張 智 鄭瓊林 張智博 李 凱 郝瑞祥 游小杰

一種基于復(fù)合開關(guān)的交流電氣化鐵路地面自動過分相裝置

張 智 鄭瓊林 張智博 李 凱 郝瑞祥 游小杰

（北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院 北京 100044）

交流電氣化鐵路中電分相的存在一定程度上制約了高速重載鐵路的發(fā)展。為此，許多地面帶電自動過分相方案相繼被提出?；陔娮娱_關(guān)的地面自動過分相裝置由于結(jié)構(gòu)簡單、成本相對較低，得到了較為廣泛的應(yīng)用。然而，對于重載鐵路中的長分相，電子開關(guān)工作時(shí)間長，損耗較大，需要增加輔助散熱裝置，降低了系統(tǒng)可靠性。該文提出一種應(yīng)用于重載鐵路長分相的基于復(fù)合開關(guān)的地面自動過分相裝置。該裝置采用晶閘管閥組與高壓接觸器組合的結(jié)構(gòu)，在實(shí)現(xiàn)列車帶電過分相的同時(shí)，顯著降低了開關(guān)的整體損耗。復(fù)合開關(guān)采用自然冷卻的方式即可滿足散熱需求，無需額外的散熱裝置，增強(qiáng)了系統(tǒng)可靠性。該文對地面自動過分相裝置及復(fù)合開關(guān)的工作原理和特性進(jìn)行詳細(xì)分析，并對開關(guān)的損耗進(jìn)行定量計(jì)算與對比，最后通過神朔鐵路南梁牽引變電所地面自動過分相裝置的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對復(fù)合開關(guān)的工作效果進(jìn)行了驗(yàn)證。

自動過分相 重載鐵路 復(fù)合開關(guān) 晶閘管 高壓接觸器 開關(guān)損耗

0 引言

為避免牽引負(fù)荷在電網(wǎng)中產(chǎn)生較大負(fù)序電流，影響電能質(zhì)量，傳統(tǒng)交流電氣化鐵路普遍采用單相工頻換相供電方式[1]。電力系統(tǒng)的110kV或220kV電壓經(jīng)過牽引變電所的牽引變壓器變?yōu)?7.5kV的單相交流電連接到接觸網(wǎng)上[2]。為避免相間短路，線路上每隔20～30km就會設(shè)置一段兩端都有電氣分段的接觸網(wǎng)，即電分相[3]。常見的電分相由中性區(qū)接觸網(wǎng)以及兩端錨段關(guān)節(jié)組成，主要應(yīng)用在牽引變電所出口處和分區(qū)所處。列車通過電分相的過程被稱為過分相。

目前，我國普遍采用車載斷電自動過分相方案[4-5]。列車在即將進(jìn)入中性區(qū)前，通過應(yīng)答器[6]得到位置信息，自動斷開主斷路器。由于中性區(qū)接觸網(wǎng)本身不帶電，列車將在無牽引電流的狀態(tài)下依靠慣性滑過中性區(qū)，因此列車不可避免地存在速度損失。對于重載鐵路，有時(shí)候中性區(qū)長達(dá)一千多米，且可能位于上坡段，導(dǎo)致列車過分相時(shí)速度損失很大，甚至停在中性區(qū)[7-8]。另外，受線路分布電感、電容的影響，列車投切主斷路器時(shí)可能會產(chǎn)生過電壓、過電流以及電弧[9-11]。這些問題嚴(yán)重制約了高速重載鐵路的進(jìn)一步發(fā)展。如何使列車不失電過分相仍是電氣化鐵路供電亟待解決的一大難題，為此，國內(nèi)外許多研究機(jī)構(gòu)陸續(xù)開展了中性區(qū)帶電、列車持續(xù)受流的地面帶電自動過分相技術(shù)的研究[12]。

日本新干線最早采用一種基于機(jī)械開關(guān)的地面自動過分相系統(tǒng)，其中，機(jī)械開關(guān)采用真空斷路 器[13-14]。基于機(jī)械開關(guān)的地面自動過分相系統(tǒng)如圖1所示，CB11和CB21為主開關(guān)，CB12和CB22為備用開關(guān)。以列車從左往右行駛為例，當(dāng)列車行駛到位置CG1時(shí)，開關(guān)CB11閉合，中性區(qū)接觸網(wǎng)帶上A相電，列車帶電進(jìn)入中性區(qū)；隨后，當(dāng)列車行駛到中性區(qū)內(nèi)位置CG3時(shí)，開關(guān)CB11斷開，而后開關(guān)CB21閉合，完成中性區(qū)電壓切換，列車帶B相電繼續(xù)行駛；最后，當(dāng)列車行駛到中性區(qū)外位置CG4時(shí)，開關(guān)CB21斷開，中性區(qū)接觸網(wǎng)恢復(fù)不 帶電狀態(tài)。

圖1 基于機(jī)械開關(guān)的地面自動過分相系統(tǒng)

基于機(jī)械開關(guān)的地面自動過分相系統(tǒng)控制簡單，通過快速切換真空斷路器，實(shí)現(xiàn)列車帶電過電分相，瞬間失電時(shí)間僅為250～350ms，顯著地減少了列車過分相時(shí)的速度損失。然而，高壓斷路器的壽命有限，且存在拒動的可能。為確保裝置的可靠性，需要增加一套冗余設(shè)備，從而增加了設(shè)備的成本和體積。另外，真空斷路器不能精確控制動作時(shí)間。在斷路器斷開時(shí)，可能會關(guān)斷大電流，產(chǎn)生截流過電壓，甚至引起拉弧，進(jìn)而燒損斷路器。在斷路器合閘時(shí)，可能會產(chǎn)生由線路分布參數(shù)引起的高頻振蕩過電壓，也可能會在列車主變壓器中產(chǎn)生勵(lì)磁涌流現(xiàn)象，進(jìn)而造成繼電保護(hù)裝置跳閘[15]。

針對機(jī)械開關(guān)存在的問題，國內(nèi)外許多公司研究了基于電子開關(guān)的地面自動過分相技術(shù)[16-18]?；陔娮娱_關(guān)的地面自動過分相系統(tǒng)一般采用高壓晶閘管代替真空斷路器，多個(gè)晶閘管串聯(lián)增加耐壓能力并設(shè)置冗余，晶閘管反并聯(lián)實(shí)現(xiàn)電流雙向流動，基于電子開關(guān)的地面自動過分相系統(tǒng)如圖2所示。該方案利用晶閘管電流過零自然關(guān)斷特性避免截流過電壓并有效抑制電弧，通過精確控制晶閘管開通時(shí)間，避免中性區(qū)電壓切換過程中的過電壓和勵(lì)磁涌流[19]。

晶閘管制造工藝成熟、可靠性高、瞬時(shí)過電流能力強(qiáng)，且晶閘管失效后呈現(xiàn)短路特性，對于串聯(lián)的晶閘管閥組，如果在設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮裕度，則當(dāng)其中一個(gè)或多個(gè)晶閘管出現(xiàn)故障時(shí)，僅會使晶閘管串聯(lián)閥組耐壓能力下降，不會影響系統(tǒng)的正常工作，從而增強(qiáng)了過分相裝置的魯棒性和可靠性[17]。此外，這種方案的工作原理和基于機(jī)械開關(guān)的過分相裝置相同，但由于晶閘管的開關(guān)動作更加精確可靠，列車過分相時(shí)的理論失電時(shí)間可以小于10ms，列車幾乎無速度損失[20]。目前，神朔鐵路已采用這種基于電子開關(guān)的地面自動過分相裝置，并取得了良好效果[18]。

圖2 基于電子開關(guān)的地面自動過分相系統(tǒng)

然而，對于重載鐵路而言，中性區(qū)一般比較長，且列車運(yùn)行速度較慢，列車完成過分相可能需要2min左右，地面自動過分相裝置中的晶閘管閥組工作時(shí)間比較長。另一方面，晶閘管通態(tài)損耗與通態(tài)壓降和通態(tài)電流有關(guān)[21]。當(dāng)列車牽引電流較大時(shí)，晶閘管的通態(tài)壓降也會很大，尤其是采用了串聯(lián)閥組結(jié)構(gòu)后，系統(tǒng)正常工作時(shí)，其通態(tài)損耗會非常大，長時(shí)間工作情況下需要給晶閘管閥組增加散熱裝置。如果采用自然冷卻，增加的散熱器會增大系統(tǒng)的體積；而如果采用強(qiáng)迫風(fēng)冷或者水冷的方式，則會顯著增加系統(tǒng)的固定成本和維護(hù)成本。此外，將強(qiáng)迫風(fēng)冷或水冷的自動過分相設(shè)備應(yīng)用于重載鐵路時(shí)，容易受環(huán)境中煤灰粉塵的影響而出現(xiàn)故障，降低了系統(tǒng)可靠性。

為此，本文提出了一種應(yīng)用于重載鐵路長分相的基于復(fù)合開關(guān)的地面自動過分相裝置，采用晶閘管閥組與高壓接觸器的組合開關(guān)結(jié)構(gòu)進(jìn)行中性區(qū)電壓的安全切換，在實(shí)現(xiàn)重載列車帶電過分相的同時(shí)顯著降低開關(guān)的損耗，避免增加輔助散熱裝置，減小系統(tǒng)體積并提高可靠性。本文詳細(xì)介紹了基于復(fù)合開關(guān)的地面自動過分相裝置的工作原理，并對復(fù)合開關(guān)的電路結(jié)構(gòu)和工作特性進(jìn)行分析。然后定量計(jì)算了列車過分相時(shí)復(fù)合開關(guān)的損耗，并與傳統(tǒng)方案進(jìn)行了對比，驗(yàn)證了復(fù)合開關(guān)結(jié)構(gòu)在降低損耗方面的優(yōu)勢。最后通過神朔鐵路實(shí)際列車運(yùn)行結(jié)果對這種基于復(fù)合開關(guān)的地面自動過分相裝置的工作效果進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 地面自動過分相裝置

本文所提基于復(fù)合開關(guān)的地面自動過分相裝置本質(zhì)上也是一種基于電子開關(guān)的方案，其實(shí)現(xiàn)列車帶電過分相的原理和基于機(jī)械開關(guān)的方案是基本相同的?；趶?fù)合開關(guān)的地面自動過分相裝置及其工作時(shí)序示意圖如圖3所示，復(fù)合開關(guān)Sa和Sb是晶閘管閥組和高壓接觸器的組合。首先將Sa和Sb串聯(lián)連接，并分別與中性區(qū)兩側(cè)的接觸網(wǎng)相連于A點(diǎn)和B點(diǎn)，再從中點(diǎn)Q引出連接線與中性區(qū)接觸網(wǎng)相連于N點(diǎn)。假設(shè)左側(cè)牽引網(wǎng)由A相供電臂供電，右側(cè)牽引網(wǎng)由B相供電臂供電。以列車從左往右行駛過分相為例，結(jié)合圖3所示的工作時(shí)序?qū)趶?fù)合開關(guān)的地面自動過分相裝置的工作原理進(jìn)行說明。

圖3 基于復(fù)合開關(guān)的地面自動過分相裝置及其工作時(shí)序示意圖

1時(shí)刻，列車到達(dá)左側(cè)錨段關(guān)節(jié)，即P1點(diǎn)，準(zhǔn)備進(jìn)入中性區(qū)。此時(shí)復(fù)合開關(guān)Sa被開通，中性區(qū)接觸網(wǎng)帶A相電。隨后列車進(jìn)入中性區(qū)，列車通過QN和Sa取流，帶A相電正常行駛。當(dāng)列車所有電力機(jī)車都進(jìn)入中性區(qū)且第一個(gè)電力機(jī)車行駛到中性區(qū)電壓安全切換點(diǎn)[20]，即P2點(diǎn)，Sa的驅(qū)動脈沖被撤除，Sa隨后在電流過零時(shí)，即2時(shí)刻，自然關(guān)斷，中性區(qū)接觸網(wǎng)短暫不帶電。幾微秒后的3時(shí)刻，復(fù)合開關(guān)Sb被開通，中性區(qū)接觸網(wǎng)帶B相電，列車通過QN和Sb取流，帶B相電正常行駛。在列車駛離中性區(qū)并行駛到P3點(diǎn)的4時(shí)刻，Sb的驅(qū)動脈沖被撤除并隨即關(guān)斷，中性區(qū)接觸網(wǎng)恢復(fù)不帶電。由上述分析可知，列車過分相過程中，在1～2時(shí)間內(nèi)由A相供電臂供電，在3～4時(shí)間內(nèi)由B相供電臂供電，列車僅在2～3內(nèi)短暫失電，失電時(shí)間僅為幾ms。相較于基于機(jī)械開關(guān)的地面自動過分相方案，這種基于電子開關(guān)的方案進(jìn)一步縮短了列車過分相時(shí)的失電時(shí)間，有效減小了電分相對列車運(yùn)行的影響。

2 復(fù)合開關(guān)

如第1節(jié)所述，傳統(tǒng)基于電子開關(guān)的自動過分相方案應(yīng)用于重載鐵路時(shí)晶閘管閥組損耗較大，這會對裝置產(chǎn)生不利影響。針對此問題，本文提出了一種晶閘管閥組與高壓接觸器組合的復(fù)合開關(guān)結(jié)構(gòu)。高壓接觸器和輔助晶閘管的引入在增強(qiáng)開關(guān)動作可靠性的同時(shí)也降低了開關(guān)的整體損耗。

2.1 電路結(jié)構(gòu)

復(fù)合開關(guān)的電路結(jié)構(gòu)如圖4所示。圖4中，TMa和TMb為晶閘管串并聯(lián)閥組，其中每對反并聯(lián)的晶閘管閥組都分別并聯(lián)了緩沖電路進(jìn)行動靜態(tài)均壓。KMa和KMb為高壓接觸器，為延長開關(guān)壽命，增強(qiáng)系統(tǒng)可靠性，KMa和KMb采用兩并兩串的組合結(jié)構(gòu)。TA為單組反并聯(lián)的輔助晶閘管閥組，由于列車過分相時(shí)復(fù)合開關(guān)Sa和Sb交替工作，存在明顯的先后順序，因此共用了一個(gè)輔助晶閘管閥組。

圖4 復(fù)合開關(guān)電路結(jié)構(gòu)

2.2 工作原理

復(fù)合開關(guān)的基本思路為：利用晶閘管電流過零自然關(guān)斷和開通時(shí)間精確可控的特性進(jìn)行中性區(qū)電壓的安全快速切換，利用高壓接觸器導(dǎo)通損耗小的特點(diǎn)減少列車過分相時(shí)裝置的整體損耗，其具體工作過程分析如下。

以列車從左往右行駛過分相為例，復(fù)合開關(guān)Sa和Sb的動作時(shí)序如圖5所示。

（1）1時(shí)刻，控制系統(tǒng)下發(fā)指令開通Sa。首先，觸發(fā)導(dǎo)通晶閘管閥組TMa，TMa零電流開通。中性區(qū)接觸網(wǎng)電壓等于A相供電臂電壓，列車牽引電流流過TMa。然后，控制系統(tǒng)閉合高壓接觸器KMa，KMa零電流閉合后，再觸發(fā)導(dǎo)通輔助晶閘管TA，TA零電壓開通。由于高壓接觸器的通態(tài)阻抗遠(yuǎn)小于高壓晶閘管閥組，因此大部分牽引電流被轉(zhuǎn)移到KMa和TA支路上。最后，控制系統(tǒng)撤除TMa的觸發(fā)信號，10ms內(nèi)，TMa電流過零自然關(guān)斷。流過TMa的電流全部被轉(zhuǎn)移到KMa和TA支路上。

圖5 復(fù)合開關(guān)動作時(shí)序

（2）2時(shí)刻，控制系統(tǒng)下發(fā)指令關(guān)斷Sa。首先，控制系統(tǒng)檢測到流過Sa的瞬時(shí)電流為零時(shí)，觸發(fā)導(dǎo)通TMa，TMa零電流開通。然后，控制系統(tǒng)撤除TA的觸發(fā)信號，TA電流過零自然關(guān)斷后再斷開KMa，流過KMa和TA支路的電流全部被轉(zhuǎn)移到TMa支路上。最后，控制系統(tǒng)撤除TMa的觸發(fā)信號，10ms內(nèi)，TMa電流過零自然關(guān)斷，3時(shí)刻，Sa完全斷開。

（3）4時(shí)刻，控制系統(tǒng)下發(fā)指令開通Sb。首先，觸發(fā)導(dǎo)通晶閘管閥組TMb，TMb零電流開通，中性區(qū)接觸網(wǎng)電壓等于B相供電臂電壓，列車牽引電流流過TMb。然后，控制系統(tǒng)閉合高壓接觸器KMb，KMb零電流閉合后，再觸發(fā)導(dǎo)通輔助晶閘管TA，TA零電壓開通，TMb大部分電流被轉(zhuǎn)移到KMb和TA支路上。最后，控制系統(tǒng)撤除TMb的觸發(fā)信號，10ms內(nèi)，TMb電流過零自然關(guān)斷。流過TMb的電流全部被轉(zhuǎn)移到KMb和TA支路上。

（4）5時(shí)刻，控制系統(tǒng)下發(fā)指令關(guān)斷Sb。首先，控制系統(tǒng)檢測到流過Sb的瞬時(shí)電流為零時(shí)，觸發(fā)導(dǎo)通TMb，TMb零電流開通。然后控制系統(tǒng)撤除TA的觸發(fā)信號，TA電流過零自然關(guān)斷后再斷開KMb，流過KMb和TA支路的電流全部被轉(zhuǎn)移到TMb支路上。最后，控制系統(tǒng)撤除TMa的觸發(fā)信號，10ms內(nèi)，TMb電流過零自然關(guān)斷。6時(shí)刻，Sb完全斷開。

由上述分析可知，復(fù)合開關(guān)利用晶閘管閥組，精確控制分合閘時(shí)間，保證Sa和Sb的可靠動作。復(fù)合開關(guān)的所有開關(guān)器件都可實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，有效避免了開關(guān)動作過程中的過電壓與過電流。由于高壓接觸器閉合和斷開過程都沒有電流，其電氣壽命得以延長。另一方面，當(dāng)復(fù)合開關(guān)處于開通穩(wěn)態(tài)時(shí)，列車牽引電流流過高壓接觸器和輔助晶閘管支路。由于高壓接觸器導(dǎo)通電阻很小，其通態(tài)損耗相對于晶閘管閥組也很小。因此，復(fù)合開關(guān)結(jié)構(gòu)可以顯著降低系統(tǒng)正常工作時(shí)的損耗，使得系統(tǒng)可以避免使用水冷或者強(qiáng)迫風(fēng)冷進(jìn)行散熱，并減小了自然散熱所需散熱器的體積。

2.3 高壓接觸器組合結(jié)構(gòu)分析

高壓接觸器壽命相對較短，且存在拒動的可能，因此系統(tǒng)采用了如圖4所示的兩并兩串的結(jié)構(gòu)增加KMa和KMb的動作可靠性。其中，KMa和KMb的4個(gè)高壓接觸器交替閉合、斷開，每次只動作1個(gè)高壓接觸器，其相應(yīng)的開關(guān)狀態(tài)和動作邏輯見 表1。

表1 高壓接觸器組合結(jié)構(gòu)開關(guān)狀態(tài)和動作邏輯表

Tab.1 Status and action logic of high-voltage contactors

以KMa為例，假設(shè)上一個(gè)狀態(tài)為狀態(tài)1，KMa1和KMa3閉合，KMa2、KMa4斷開，KMa處于閉合狀態(tài)。如果控制系統(tǒng)下發(fā)指令斷開KMa，則斷開KMa1，KMa隨之關(guān)斷，狀態(tài)跳轉(zhuǎn)到狀態(tài)2。如果系統(tǒng)檢測到KMa1拒斷，則斷開KMa3，從而保證KMa的可靠斷開。假設(shè)上一個(gè)狀態(tài)為狀態(tài)2，KMa3閉合，KMa1、KMa2、KMa4斷開，KMa處于斷開狀態(tài)。如果控制系統(tǒng)下發(fā)指令閉合KMa，則閉合KMa2，KMa隨之閉合，狀態(tài)跳轉(zhuǎn)到狀態(tài)3。如果系統(tǒng)檢測到KMa2拒合，則閉合KMa1，從而保證KMa的可靠閉合。

KMa和KMb的狀態(tài)在狀態(tài)1～8之間循環(huán)變化，各個(gè)接觸器相互備份且輪換工作。該高壓接觸器組合結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)在增強(qiáng)復(fù)合開關(guān)動作可靠性的同時(shí)，也可顯著提升其理論使用壽命。

2.4 輔助晶閘管工作特性分析

輔助晶閘管閥組TA由兩個(gè)反并聯(lián)的晶閘管構(gòu)成，從而實(shí)現(xiàn)電流雙向流動，沒有設(shè)置冗余。這是由于其開通關(guān)斷過程均為軟開關(guān)，且晶閘管本身可靠性較高，TA出現(xiàn)故障的概率較小。另一方面，在地面自動過分相裝置運(yùn)行過程中，電壓應(yīng)力主要由高壓接觸器和串聯(lián)晶閘管閥組承擔(dān)，TA的電壓應(yīng)力基本為零，因此無需采用晶閘管串聯(lián)的結(jié)構(gòu)。

輔助晶閘管閥組TA的作用主要是利用晶閘管的電流過零自然關(guān)斷特性，有效避免了開關(guān)動作過程中可能存在的過電壓、過電流以及拉弧等問題，并且實(shí)現(xiàn)高壓接觸器的零電流閉合和斷開，從而增強(qiáng)高壓接觸器的可靠性并延長其電氣壽命。

綜上，串聯(lián)晶閘管閥組、高壓接觸器和輔助晶閘管相互配合，在降低整體損耗的同時(shí)也提高了復(fù)合開關(guān)的可靠性。

3 復(fù)合開關(guān)損耗分析

為驗(yàn)證復(fù)合開關(guān)在降低整體損耗方面的優(yōu)越性，本節(jié)以神朔鐵路南梁牽引變電所的地面自動過分相裝置為例，對各部分開關(guān)損耗進(jìn)行定量計(jì)算。

HXD1型電力機(jī)車是神朔鐵路主要采用的車型之一，其額定牽引功率T=9.6MW?？紤]三機(jī)牽引模式，即一趟列車有3個(gè)電力機(jī)車同時(shí)從接觸網(wǎng)取流，牽引變電所出口處的額定電壓R=27.5kV，則列車的額定牽引電流為

神朔鐵路南梁牽引變電所出口處的電分相中性區(qū)長度≈1.3km。假設(shè)列車以最大運(yùn)行速度max= 90km/h通過中性區(qū)，則地面自動過分相裝置的最短工作時(shí)間為

3.1 晶閘管功率損耗分析

綜合考慮電氣化鐵路牽引系統(tǒng)的供電電壓以及牽引功率，本文采用的晶閘管為中國中車生產(chǎn)的KPB1800-65，其主要參數(shù)見表2。

在計(jì)算晶閘管損耗時(shí)，可將其等效為一個(gè)電壓源和一個(gè)內(nèi)阻串聯(lián)。單個(gè)晶閘管的損耗計(jì)算功率經(jīng)驗(yàn)公式為

表2 KPB1800-65的主要參數(shù)

Tab.2 Key parameters of KPB1800-65

式中，TAV為流過晶閘管的正向平均電流；TRMS為流過晶閘管電流的有效值[22]。由于晶閘管具有單向?qū)щ娦?，每個(gè)晶閘管在一個(gè)工頻周期內(nèi)工作時(shí)間均為/2，由此晶閘管正向平均電流TAV和電流有效值TRMS與列車額定牽引電流R的關(guān)系為

3.2 高壓接觸器功率損耗分析

由于牽引網(wǎng)電壓頻率較低，忽略交變磁場作用在電磁系統(tǒng)中產(chǎn)生的渦流損耗和磁滯損耗，則高壓接觸器的損耗主要由兩部分構(gòu)成：一部分是牽引電流流經(jīng)主回路電阻帶來的主回路損耗；另一部分是維持接觸器閉合所需要的電磁系統(tǒng)保持功率[23]。

本文選用的是無錫市凱馳電氣有限公司研發(fā)生產(chǎn)的KCC18系列真空接觸器，其實(shí)物如圖6所示。該系列真空接觸器是為高鐵線路過分相定制的特殊用途機(jī)型，適用于額定電壓為35kV及以下、頻率為50～60Hz、額定電流為2kA及以下交流系統(tǒng)中需要大量分、合閘循環(huán)操作的場合。該真空接觸器工作在額定電流時(shí)的機(jī)械壽命（合/分循環(huán)）為30萬次。假設(shè)神朔鐵路貨運(yùn)列車的平均發(fā)車間隔= 10min。若地面自動過分相裝置采用單個(gè)真空接觸器，則其每小時(shí)合/分閘次數(shù)為6次。然而，采用復(fù)合開關(guān)結(jié)構(gòu)后，其中每個(gè)真空接觸器每小時(shí)的等效合/分閘次數(shù)降低為1.5次。此外，如2.2節(jié)所述，真空接觸器在閉合和斷開過程中均沒有電流，因此復(fù)合開關(guān)的理論使用壽命得到顯著提升。

KCC18系列接觸器的主回路接觸電阻k≤100mW，啟動功率s＜3.3kW，保持功率h＜30W。由于接觸器動作時(shí)間相對于重載列車過分相的時(shí)間很短，其啟動帶來的損耗可以忽略不計(jì)。因此，在計(jì)算接觸器功率損耗時(shí)，僅考慮主電路電阻引起的損耗功率r和電磁系統(tǒng)保持功率h，則單個(gè)接觸器的損耗計(jì)算功率為

圖6 地面自動過分相裝置中的KCC18系列真空接觸器

式中，KRMS為流過接觸器電流的有效值。易知

3.3 傳統(tǒng)基于電子開關(guān)方案損耗計(jì)算

考慮電子開關(guān)的電壓、電流應(yīng)力后，圖3所示Sa和Sb分別由28個(gè)反并聯(lián)的晶閘管單元串聯(lián)構(gòu)成，地面自動過分相裝置中的晶閘管閥組如圖7所示。

圖7 地面自動過分相裝置中的晶閘管閥組

當(dāng)電力機(jī)車行駛在中性區(qū)內(nèi)時(shí)，無論是Sa導(dǎo)通還是Sb導(dǎo)通，總有28個(gè)晶閘管導(dǎo)通，因此根據(jù)式（2）～式（4），傳統(tǒng)基于電子開關(guān)的地面自動過分相方案中晶閘管閥組總的損耗能量為

則采用傳統(tǒng)基于電子開關(guān)的地面自動過分相系統(tǒng)的最小平均損耗功率為

3.4 基于復(fù)合開關(guān)方案損耗計(jì)算

采用本文所提復(fù)合開關(guān)后，列車牽引電流主要流過高壓接觸器和輔助晶閘管支路，串聯(lián)晶閘管閥組導(dǎo)通時(shí)間很短，其導(dǎo)通損耗可忽略不計(jì)。又由于所有開關(guān)器件均可實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，因此復(fù)合開關(guān)的實(shí)際損耗即為高壓接觸器和輔助晶閘管的導(dǎo)通損耗。由于高壓接觸器采用了兩并兩串的結(jié)構(gòu)，當(dāng)電力機(jī)車行駛在中性區(qū)內(nèi)時(shí)，無論是Sa導(dǎo)通還是Sb導(dǎo)通，總有兩個(gè)高壓接觸器和一個(gè)晶閘管導(dǎo)通。因此，復(fù)合開關(guān)的總損耗能量可近似計(jì)算為

同樣可計(jì)算采用復(fù)合開關(guān)后地面自動過分相系統(tǒng)的最小平均損耗功率為

對比式（8）和式（10）可知，采用復(fù)合開關(guān)后，開關(guān)的損耗功率可降低為原來的4.5%。因此，復(fù)合開關(guān)可以顯著降低地面自動過分相裝置的整體損耗。復(fù)合開關(guān)無需增加額外的散熱裝置，采用自然散熱的方式即可滿足散熱需求。復(fù)合開關(guān)不僅增強(qiáng)了系統(tǒng)可靠性，也明顯減小了散熱器的體積。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

基于復(fù)合開關(guān)的地面自動過分相裝置如圖8所示，本文所提基于復(fù)合開關(guān)的地面自動過分相裝置已在神朔鐵路南梁牽引變電所安裝并得到了列車實(shí)際運(yùn)行的驗(yàn)證。需要說明的是，由于一種新型基于牽引網(wǎng)電壓電流信息的列車受電弓直接定位方法的應(yīng)用，南梁牽引變電所出口處的中性區(qū)由1.3km縮短至220m，列車過分相的時(shí)間也明顯縮短[20]。盡管如此，這并不影響對本文所提基于復(fù)合開關(guān)的地面自動過分相裝置工作效果的驗(yàn)證。

此外，本文所提基于復(fù)合開關(guān)的地面自動過分相裝置的尺寸為15.08m×3.24m×3.1m，其總體積約為151.5m3。但是該裝置中還集成了額外的消弧電源系統(tǒng)，用以抑制列車受電弓進(jìn)入中性區(qū)時(shí)弓網(wǎng)接觸變換產(chǎn)生的電弧，減輕受電弓的磨損和接觸網(wǎng)的燒蝕。消弧電源系統(tǒng)約占總體積的1/3。因此，除消弧電源系統(tǒng)外，地面自動過分相裝置的體積約為101m3。圖9所示為一套安裝在神朔鐵路橋頭牽引變電所的基于傳統(tǒng)電子開關(guān)的地面自動過分相系統(tǒng)。該系統(tǒng)由兩個(gè)集裝箱和一系列戶外設(shè)備構(gòu)成。每個(gè)集裝箱內(nèi)含有一個(gè)高壓晶閘管閥組，采用了強(qiáng)迫風(fēng)冷加空調(diào)冷卻，每個(gè)集裝箱的尺寸為5.5m× 2.438m×2.896m，因此僅兩個(gè)集裝箱的總體積為77.7m3。另外，該系統(tǒng)的高壓斷路器、高壓隔離開關(guān)、電壓電流互感器、避雷器以及中性區(qū)阻尼裝置等設(shè)備都在戶外，占地面積很大。所以相比之下，基于復(fù)合開關(guān)的地面自動過分相裝置在體積上更具優(yōu)勢。

圖8 基于復(fù)合開關(guān)的地面自動過分相裝置

圖9 基于傳統(tǒng)電子開關(guān)的地面自動過分相系統(tǒng)

4.1 中性區(qū)電壓切換

首先，圖10所示為一趟3+0編組的列車按圖3所示結(jié)構(gòu)從左往右行駛過分相時(shí)中性區(qū)電壓變化過程。值得一提的是，中性區(qū)內(nèi)沒有列車時(shí)，由于兩個(gè)晶閘管閥組TMa和TMb靜態(tài)均壓阻抗的分壓作用，中性區(qū)電壓并不為零。如圖10a所示，當(dāng)列車第一個(gè)受電弓達(dá)到左側(cè)錨段關(guān)節(jié)，即將駛?cè)胫行詤^(qū)時(shí)，經(jīng)歷短暫的不穩(wěn)定搭接后，在=0.570s時(shí)刻，復(fù)合開關(guān)Sa被開通，中性區(qū)電壓n等于A相供電臂電壓a，列車帶A相電繼續(xù)行駛進(jìn)入中性區(qū)。

然后，如圖10b所示，當(dāng)列車所有受電弓都進(jìn)入中性區(qū)后，=15.803s時(shí)，Sa的觸發(fā)脈沖被撤除。Sa在電流過零時(shí)，即=15.806s時(shí)刻，自然關(guān)斷（HXD1型電力機(jī)車一般工作在單位功率因數(shù)，電壓和電流基本同相位，電壓過零即意味著電流過零）。隨后中性區(qū)短暫失電，在=15.813s時(shí)刻，復(fù)合開關(guān)Sb被開通。中性區(qū)電壓n等于B相供電臂電壓b，列車帶B相電繼續(xù)向前行駛?？梢?，采用這種基于復(fù)合開關(guān)的地面自動過分相之后，列車過分相時(shí)的失電時(shí)間僅為7ms左右。

最后，當(dāng)列車所有受電弓都駛離中性區(qū)后，如圖10c所示，=35.353s時(shí)刻，Sb被關(guān)斷。隨后，中性區(qū)恢復(fù)到不帶電狀態(tài)。列車順利完成帶電過分相。

4.2 復(fù)合開關(guān)工作時(shí)序

列車進(jìn)入中性區(qū)時(shí)需要開通復(fù)合開關(guān)Sa，其具體的工作時(shí)序如圖11所示。首先在=0.570s時(shí)，同時(shí)觸發(fā)導(dǎo)通晶閘管閥組TMa并閉合高壓接觸器組合KMa。在此之前，高壓接觸器KMa2、KMa3、KMa4斷開，KMa1閉合，KMa處于表1所示狀態(tài)8斷開狀態(tài)。65ms后，=0.635s時(shí)，KMa3零電流閉合，KMa跳轉(zhuǎn)到狀態(tài)1閉合狀態(tài)。隨后，在=0.687s時(shí)，觸發(fā)導(dǎo)通輔助晶閘管TA。最后，=0.708s時(shí)，TMa的觸發(fā)信號被撤除。當(dāng)TMa電流過零自然關(guān)斷后，列車牽引電流完全被轉(zhuǎn)移到輔助支路中。復(fù)合開關(guān)Sa進(jìn)入開通穩(wěn)態(tài)。

圖11 列車進(jìn)入中性區(qū)時(shí)復(fù)合開關(guān)Sa的工作時(shí)序

相應(yīng)地，中性區(qū)電壓切換時(shí)復(fù)合開關(guān)Sa和Sb的工作時(shí)序如圖12所示。在關(guān)斷Sa前，晶閘管閥組TMa在=15.627s時(shí)先被觸發(fā)導(dǎo)通，輔助晶閘管TA的觸發(fā)信號被撤除，并在電流過零后自然關(guān)斷。KMa1在=15.730s時(shí)零電流斷開。KMa跳轉(zhuǎn)到狀態(tài)2斷開狀態(tài)。隨后，=15.803s時(shí)，TMa的觸發(fā)信號被撤除。當(dāng)TMa電流過零時(shí)自然關(guān)斷，Sa進(jìn)入關(guān)斷穩(wěn)態(tài)。

開通復(fù)合開關(guān)Sb時(shí)，首先在=15.813s時(shí)同時(shí)觸發(fā)導(dǎo)通晶閘管閥組TMb并閉合高壓接觸器組合KMb。在此之前，高壓接觸器KMb1、KMb2、KMb4斷開，KMb3閉合，KMb處于狀態(tài)2斷開狀態(tài)。105ms后，=15.918s時(shí)，KMb2零電流閉合，KMb跳轉(zhuǎn)到狀態(tài)3閉合狀態(tài)。隨后，在=15.969s時(shí)，觸發(fā)導(dǎo)通輔助晶閘管TA。最后，=15.989s時(shí)，TMb的觸發(fā)信號被撤除。當(dāng)TMb電流過零自然關(guān)斷后，復(fù)合開關(guān)Sb進(jìn)入開通穩(wěn)態(tài)。

圖12 中性區(qū)電壓切換時(shí)復(fù)合開關(guān)Sa和Sb的工作時(shí)序

當(dāng)列車所有受電弓都駛離中性區(qū)后，Sb的關(guān)斷過程如圖13所示。首先在=35.223s時(shí)，晶閘管閥組TMb被觸發(fā)導(dǎo)通，輔助晶閘管TA觸發(fā)信號被撤除，并在電流過零時(shí)自然關(guān)斷。KMb3在=35.301s時(shí)零電流斷開。KMb跳轉(zhuǎn)到狀態(tài)4斷開狀態(tài)。隨后，在=35.353s時(shí)刻，TMb的觸發(fā)信號被撤除。TMb在電流過零時(shí)自然關(guān)斷，Sb進(jìn)入關(guān)斷穩(wěn)態(tài)。

圖13 列車駛離中性區(qū)后復(fù)合開關(guān)Sb的工作時(shí)序

此后，地面自動過分相裝置進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，等待下一輛列車過分相。

由上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可知，復(fù)合開關(guān)利用晶閘管閥組TMa和TMb進(jìn)行中性區(qū)電壓的切換，但其導(dǎo)通時(shí)間很短。復(fù)合開關(guān)處于開通穩(wěn)態(tài)時(shí)，列車的牽引電流主要流過由高壓接觸器和輔助晶閘管構(gòu)成的支路，因此導(dǎo)通損耗被顯著降低。此外，組合高壓接觸器每次只動作一個(gè)，其狀態(tài)按照表1在狀態(tài)1～8之間循環(huán)切換。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析吻合。

5 結(jié)論

針對重載鐵路長分相情況下，傳統(tǒng)地面自動過分相裝置中電子開關(guān)損耗較大，需要增加輔助散熱裝置，本文提出一種基于復(fù)合開關(guān)的地面自動過分相裝置。復(fù)合開關(guān)由晶閘管閥組和高壓接觸器組成；一方面，復(fù)合開關(guān)利用晶閘管電流過零自然關(guān)斷和開通時(shí)間準(zhǔn)確可控的特性進(jìn)行中性區(qū)電壓的切換，避免開關(guān)過程中的過電壓、過電流以及電弧等問題，并保證高壓接觸器在閉合和斷開過程中都沒有電流，從而延長其電氣壽命；另一方面，當(dāng)復(fù)合開關(guān)進(jìn)入開通穩(wěn)態(tài)后，列車牽引電流流過高壓接觸器和輔助晶閘管構(gòu)成的輔助支路，利用高壓接觸器低導(dǎo)通損耗特性降低開關(guān)的總損耗，避免增加額外的散熱裝置，并減小自然散熱所需散熱器的體積。此外，高壓接觸器采用兩并兩串的組合結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步保證了復(fù)合開關(guān)的可靠性。本文所提基于復(fù)合開關(guān)的地面自動過分相裝置在實(shí)現(xiàn)列車幾乎無速度損失過分相的同時(shí)，降低了系統(tǒng)損耗，增強(qiáng)了系統(tǒng)可靠性，有利于高速重載鐵路的發(fā)展并提高其綜合 效益。

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A Ground Auto-Passing Neutral Section Device Based on Combination Switches for AC Electrified Railway

（School of Electrical Engineering Beijing Jiaotong University Beijing 100044 China）

The development of high-speed and heavy-haul railways is restricted to a certain extent due to the existence of neutral sections in AC electrified railways. For this reason, many ground auto-passing neutral section schemes have been put forward recently. With simple structure and low cost, the ground auto-passing neutral section devices based on electronic switches are widely applied. However, for the long neutral sections in the heavy-haul railway, long operation time of electronic switches will produce large losses, and an extra cooling device is needed, which reduces the system reliability. This paper proposes a ground auto-passing neutral section device based on the combination switch for the heavy-haul railway. The combination structure of thyristors and high-voltage contactors is adopted. It helps to make the train pass the neutral section with power supply while greatly reducing the overall loss of switches. The combination switch adopts natural cooling to meet the heat dissipation requirements, and no additional heat dissipation device is needed, which enhances the system reliability. The working principle and the characteristics of the proposed ground auto-passing neutral section device and the combination switch are analyzed in detail. The switch loss is quantitatively calculated and compared. The feasibility and the effectiveness of the combination switch are verified by the experimental results of the ground auto-passing neutral section device at the Nanliang traction substation of Shenshuo railway.

Auto-passing neutral section, heavy-haul railway, combination switches, thyristor, high-voltage contactor, loss of switches

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.210518

U223.5

臺達(dá)電力電子科教發(fā)展計(jì)劃青年資助項(xiàng)目（DREG2021008）。

2021-04-15

2021-06-07

張 智 男，1994年生，博士研究生，研究方向?yàn)镈C-DC變換器、軟開關(guān)技術(shù)以及電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)。E-mail: zzhang@bjtu.edu.cn

李 凱 男，1988年生，講師，研究方向?yàn)殡娏﹄娮幼儔浩?、模塊化多電平變換器以及電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)。E-mail: kaili@bjtu.edu.cn（通信作者）

（編輯 陳 誠）