電力機車自動過分相技術(shù)分析

王 波 通號（長沙）軌道交通控制技術(shù)有限公司

重載高速軌道交通，牽引供電一般均采用單相交流25 kV電壓等級供電，單一供電臂不能過長，一般不超過20 km（AT供電也不超過40 km），各個供電臂之間必須設(shè)置分相裝置。雖然分相裝置技術(shù)不斷進步，從最初的器件式向關(guān)節(jié)式發(fā)展，從最初的六跨式關(guān)節(jié)、七跨式，直到十一跨式，但所有關(guān)節(jié)都存在中性段問題，機車必須在經(jīng)過中性段時進行斷電通過。這對機車的速度、分相設(shè)置的位置、相關(guān)的信號標識、司乘人員的精力、及其他輔助的設(shè)施等都提出了要求。特別是重載列車，大坡度區(qū)段，曾經(jīng)發(fā)生過列車停在中性區(qū)，請求救援的事件發(fā)生，給正常運輸秩序帶來很大的影響。在市域鐵路中，由于線路曲線半徑較大、速度較慢，很容易發(fā)生機車停留在中性區(qū)的現(xiàn)象。隨著列車速度的提高，為了克服這些問題，采取了一系列技術(shù)措施。

1 早期的自動過分相技術(shù)（裝置）

1.1 地面自動轉(zhuǎn)換電分相裝置

通過軌道電路來控制斷路器S1、S2的斷、合；保持中性段分別與A相段和B相段同相，保證機車通過F1、F2斷口時，可以不斷電通過(如圖1所示)。

圖1 地面轉(zhuǎn)換過電分相結(jié)構(gòu)圖

1.2 柱上式電分相自動轉(zhuǎn)換裝置

和地面自動轉(zhuǎn)換電分相原理基本相同，主要是在支柱的桿頂布置，省去了地面建設(shè)和空間，結(jié)構(gòu)相對簡單。在設(shè)備和結(jié)構(gòu)上是對稱布置的，能夠適應(yīng)正反向行車要求。

1.3 車上式過電分相自動轉(zhuǎn)換裝置

主要是在店里機車控制室及電分相區(qū)域安裝必要的裝置和設(shè)備，以至于不需要人工干預(yù)而實現(xiàn)電力機車自動轉(zhuǎn)換的電分相裝置。主要是地面感應(yīng)器，車載感接收裝置，主電路設(shè)備，控制設(shè)備等自動進行機車主斷路器的斷、合操作。避免了誤操作引起的事故，但存在一定的速度損失。

以上幾種方式，都有不同的創(chuàng)新。有明顯端口的斷路器用半導(dǎo)體開關(guān)及并聯(lián)電路組成的無節(jié)點轉(zhuǎn)換開關(guān)代替。地面位置確認有采用軌道電路方式的，有電磁方式的，隨著現(xiàn)代列控方式的發(fā)展，采用應(yīng)答器、GPS定位或北斗定位等方式都可以實現(xiàn)。通過位置信號，給與司乘人員提示或直接作用于機車的相關(guān)斷路器等電器控制開關(guān)。存在主要問題：還不能實現(xiàn)嚴格意義上的連續(xù)無斷點供電，在中性區(qū)進行換相的過程中，還是存在涌流問題。

2 準同相供電技術(shù)

“接觸網(wǎng)電分相連續(xù)供電系統(tǒng)”為基于大功率電力子變流技術(shù)的四象限變流器，它從接觸網(wǎng)牽引母線取電，通過四象限變流裝置的 PWM技術(shù)，將27.5 kV牽引母線電源通過交-直-交變換，輸出相位、幅值均可調(diào)的電壓給接觸網(wǎng)分相區(qū)的中性段供電，列車通過分相區(qū)期間讓中性區(qū)始終連續(xù)的與兩端的接觸網(wǎng)動態(tài)同相供電，徹底消除以往傳統(tǒng)開關(guān)式換相過程中無法杜絕的杜絕的暫態(tài)過電壓或電弧產(chǎn)生的條件。這種方式實現(xiàn)的列車帶電過分相，不存在開關(guān)有載操作，因而全過程沒有操作過電壓，且全過程供電中，可始終保證電源品質(zhì)符合國家標準。線路試驗證明，在動態(tài)換相換電過程中，列車各典型工況下的工作狀態(tài)完全正常，因而電分相連續(xù)供電系統(tǒng)，可良好匹配和適用各機車類型 (系統(tǒng)裝置組成如圖2所示)。

圖2 接觸網(wǎng)電分相連續(xù)供電系統(tǒng)組成圖

該技術(shù)在長株潭城際鐵路已經(jīng)進行了應(yīng)用，效果良好。

3 基于對稱補償?shù)耐喙╇娂夹g(shù)

為保證電力系統(tǒng)的平衡及電壓質(zhì)量，要求鐵路供電盡量要保證系統(tǒng)三相平衡。變壓器的接線方式由Y/D-11接線，及次邊為三角形平衡接線，對系統(tǒng)影響較小，單變壓器器利用效率較低。或者利用單相接線或V型接線，雖然每個變電所對系統(tǒng)不平衡，但通過三個（3的N倍）變電所依次換相后，可以保證系統(tǒng)的平衡。或者通過Scott接線或Wood Bridge接線方式的三相-兩相平衡變壓器來保證系統(tǒng)三相平衡，但是依然無法取消同一變電所變壓器次邊的兩相之間的分相。

根據(jù)steinmetz電路，對目前的鐵路常用的V/V，YN/D接線方式下的次邊不同相位的兩相分別利用電容、電感正負平衡的補償作用，達到相位一致，從而可以取消變電所出口處的分相裝置。電感和電容的容量相等，平衡電路既不吸收無功也不產(chǎn)生無功（如圖3所示）。

圖3 用于YN/D和V/V牽引變電所的steinmetz電路

該方式無法取消兩個變電所之間的分相裝置。但供電臂的延長增加了事故時的故障范圍。

4 基于電力電子技術(shù)的同相供電

對次邊的另一相采用交-直-交方式，使用電力電子技術(shù)，變換相位及幅值后，保持與另外一相同相，相當(dāng)于兩支饋線并聯(lián)運行。與兩臺變壓器并聯(lián)運行的要求類似。

該種方式對有源逆變器的容量提出了更高的要求。

5 基于電力系統(tǒng)的同相供電

（1）依靠電力系統(tǒng)的直流供電方式，每個牽引變電所使用直-交方式，保證全線的交流為同一相位和幅值，這樣可以取消全線路的所有的分相裝置，實現(xiàn)全線路無分相。

（2）在市域鐵路、城際鐵路及國鐵相對密集的區(qū)域，對同一電力系統(tǒng)，采用市域鐵路、城際鐵路、國鐵各變電所從系統(tǒng)的三相分別取流，保證系統(tǒng)三相基本平衡，各鐵路變電所實現(xiàn)同相供電。

通過對目前牽引供電電分相處，保證機車自動通過分相裝置、技術(shù)及方法的梳理分析，為設(shè)計、施工應(yīng)用提供一個技術(shù)對比參考。但僅僅是從技術(shù)角度的基本原理進行了分析，對其經(jīng)濟可行性，及對次邊補償后，對系統(tǒng)側(cè)的諧波、負序、無功等因素的影響未進行深入討論。隨著列車速度、載重量的提高和增大、司乘人員勞動環(huán)境的改變、技術(shù)的發(fā)展進步和人們對乘車舒適度要求的提高，無分相裝置的同相供電技術(shù)是未來發(fā)展的方向。當(dāng)然新技術(shù)的應(yīng)用還要從電力系統(tǒng)的現(xiàn)狀、具體要求、投資大小、行車組織、牽引供電質(zhì)量的要求等方面進行技術(shù)經(jīng)濟論證和分析。