基于IGBT的地面自動過分相技術研究

武 歡

(遼寧鐵道職業(yè)技術學院，遼寧 錦州 121000)

0 前言

為了保證電網供電質量，一般采用的循環(huán)單相供電的方式，同時就帶來了在換相點產生相間短路的問題。眾所周知，三相交流電兩相短路會產生嚴重的后果，造成車輛和人身危險。故在牽引網中，每隔25～30km距離設置一個分相開關實現電氣隔離[1]，我們稱之為電分相，也就是中性區(qū)段，機車通過這個特殊區(qū)域的過程叫過分相技術。如圖1所示。

圖1 牽引供電系統電分相

現有的自動過分相方法主要有2種：地面自動過分相、車載自動過分相控制。這2種過分相的方案，都存在著利弊，影響機車帶載能力和保持車速，間接對電氣化鐵路造成危害，影響鐵路運輸安全。

1 電氣化鐵路過分相暫態(tài)分析

當電氣機車通過電分相時，弓網系統的電氣特性以及等效電路都會出現變化。因此需要對暫態(tài)現象進行推導。

在進行參數計算前，需要對不停電的前提下假設使用的q1、q2、s1、s2、s3 5個開關進行模擬量控制分析，然后選擇其開合。

如果以列車上行線通過分相區(qū)為例，行車模擬如下由A向B運行：

Tl時刻：地磁感應器1發(fā)現前方有機車，關q1開關，使無電區(qū)帶A相電，相當于其于A供電臂導通；

T2時刻：機車進入過渡位置，關s2開關，機車同時從A供電臂和中性段取流；

T3時刻：當機車通過過渡后，開s1開關，機車僅僅跟中性段接通；

T4時刻：地磁感應器2發(fā)現有機車通過，開q1開關，將中性段與供電臂斷開；

T5時刻：防止短路，稍后關q2開關，將中性段與B供電臂連接起來；

T6時刻：機車駛入新的過渡區(qū)間，關s3開關，導致受電弓與中性段和新供電臂連接；

T7時刻：列車繼續(xù)行駛之后，開q2開關，受電弓與另外接觸線接觸；

T8時刻：機車完全通過電分相以后，q2斷開，過分相完成。

其中截流過電壓：

合閘過電壓：

2 基于IGBT地面自動過分相方案設計

基于IGBT的電力電子器件的選擇以及系統的搭建需要注意幾點：工況下電子元件熱效應，過分相各階段電子開關響應時間，電路導通截止偏移現象，驅動電路，限壓結構，微機保護等相關技術點，由于新型的電力電子器件需要在牽引供電系統中應用，那么必須考慮更多高鐵機車時速、帶載、接觸網、牽引變電所等要素。眾所周知，高鐵接觸網工作電壓27.5kV，電子元件不能承受過高電壓，采取措施降低電壓，合理選型，結構以及驅動電路就非常重要。

基于IGBT地面過分相大致過程如圖下所示。

圖2 進入中間斷電區(qū)

A電源以此類推重復上面過程。

整個自動過分相系統中，機車對電分相的相對位置關系直接決定電力電子開關動作時間和邏輯組合，可以采用常見的電壓檢測模塊。通過電壓檢測信號也就是接觸網的電壓0值，使驅動電路控制電力電子開關的分合，8組IGBT采用串聯連接就能夠使電子開關耐住接觸網27.5kV的高壓，為方便組合，通過多組IGBT反并聯，疏通正負序電流，杜絕零序電流。工作過程大致可以分為8個過程。

高壓側由于需要使用大功率電子器件，考慮接觸網的高壓情況，僅僅采用少量電力電子元件，其耐壓程度遠遠不夠，為了保證牽引網的供電可靠性，防止可能發(fā)生的高壓大電流故障，采用“分壓分流”方法，可以通過并聯分流串聯分壓對電力電子元件進行合理科學的組合。多個IGBT串聯提高其整體耐壓強度，多個IGBT并聯減小其電流沖擊。根據電流電壓關系，IGBT的并聯可以提高線路允許的最大電流，IGBT串聯可以提高線路的耐壓能力。如果僅僅追求提升單個電力電子開關的耐壓和帶載情況，其成本就會大大增加，相對而言，利用簡單的電路原理，科學合理地組合單個電力電子元件就可以起到事半功倍的效果。充分利用IGBT的串并聯，使其適應目前高鐵弓網系統要求，為了使主開關器件承受此等高電壓采用對IGBT模塊進行串、并聯使用。

在機車通過電分相的時候，保證供電可靠性，一般可以采用兩組IGBT聯合動作，使用自鎖和互鎖增加響應速度和可靠性，同時，為了保證電壓檢測效果，以電壓零值為標準，小干擾不動作，只有真正的電壓檢測信號才動作的設計，保證信道暢通。在整個系統中必須快速準確檢測各信號，才能夠在最短的時間內動作減少無電時間。為了保證整個自動過分相安全可靠，需要盡量精確取值，達到毫伏級的測量電路。