)收到合閘命令后機(jī)械開關(guān)KMa、晶閘管閥組TMa和輔助晶閘管TA同時進(jìn)行合閘動作，即合KMa、觸發(fā)TMa、觸發(fā)TA。由于晶閘管閥組TMa動作速度快，先導(dǎo)通，因此可避免機(jī)械開關(guān)閉合時的預(yù)擊穿燒蝕。復(fù)合開關(guān)合閘過程狀態(tài)分別見圖2（a）、圖2（b和圖2（c））。

1）如圖 2（a）所示，觸發(fā) TMa晶閘管閥組導(dǎo)通KMa合閘同時動作。晶閘管閥組TMa兩端有系統(tǒng)電壓27.5 kV，接收到觸發(fā)脈沖后導(dǎo)通；KMa合閘時間100 ms左右，所以在KMa合閘完成的這段時間內(nèi)，中性區(qū)由晶閘管TMa供電。

2）如圖2（b）所示，KMa合閘完成后，輔助晶閘管TA滿足正向觸發(fā)條件，同時具有觸發(fā)脈沖，隨之正常導(dǎo)通，此時中性區(qū)由晶閘管TMa和機(jī)械開關(guān)KMa兩支并聯(lián)回路同時供電。

3)如圖2（c）所示，晶閘管閥組TMa觸發(fā)導(dǎo)通后，一直保持周期觸發(fā)脈沖，當(dāng)檢測到KMa合閘完成后，停止發(fā)出“觸發(fā)TMa”的控制命令，晶閘管閥TMa在電流過零后自然關(guān)斷，中性區(qū)完全由機(jī)械開關(guān)供電。

2.2 開關(guān)分閘過程 當(dāng)開關(guān)收到分閘命令后機(jī)械開關(guān)KMa、晶閘管閥組TMa和輔助晶閘管TA同時作分閘動作，即分KMa、觸發(fā)TMa、停止觸發(fā)TA。機(jī)械開關(guān)在晶閘管閥組TMa導(dǎo)通后才分閘，此時機(jī)械開關(guān)兩端電壓為零，不會產(chǎn)生分閘電弧，因此可避免機(jī)械開關(guān)分閘時的電弧燒蝕。復(fù)合開關(guān)分閘過程狀態(tài)分別見圖3（a）、圖3（b和圖3（c））。

1）如圖3（a）所示，觸發(fā)TMa、停止觸發(fā)TA的命令同時發(fā)出，TA在觸發(fā)命令停止后，當(dāng)電流自然過零時，TA關(guān)斷。

2）如圖3（b）所示，TA關(guān)斷后，TA的吸收回路充電在TMa兩端開始建立電壓，當(dāng)電壓上升至200V左右時，滿足TMa導(dǎo)通條件，TMa開始導(dǎo)通維持回路供電。

3）如圖3（c）所示，待檢測到KMa完全分閘后，停止TMa觸發(fā)脈沖，晶閘管閥TMa在電流過零后自然關(guān)斷，由此供電回路完全斷開。

3 地面自動過分相裝置工作原理

1）列車進(jìn)分相區(qū)前：即機(jī)車受電弓在未進(jìn)入分相區(qū)錨段關(guān)節(jié)前，機(jī)車一直由饋線供電，新型地面自動過分相裝置處于等待狀態(tài)。

2）列車進(jìn)分相區(qū)：機(jī)車受電弓進(jìn)入錨段關(guān)節(jié)，當(dāng)受電弓運行于饋線接觸網(wǎng)與中性線等高點時，受電弓同時與饋線接觸網(wǎng)與中性線接觸，中性線通過受電弓與饋線等電位，使得中性線與饋線電壓相等，即PT2與PT1相等。新型地面自動過分相裝置通過識別PT2的變化，當(dāng)與PT1相等時即判定機(jī)車進(jìn)入中性區(qū)，開始過分相過程。

當(dāng)識別到列車進(jìn)入分相區(qū)后，立刻閉合Swich A，使得中性區(qū)通過Swich A仍然由饋線B供電。

3）列車位置判斷與開關(guān)切換：列車在中性區(qū)運行時，電流通過CT3/CT4供給機(jī)車，電流分布比根據(jù)機(jī)車受電弓位置到新型地面自動過分相裝置兩個上網(wǎng)點的線路阻抗比變化，機(jī)車運行時到兩個上網(wǎng)點的線路阻抗實時變化，由此引起CT3/CT4電流比變化，從而可以計算出機(jī)車等效受電弓位置。

當(dāng)CT3/CT4電流比值為1時，即受電弓到兩個上網(wǎng)點的阻抗值完全相等，可以看作機(jī)車運行到中性區(qū)的中點位置。此時發(fā)出斷開Swich A的命令，在Swich A斷開后再發(fā)出Swich B合閘命令，使中性區(qū)轉(zhuǎn)換為帶饋線A的電。

中性區(qū)切換過程中，裝置可在任意角度上斷開前序開關(guān)，撤除TA觸發(fā)脈沖后，晶閘管在電流自然過零后關(guān)斷，不會產(chǎn)生電壓電流突變。但是對機(jī)車而言，切除電源后，牽引變壓器上仍然有殘壓，并以不確定周期衰減，若切換時間過短或者合閘角度選擇不合適，會導(dǎo)致列車產(chǎn)生較大的沖擊電流，影響設(shè)備或機(jī)車的安全運行。本裝置選擇的切換角度參數(shù)為72°，切換間隔5 ms。

4）列車出分相區(qū)：當(dāng)列車運行到出分相處饋線接觸網(wǎng)與中性線等高點處，受電弓同時與饋線和中性線搭接，列車供電電流開始從中性區(qū)向饋線轉(zhuǎn)移，此時CT2/CT3/CT4/CT5發(fā)生變化。變化趨勢為CT2逐漸增大，CT3/CT4/CT5逐漸減小，當(dāng)CT3/CT4/CT5變?yōu)?，CT2不再增大時，判斷列車駛出分相區(qū)，此時發(fā)出斷開Swich B的命令，使得中性區(qū)不帶電，恢復(fù)到等待下一次列車過分相狀態(tài)。

4 裝置試驗分析

本裝置應(yīng)用于某重載鐵路牽引變電站，該牽引變電站主變壓器的接線方式為Vv0，變比110 kV/27.5 kV，饋線出線A、B兩相電壓角度相差60°。

試驗采用SS4B電力機(jī)車雙機(jī)重聯(lián)方式，牽引重載貨運列車。機(jī)車在通過電分相區(qū)時不降弓、不斷主斷、不退級，正常行車通過，保證在過分相時仍能按大功率牽引出力，以驗證地面自動過分相裝置的功能及性能。

圖4為機(jī)車在通過電分相區(qū)時，新型地面過分相裝置正常工作時的波形圖。由圖形可以看出，在地面自動過分相裝置切換前，中性區(qū)帶A相電，機(jī)車正常工作取流，當(dāng)機(jī)車運行到中性區(qū)中點時，地面自動過分相裝置切換動作，中性區(qū)電壓從A相切換到B相，瞬間失電時間6.4 ms，由于失電時間極短，對機(jī)車的平穩(wěn)運行幾乎沒有影響，機(jī)車能夠保持大功率牽引出力通過分相區(qū)域。

圖4 新型地面自動過分相裝置現(xiàn)場試驗波形圖

5 結(jié)論

本文提出的新型地面自動過分相技術(shù)，可實現(xiàn)機(jī)車不退級帶電且保持牽引力和不減速通過電分相區(qū)，同時采用復(fù)合開關(guān)替代傳統(tǒng)機(jī)械開關(guān)，安全性可靠性經(jīng)濟(jì)性明顯提升；采用新穎的機(jī)車位置檢測方法和手段，保證了位置監(jiān)測信號的可靠性，對解決類似問題具有參考和借鑒意義。