新型地面自動過分相技術研究

李艷軍

（廣西鐵路投資集團有限公司，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亭處設置一段兩端都有電氣分段的接觸網，即中性段（或電分相）。中性段由中性區、兩端錨段關節組成。中性段隔離了同一條線路兩個相鄰的具有不同標稱電壓或相位的電氣區段。由于中性區接觸網本身不帶電，列車通過時，車載設備或地面裝置需要進行特殊的操作。

目前我國電氣化鐵路多采用車載設備斷電過分相方式，此種方式主牽引系統斷電，機車牽引出力降為零。所以列車在電分相區間內會有速度損失，列車牽引供電系統會出現沖擊過電壓等問題。與車載設備斷電過分相方式相比，地面不斷電自動過分相技術運用電力開關使列車在中性區持續帶電，雖然可以消除前者不足，但由于該技術均采用機械開關作為主執行機構，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(晶閘管閥組)作為開關切換的執行機構，利用其壽命長、開關柔性無電弧的特點，實現機車不退級帶電且保持牽引力和不減速通過電分相區。同時提出機車位置檢測新方法，該方法不依賴任何地面位置信息、不在接觸網加裝任何傳感器，采用全新的檢測手段準確定位受電弓位置，從而在合適的時間觸發相應的電子開關動作。

1 系統構成

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）復合開關：Swich A、Swich B為由普通機械開關與晶閘管組成的復合開關，用于本裝置對中性區進行供電。復合開關動作時，晶閘管先觸發導通，機械開關在晶閘管導通后在零電壓下進行分合動作，機械開關無電弧產生，可提高開關工作壽命。

2）隔離開關：QS1、QS2、QS3、QS4為高壓隔離開關。正常工作時所有隔離開關均處于閉合狀態，裝置檢修時需分斷所有隔離開關。

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，無法正常執行分閘操作，操作QF1、QF2，替代本裝置的分斷功能。

（c）供電網絡出現短路故障時，直接斷開QF1和QF2，保護本裝置不受損壞。

4）避雷器：F1、F2、F3、F4為電力避雷器，實現對本裝置的過壓保護。

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

（a）用于列車受電弓的位置檢測；

（b）用于接觸網過電壓、供電臂接觸網及中性區接觸網對地短路的檢測及保護。

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連接線的電流，CT3、CT4分別采集流過兩根中性區連接線的電流，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。

2 復合開關工作原理

以Swich A為例對復合開關工作原理進行闡述。

2.1 開關合閘過程 當開關收到合閘命令后機械開關KMa、晶閘管閥組TMa和輔助晶閘管TA同時進行合閘動作，即合KMa、觸發TMa、觸發TA。由于晶閘管閥組TMa動作速度快，先導通，因此可避免機械開關閉合時的預擊穿燒蝕。復合開關合閘過程狀態分別見圖2（a）、圖2（b和圖2（c））。

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

2）如圖2（b）所示，KMa合閘完成后，輔助晶閘管TA滿足正向觸發條件，同時具有觸發脈沖，隨之正常導通，此時中性區由晶閘管TMa和機械開關KMa兩支并聯回路同時供電。

3)如圖2（c）所示，晶閘管閥組TMa觸發導通后，一直保持周期觸發脈沖，當檢測到KMa合閘完成后，停止發出“觸發TMa”的控制命令，晶閘管閥TMa在電流過零后自然關斷，中性區完全由機械開關供電。

2.2 開關分閘過程 當開關收到分閘命令后機械開關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TMa、停止觸發TA。機械開關在晶閘管閥組TMa導通后才分閘，此時機械開關兩端電壓為零，不會產生分閘電弧，因此可避免機械開關分閘時的電弧燒蝕。復合開關分閘過程狀態分別見圖3（a）、圖3（b和圖3（c））。

1）如圖3（a）所示，觸發TMa、停止觸發TA的命令同時發出，TA在觸發命令停止后，當電流自然過零時，TA關斷。

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

3）如圖3（c）所示，待檢測到KMa完全分閘后，停止TMa觸發脈沖，晶閘管閥TMa在電流過零后自然關斷，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）列車進分相區前：即機車受電弓在未進入分相區錨段關節前，機車一直由饋線供電，新型地面自動過分相裝置處于等待狀態。

2）列車進分相區：機車受電弓進入錨段關節，當受電弓運行于饋線接觸網與中性線等高點時，受電弓同時與饋線接觸網與中性線接觸，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，當與PT1相等時即判定機車進入中性區，開始過分相過程。

當識別到列車進入分相區后，立刻閉合Swich A，使得中性區通過Swich A仍然由饋線B供電。

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

當CT3/CT4電流比值為1時，即受電弓到兩個上網點的阻抗值完全相等，可以看作機車運行到中性區的中點位置。此時發出斷開Swich A的命令，在Swich A斷開后再發出Swich B合閘命令，使中性區轉換為帶饋線A的電。

中性區切換過程中，裝置可在任意角度上斷開前序開關，撤除TA觸發脈沖后，晶閘管在電流自然過零后關斷，不會產生電壓電流突變。但是對機車而言，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，會導致列車產生較大的沖擊電流，影響設備或機車的安全運行。本裝置選擇的切換角度參數為72°，切換間隔5 ms。

4）列車出分相區：當列車運行到出分相處饋線接觸網與中性線等高點處，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向饋線轉移，此時CT2/CT3/CT4/CT5發生變化。變化趨勢為CT2逐漸增大，CT3/CT4/CT5逐漸減小，當CT3/CT4/CT5變為0，CT2不再增大時，判斷列車駛出分相區，此時發出斷開Swich B的命令，使得中性區不帶電，恢復到等待下一次列車過分相狀態。

4 裝置試驗分析

本裝置應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電力機車雙機重聯方式，牽引重載貨運列車。機車在通過電分相區時不降弓、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為機車在通過電分相區時，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，中性區帶A相電，機車正常工作取流，當機車運行到中性區中點時，地面自動過分相裝置切換動作，中性區電壓從A相切換到B相，瞬間失電時間6.4 ms，由于失電時間極短，對機車的平穩運行幾乎沒有影響，機車能夠保持大功率牽引出力通過分相區域。

圖4 新型地面自動過分相裝置現場試驗波形圖

5 結論

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