高速鐵路動車組不斷電過分相技術研究

摘要：文章介紹了一種用于高速鐵路動車組不斷電過分相技術。該技術基于先進的電力電子技術，采用大功率晶閘管閥組作為開關裝置，開關過程對動車組及接觸網無電壓電流沖擊，動車組在過電分相時不失電，避免了現有車載斷電過分相方式中存在的退級降速-重合閘增流加速過程問題，提高了高速鐵路運行效率。

關鍵詞：電氣化鐵路;電分相;晶閘管;不斷電

0 引言

我國高速鐵路采用50 Hz單相交流牽引供電網對動車組進行供電，受限于變壓器供電范圍，往往將整條高速鐵路的牽引供電網分割為若干段，由多臺變壓器對牽引網供電。為了避免同變壓器相間短路或者不同變壓器間短路，通常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，即電分相。由于中性區接觸網本身不帶電，動車組列車通過電分相時，需采取特殊操作通過該段無電區域。

目前我國高速鐵路動車組均采用車載設備斷電過分相方式，即動車組在進入電分相前牽引變流器逐漸降流至零，然后斷開主斷路器，使動車組與牽引網的電氣連接斷開，輔助供電系統由電池供電，或者由牽引變流器再生制動供電，維持動車組空調、照明系統用電。由于在電分相區間內動車組無電，只能以慣性劃過，所以動車組在電分相及附近區域內只能以較低的運行速度通過，影響運行效率。另外，動車組出分相后的加速過程中，牽引功率需求高，對牽引供電網的沖擊也較大。

本文擬采用一種新型地面自動過分相裝置，使得動車組列車在通過電分相區域時持續帶電保持牽引力，保證列車不減速通過電分相區。

1 系統構成

圖1為新型地面自動過分相裝置主接線圖，主要部件的功能如下：

（1）晶閘管閥組：TMa、TMb由多個晶閘管串聯組成，用于本裝置對中性區進行供電。開關動作時，晶閘管先觸發導通，整個過程中無電弧、沖擊產生，由此大大提高開關的工作壽命。

（2）斷路器：QF1、QF2為高壓斷路器。正常工作時，QF1和QF2閉合;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;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。

（3）電壓互感器：PT1、PT2、PT3、PT4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;PT4為檢壓器的一部分，用于列車位置判斷。

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

2 晶閘管閥體設計

考慮開行CRH380型動車組16輛編組使用，其中CRH380AL型號最大功率為21 560 kVA，最大電流為784 A。

（1）供電電流按照800 A（有效值）來計算，流過晶閘管的最大通態平均電流為：

考慮1.5～2倍系數，晶閘管通態平均電流IT（AV）>（540～720 ）A。

（2）工作電壓：持續工作最高電壓為31.5 kV（rms）;瞬時峰值為60 kV。

由于單只晶閘管耐壓等級有限，選用6 500 V耐壓的晶閘管，需多只串聯使用，串聯層數計算過程如下：

取整數得nT=21。

考慮一定數量備用層數，取總層數為24。電壓安全系數為：

3 地面自動過分相裝置工作原理

根據動車組通過電分相區域的空間順序，地面自動過分相裝置的工作狀態可分為：等待、開關投入、開關切換、出清復歸等四種狀態。本文按照地面自動過分相裝置的四種工作狀態，對原理進行說明。

3.1 狀態1：等待

動車組進分相區前，機車受電弓在電分相區錨段關節前，機車一直由饋線供電，地面自動過分相裝置處于等待狀態。裝置通過CT1監測動車組在本段供電臂上的運行狀態，根據電流特征判斷動車組型號、運行速度、距電分相區距離（見圖2）。

3.2 狀態2：開關投入

動車組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區接觸網接觸，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。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。

當識別到動車組進入分相區后，立刻觸發TMa，使晶閘管閥組TMa導通，使得中性區通過TMa仍然由饋線B供電（見圖3）。

3.3 狀態3：開關切換

動車組在中性區運行，通過地面過分相裝置給動車組供電。當動車組受電弓運行到檢壓器安裝位置時，檢壓器通過動車組受電弓與中性區接觸網相通，此時檢壓器與中性區接觸網等電位。地面自動過分相裝置通過識別PT4的變化，當與PT2相等時即判定動車組到達開關切換點位置。此時發出斷開TMa的命令，在TMa撤掉觸發脈沖，電流過零自然關斷后，再發出TMb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TMa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。但是對動車組而言，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°，切換間隔為5 ms（見圖4）。

3.4 狀態4：出清復歸

當動車組駛出電分相區，動車組恢復由饋線A供電，CT3電流變為0，此時發出斷開TMb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（見圖5）。

4 裝置試驗分析

本裝置應用于既有線路，機車在通過電分相區時不降弓、不斷主斷路器、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。

如圖6所示，列車從饋線B供電區域進入電分相區域，當受電弓在錨段關節等高點時，中性區電壓通過受電弓與饋線B電壓等電位，待TMa合閘完成后，機車電流逐漸從饋線B轉移到中性區，待機車駛出錨段關節后，完全通過TMa給機車供電。

圖7為機車在電分相中性區開關切換點附近運行時的供電波形圖。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，瞬間失電時間為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8為機車在駛出電分相區時，地面過分相裝置工作波形圖。由圖形可以看出，機車從電分相區域駛入饋線A供電區域，機車電流也逐漸從中性區供電轉移到饋線A供電，但機車總電流維持穩定。

綜合圖6～8可知，列車在整個電分相區域均獲得持續的供電電流，僅在地面自動過分相裝置切換時短暫失電6.4 ms，但對機車連續運行無影響，從而證明不斷電過分相技術的有效性。

5 結語

本文提出的高速鐵路動車組不斷電過分相技術，能夠有效解決現階段動車組在過電分相時運行速度降低的問題，能夠有效提升高速鐵路運行效率。

本文所述的高速鐵路動車組不斷電過分相技術已在既有線路上驗證了原理的有效性，下一階段需要進行進一步的試驗，驗證對全路運行的電力機車、電力動車組不斷電過分相的有效性。

參考文獻：

[1]冉 旺.基于電流信息的列車不斷電過分相技術研究[D].北京：北京交通大學，2014.

[2]劉 冰.電子開關實現帶電自動過分相的研究[D].北京：北京交通大學，2011.

[3]羅文驥，謝 冰.電氣化鐵道地面帶電自動過分相系統技術的研究與應用[J].鐵道機車車輛，2008，28（S1）：27-33.

[4]易 宏，陳 哲.神華HXD1型交流機車地面控制帶電過分相介紹及適應性測試[J].技術與市場，2014，21（5）：98-99.

[5]韓 濤.地面控制自動過分相在神朔線的應用[J].鐵道運營技術，2016，22（3）：36-39.

[6]田 旭，姜齊榮，魏應冬.電氣化鐵路無斷電過分相方案研究[J].電力系統保護與控制，2012，40（21）：14-18.

作者簡介：李艷軍（1986—），工程師，碩士研究生，主要從事電氣化鐵路供電技術研究及電力系統技術研究工作。