電氣化鐵路不停電過分相系統對機車影響研究

李海潮，王金全，黃克峰

(陸軍工程大學 國防工程學院，江蘇 南京 210007)

0 引言

我國現在主流的過分相技術是車載自動過分相技術，隨著車速和貨運量的提高，機車采用此方式通過過分相時速度損失嚴重[1]，而不停電過分相技術則可以大大減少機車停電時間，極大地減小車速損失[2]。

日本對于地面過分相技術的研究走在世界前列，而我國目前對地面不停電過分相技術的研究大部分還是停留在研究和試運行階段，但是相關研究的理論成果比較顯著。文獻[3]分析了弓網電弧對機車變壓的影響。文獻[4]就地面自動過分相產生的過電壓現象進行了理論分析。文獻[5]以電力機車頻繁工作在不同工況下，分析了電力機車的電磁暫態過程。文獻[6]指出過分相段的中性線并不是理想的，以七跨關節式電分相結構為例計算了中性段的電壓可達11.85 kV，與實際值僅差2.15%。文獻[2,7-8]對于自動過分相方式下電力機車產生的電磁暫態的原因做了詳細的理論分析和仿真驗證。文獻[9]從現場角度出發，分析了電磁暫態對客運機車的影響。文獻[10]以CRH2機車為模型分析搭建了仿真系統。但是現有文獻主要是針對過分相過程中電磁暫態過程的研究，對于機車的影響缺少系統的分析，而且對機車鎖相環環節的影響分析較少。

本文以地面不停電過分相技術為基礎，對其在過分相時產生的電磁暫態進行了簡要分析；利用PSCAD/EMTDC軟件建立了HXD2動車組的部分模型以及傳統牽引網供電模型，通過實驗仿真驗證了開關的通斷時刻是影響機車電磁暫態的主要原因，強烈的電磁暫態對于機車變流器電壓電流環的影響相當明顯，而且直流側同樣會出現直流電壓下降的現象。

1 不停電過分相系統及對機車運行狀態影響分析

1.1 地面自動過分相裝置

我國目前主要的過分相方式是車載自動過分相。其缺點是要在進入過分相之前關斷車載主斷路器，依靠慣性通過分相區，速度損失嚴重，高速、重載、上坡時缺點更加明顯。而地面自動過分相方式則可以解決此問題。其工作原理如圖1所示，按照由A相切換到B相的運行方向，整個過分相過程可分為以下幾步：

圖3 機車模型

(1)t1時刻，傳感器CG1檢測到機車位置，傳感器發信號給控制裝置，控制斷路器GA閉合，此時中性段帶A相電，但此時開關GA并不流過列車的負載電流。

(2)t2時刻，動車組可以帶電順利進入中性區，GA流過機車負載電流。

(3)t3時刻，動車組已經進入中性區，傳感器CG2傳來位置信號，控制裝置得到信號斷開斷路器GA，機車進入短暫的失電狀態。

(4)t4時刻，GB閉合，列車的負載電流流過GB。

(5)t5時刻，傳感器CG3檢測到機車位置時，斷路器GB已經閉合，此時中性段帶B相電，電力機車順利通過中性線，完成不停電過分相。

(6)t6時刻，機車離開中性區，GB不流過機車負載電流。

(7)t7時刻，傳感器CG4檢測到機車位置并輸出位置信號，確認機車已經離開過分相，斷路器GB斷開。

圖1 地面自動過分相示意圖

1.2 過分相過程對機車影響原理分析

機車采用地面過分相技術通過中性區時，當供電電源從A相切換到B相時，因為A、B兩相的相位相差120°，整個電路因為電路結構的變化產生電磁暫態過程。A相供電時的簡化等效電路圖如圖2所示。

圖2 A相供電時簡化等效電路

其中，Ua為A相電源；Ra為電源和線路總電阻；La為電源和線路總的等效電感；GA為過分相裝置的開關；Lm為機車變壓器電感(忽略漏感)；CT為中性線和機車對地電容的等效對地電容；RL為整流器后側的等效電阻。

開關GA斷開后，開關右側電感和電容會發生電磁震蕩，會產生一個較大的截流過電壓。GB閉合之前，會存在一個短暫的供電死區時間，此供電死區會導致機車四象限整流器直流側的電壓跌落。而且這段時間中性線上并不是理想的無電狀態，這就導致在GB閉合時也會導致電磁暫態產生。根據實際運行經驗，最值得關注的是截流過電壓，其電磁暫態最為嚴重，對機車的安全運行會產生較大影響。而且車載變壓器為感性元件，在GB閉合時鐵芯內往往有剩磁，這會在變壓器中產生勵磁涌流。強烈的電磁暫態對于機車四象限整流器的鎖相環也會產生較大影響，直接影響整流器的正常工作。而在短暫的失電期間，直流側電壓的跌落會影響電力機車電機的工作狀況。

2 機車及過分相裝置建模

2.1 機車PSCAD模型

本文給出一種以HXD2動車組為原型的PSCAD仿真模型，并利用PSCAD搭建了過分相裝置的模型，供電線路模型參考文獻[11]。圖3為機車部分，包括電源和車載變壓器和四象限整流器。

四象限整流器的電流控制技術采用瞬態電流控制[12]。這種控制方式也是目前四象限整流器采用較多的電流控制方式。圖4為四象限整流器的PSCAD的控制策略。

圖4 控制策略仿真

由于四象限整流器的存在，機車的功率因數可以工作在單位功率因數附近，所以在四象限整流器看進去，機車可以近似為一個阻感負載。其中直流側以后的整流器包括電機等效為100 Ω的電阻。

2.2 過分相裝置PSCAD模型

根據前面所介紹的過分相的過程，通過控制開關時序上的通斷來模擬電力機車通過過分相裝置時的電路拓撲結構。圖5為過分相裝置的模型。

圖5 自動過分相裝置示意圖

開關的時序共分為如下幾個過程：

(1)t0時刻，開關TA閉合，即仿真開始時電力機車由A相單獨供電。

(2)t1時刻，開關GA閉合，此時中性線帶A相電，但并不流過車載電流。所以TN處于斷開狀態。

(3)t2時刻，此時開關TN閉合，電力機車的負載電流分別從A相牽引網和中性線流至機車。

(4)t3時刻，此時開關TA斷開，電力機車由中性線供電，此時中性線帶A相電。

(5)t4時刻(t4為一變量，可要探究該變量對電磁暫態的影響)，此時開關GA斷開，機車開始處于失電過程。

(6)t5時刻，此時開關GB閉合，中性線開始帶B相電，電力機車開始由B相供電。

(7)t6時刻，此時開關GB閉合，電力機車受電弓開始同時搭載在中性線和B相牽引網上。

(8)t7時刻，此時開關GB、TN斷開，TB仍處于閉合狀態，電力機車開始只由B相供電網供電。

3 過分相過程對機車的影響

3.1 截流過電壓仿真驗證

根據文獻[13]分析，截流過電壓的大小和開關GA斷開時間有關，圖6和圖7是在不同時刻斷開開關GA的中性線電壓仿真圖。

圖6 GA在電流過零點閉合(4.46 s)

圖7 GA在電流處于電流峰值的時候關斷(4.454 s)

對比兩種工況可知，不同時刻斷開GA會對中性線上的電壓產生不同的影響。在電流過零點的時候斷路器動作幾乎不產生過電壓，電壓最高達到55 kV。而當電流處于峰值的時候斷路器動作產生270 kV左右的過電壓。如果采用真空斷路器，必須采取其他抑制措施。但是對于電力電子開關，尤其是晶閘管來說，當觸發脈沖撤掉以后，在電流過零的時候會自動關斷斷路器，則可以較好地解決截流過電壓的問題。

3.2 對鎖相環的影響

圖8是過分相期間鎖相環的仿真圖。

圖8 鎖相環波形

在過分相裝置開關斷開的時刻，由于出現了強烈的電磁暫態過程，變壓器的電壓幅值和相位都發生了不可預測的變化，同樣也造成了機車鎖相環無法準確地跟蹤網測電壓的情況。

當過分相裝置將B相的開關閉合后，網測電壓趨于穩定，但鎖相環仍然沒能立刻跟蹤網測電流，大約需要0.2 s才能實現鎖相環的無差跟蹤。所以在過分相期間的鎖相問題也是需要解決的。

3.3 對控制環節的影響

機車過分相時，同樣會對電壓電流環產生影響。圖9，圖10所示分別是對電流環和電壓環的影響。

圖9 電流環輸出量的局部放大圖

圖10 電壓環輸出量的變化

由圖9,圖10可知，過分相時網測的電壓波動會對電壓電流環產生影響，而且對電流環和電壓環的影響都需要經過一段時間的才能穩定下來。尤其是對電壓環的影響，因為電流環是電壓環的內部一環，對電壓環的影響更加明顯，電壓環的震蕩產生的比電流環要早，在開關斷開的一刻電壓環所控制的Uab即出現了震蕩，由于電流環出現的震蕩較為劇烈，而且正向和反向幅值較大，因此電壓環出現了兩次較為劇烈的震蕩。在電流環穩定后很快電壓環就穩定下來，說明瞬態電流控制的策略具有較好的動態響應。

3.4 對機車直流側的影響

過分相過程對整流器的直流側的影響將影響到整流器后面的逆變器和電機的影響。圖11是直流側的波形仿真結果。

圖11 直流側電壓的局部放大圖

在開關GA斷開以后，機車處于失電狀態，直流側電壓開始下降。但是在4.61 s開關GB閉合之后，在四象限整流器的控制下，直流的電壓開始恢復至期望值1.6 kV，但是整個過程出現了比較劇烈的電磁震蕩，且穩定下來需要0.3 s左右，和電壓環穩定下來的時間基本相同。

4 結論

通過仿真分析得出，斷路器的開關時間是影響過電壓產生的重要因素。在電流過零點的時候關斷開關產生的過電壓會最小。當電流處于最大值時關斷開關，產生的過電壓可達到過零點關斷開關時的4～5倍。

過分相過程會對整流器的直流側產生影響。直流側電壓會因為中間的供電死區而出現電壓下降的現象。應采取適當措施減小電壓下降。

過分相過程對于鎖相環的影響是明顯的，當交流側的電壓出現震蕩時，鎖相環無法準確的跟蹤交流側電壓的相位。當切換到另外一相供電時，需要經過大概0.15 s才能進入鎖相狀態。過分相時產生的電磁暫態會對四象限整流器的雙閉環控制環節產生影響。電流環作為內環產生的震蕩要晚于電壓環，而穩定要早于電壓環，大概需要0.3 s的時間才能穩定下來。