一種基于復(fù)合開(kāi)關(guān)的交流電氣化鐵路地面自動(dòng)過(guò)分相裝置

張 智 鄭瓊林 張智博 李 凱 郝瑞祥 游小杰

一種基于復(fù)合開(kāi)關(guān)的交流電氣化鐵路地面自動(dòng)過(guò)分相裝置

張 智 鄭瓊林 張智博 李 凱 郝瑞祥 游小杰

（北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院 北京 100044）

交流電氣化鐵路中電分相的存在一定程度上制約了高速重載鐵路的發(fā)展。為此，許多地面帶電自動(dòng)過(guò)分相方案相繼被提出。基于電子開(kāi)關(guān)的地面自動(dòng)過(guò)分相裝置由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本相對(duì)較低，得到了較為廣泛的應(yīng)用。然而，對(duì)于重載鐵路中的長(zhǎng)分相，電子開(kāi)關(guān)工作時(shí)間長(zhǎng)，損耗較大，需要增加輔助散熱裝置，降低了系統(tǒng)可靠性。該文提出一種應(yīng)用于重載鐵路長(zhǎng)分相的基于復(fù)合開(kāi)關(guān)的地面自動(dòng)過(guò)分相裝置。該裝置采用晶閘管閥組與高壓接觸器組合的結(jié)構(gòu)，在實(shí)現(xiàn)列車(chē)帶電過(guò)分相的同時(shí)，顯著降低了開(kāi)關(guān)的整體損耗。復(fù)合開(kāi)關(guān)采用自然冷卻的方式即可滿(mǎn)足散熱需求，無(wú)需額外的散熱裝置，增強(qiáng)了系統(tǒng)可靠性。該文對(duì)地面自動(dòng)過(guò)分相裝置及復(fù)合開(kāi)關(guān)的工作原理和特性進(jìn)行詳細(xì)分析，并對(duì)開(kāi)關(guān)的損耗進(jìn)行定量計(jì)算與對(duì)比，最后通過(guò)神朔鐵路南梁牽引變電所地面自動(dòng)過(guò)分相裝置的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)復(fù)合開(kāi)關(guān)的工作效果進(jìn)行了驗(yàn)證。

自動(dòng)過(guò)分相 重載鐵路 復(fù)合開(kāi)關(guān) 晶閘管 高壓接觸器 開(kāi)關(guān)損耗

0 引言

為避免牽引負(fù)荷在電網(wǎng)中產(chǎn)生較大負(fù)序電流，影響電能質(zhì)量，傳統(tǒng)交流電氣化鐵路普遍采用單相工頻換相供電方式[1]。電力系統(tǒng)的110kV或220kV電壓經(jīng)過(guò)牽引變電所的牽引變壓器變?yōu)?7.5kV的單相交流電連接到接觸網(wǎng)上[2]。為避免相間短路，線路上每隔20～30km就會(huì)設(shè)置一段兩端都有電氣分段的接觸網(wǎng)，即電分相[3]。常見(jiàn)的電分相由中性區(qū)接觸網(wǎng)以及兩端錨段關(guān)節(jié)組成，主要應(yīng)用在牽引變電所出口處和分區(qū)所處。列車(chē)通過(guò)電分相的過(guò)程被稱(chēng)為過(guò)分相。

目前，我國(guó)普遍采用車(chē)載斷電自動(dòng)過(guò)分相方案[4-5]。列車(chē)在即將進(jìn)入中性區(qū)前，通過(guò)應(yīng)答器[6]得到位置信息，自動(dòng)斷開(kāi)主斷路器。由于中性區(qū)接觸網(wǎng)本身不帶電，列車(chē)將在無(wú)牽引電流的狀態(tài)下依靠慣性滑過(guò)中性區(qū)，因此列車(chē)不可避免地存在速度損失。對(duì)于重載鐵路，有時(shí)候中性區(qū)長(zhǎng)達(dá)一千多米，且可能位于上坡段，導(dǎo)致列車(chē)過(guò)分相時(shí)速度損失很大，甚至停在中性區(qū)[7-8]。另外，受線路分布電感、電容的影響，列車(chē)投切主斷路器時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生過(guò)電壓、過(guò)電流以及電弧[9-11]。這些問(wèn)題嚴(yán)重制約了高速重載鐵路的進(jìn)一步發(fā)展。如何使列車(chē)不失電過(guò)分相仍是電氣化鐵路供電亟待解決的一大難題，為此，國(guó)內(nèi)外許多研究機(jī)構(gòu)陸續(xù)開(kāi)展了中性區(qū)帶電、列車(chē)持續(xù)受流的地面帶電自動(dòng)過(guò)分相技術(shù)的研究[12]。

日本新干線最早采用一種基于機(jī)械開(kāi)關(guān)的地面自動(dòng)過(guò)分相系統(tǒng)，其中，機(jī)械開(kāi)關(guān)采用真空斷路 器[13-14]。基于機(jī)械開(kāi)關(guān)的地面自動(dòng)過(guò)分相系統(tǒng)如圖1所示，CB11和CB21為主開(kāi)關(guān)，CB12和CB22為備用開(kāi)關(guān)。以列車(chē)從左往右行駛為例，當(dāng)列車(chē)行駛到位置CG1時(shí)，開(kāi)關(guān)CB11閉合，中性區(qū)接觸網(wǎng)帶上A相電，列車(chē)帶電進(jìn)入中性區(qū)；隨后，當(dāng)列車(chē)行駛到中性區(qū)內(nèi)位置CG3時(shí)，開(kāi)關(guān)CB11斷開(kāi)，而后開(kāi)關(guān)CB21閉合，完成中性區(qū)電壓切換，列車(chē)帶B相電繼續(xù)行駛；最后，當(dāng)列車(chē)行駛到中性區(qū)外位置CG4時(shí)，開(kāi)關(guān)CB21斷開(kāi)，中性區(qū)接觸網(wǎng)恢復(fù)不 帶電狀態(tài)。

圖1 基于機(jī)械開(kāi)關(guān)的地面自動(dòng)過(guò)分相系統(tǒng)

基于機(jī)械開(kāi)關(guān)的地面自動(dòng)過(guò)分相系統(tǒng)控制簡(jiǎn)單，通過(guò)快速切換真空斷路器，實(shí)現(xiàn)列車(chē)帶電過(guò)電分相，瞬間失電時(shí)間僅為250～350ms，顯著地減少了列車(chē)過(guò)分相時(shí)的速度損失。然而，高壓斷路器的壽命有限，且存在拒動(dòng)的可能。為確保裝置的可靠性，需要增加一套冗余設(shè)備，從而增加了設(shè)備的成本和體積。另外，真空斷路器不能精確控制動(dòng)作時(shí)間。在斷路器斷開(kāi)時(shí)，可能會(huì)關(guān)斷大電流，產(chǎn)生截流過(guò)電壓，甚至引起拉弧，進(jìn)而燒損斷路器。在斷路器合閘時(shí)，可能會(huì)產(chǎn)生由線路分布參數(shù)引起的高頻振蕩過(guò)電壓，也可能會(huì)在列車(chē)主變壓器中產(chǎn)生勵(lì)磁涌流現(xiàn)象，進(jìn)而造成繼電保護(hù)裝置跳閘[15]。

針對(duì)機(jī)械開(kāi)關(guān)存在的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外許多公司研究了基于電子開(kāi)關(guān)的地面自動(dòng)過(guò)分相技術(shù)[16-18]。基于電子開(kāi)關(guān)的地面自動(dòng)過(guò)分相系統(tǒng)一般采用高壓晶閘管代替真空斷路器，多個(gè)晶閘管串聯(lián)增加耐壓能力并設(shè)置冗余，晶閘管反并聯(lián)實(shí)現(xiàn)電流雙向流動(dòng)，基于電子開(kāi)關(guān)的地面自動(dòng)過(guò)分相系統(tǒng)如圖2所示。該方案利用晶閘管電流過(guò)零自然關(guān)斷特性避免截流過(guò)電壓并有效抑制電弧，通過(guò)精確控制晶閘管開(kāi)通時(shí)間，避免中性區(qū)電壓切換過(guò)程中的過(guò)電壓和勵(lì)磁涌流[19]。

晶閘管制造工藝成熟、可靠性高、瞬時(shí)過(guò)電流能力強(qiáng)，且晶閘管失效后呈現(xiàn)短路特性，對(duì)于串聯(lián)的晶閘管閥組，如果在設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮裕度，則當(dāng)其中一個(gè)或多個(gè)晶閘管出現(xiàn)故障時(shí)，僅會(huì)使晶閘管串聯(lián)閥組耐壓能力下降，不會(huì)影響系統(tǒng)的正常工作，從而增強(qiáng)了過(guò)分相裝置的魯棒性和可靠性[17]。此外，這種方案的工作原理和基于機(jī)械開(kāi)關(guān)的過(guò)分相裝置相同，但由于晶閘管的開(kāi)關(guān)動(dòng)作更加精確可靠，列車(chē)過(guò)分相時(shí)的理論失電時(shí)間可以小于10ms，列車(chē)幾乎無(wú)速度損失[20]。目前，神朔鐵路已采用這種基于電子開(kāi)關(guān)的地面自動(dòng)過(guò)分相裝置，并取得了良好效果[18]。

圖2 基于電子開(kāi)關(guān)的地面自動(dòng)過(guò)分相系統(tǒng)

然而，對(duì)于重載鐵路而言，中性區(qū)一般比較長(zhǎng)，且列車(chē)運(yùn)行速度較慢，列車(chē)完成過(guò)分相可能需要2min左右，地面自動(dòng)過(guò)分相裝置中的晶閘管閥組工作時(shí)間比較長(zhǎng)。另一方面，晶閘管通態(tài)損耗與通態(tài)壓降和通態(tài)電流有關(guān)[21]。當(dāng)列車(chē)牽引電流較大時(shí)，晶閘管的通態(tài)壓降也會(huì)很大，尤其是采用了串聯(lián)閥組結(jié)構(gòu)后，系統(tǒng)正常工作時(shí)，其通態(tài)損耗會(huì)非常大，長(zhǎng)時(shí)間工作情況下需要給晶閘管閥組增加散熱裝置。如果采用自然冷卻，增加的散熱器會(huì)增大系統(tǒng)的體積；而如果采用強(qiáng)迫風(fēng)冷或者水冷的方式，則會(huì)顯著增加系統(tǒng)的固定成本和維護(hù)成本。此外，將強(qiáng)迫風(fēng)冷或水冷的自動(dòng)過(guò)分相設(shè)備應(yīng)用于重載鐵路時(shí)，容易受環(huán)境中煤灰粉塵的影響而出現(xiàn)故障，降低了系統(tǒng)可靠性。

為此，本文提出了一種應(yīng)用于重載鐵路長(zhǎng)分相的基于復(fù)合開(kāi)關(guān)的地面自動(dòng)過(guò)分相裝置，采用晶閘管閥組與高壓接觸器的組合開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)進(jìn)行中性區(qū)電壓的安全切換，在實(shí)現(xiàn)重載列車(chē)帶電過(guò)分相的同時(shí)顯著降低開(kāi)關(guān)的損耗，避免增加輔助散熱裝置，減小系統(tǒng)體積并提高可靠性。本文詳細(xì)介紹了基于復(fù)合開(kāi)關(guān)的地面自動(dòng)過(guò)分相裝置的工作原理，并對(duì)復(fù)合開(kāi)關(guān)的電路結(jié)構(gòu)和工作特性進(jìn)行分析。然后定量計(jì)算了列車(chē)過(guò)分相時(shí)復(fù)合開(kāi)關(guān)的損耗，并與傳統(tǒng)方案進(jìn)行了對(duì)比，驗(yàn)證了復(fù)合開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)在降低損耗方面的優(yōu)勢(shì)。最后通過(guò)神朔鐵路實(shí)際列車(chē)運(yùn)行結(jié)果對(duì)這種基于復(fù)合開(kāi)關(guān)的地面自動(dòng)過(guò)分相裝置的工作效果進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 地面自動(dòng)過(guò)分相裝置

本文所提基于復(fù)合開(kāi)關(guān)的地面自動(dòng)過(guò)分相裝置本質(zhì)上也是一種基于電子開(kāi)關(guān)的方案，其實(shí)現(xiàn)列車(chē)帶電過(guò)分相的原理和基于機(jī)械開(kāi)關(guān)的方案是基本相同的。基于復(fù)合開(kāi)關(guān)的地面自動(dòng)過(guò)分相裝置及其工作時(shí)序示意圖如圖3所示，復(fù)合開(kāi)關(guān)Sa和Sb是晶閘管閥組和高壓接觸器的組合。首先將Sa和Sb串聯(lián)連接，并分別與中性區(qū)兩側(cè)的接觸網(wǎng)相連于A點(diǎn)和B點(diǎn)，再?gòu)闹悬c(diǎn)Q引出連接線與中性區(qū)接觸網(wǎng)相連于N點(diǎn)。假設(shè)左側(cè)牽引網(wǎng)由A相供電臂供電，右側(cè)牽引網(wǎng)由B相供電臂供電。以列車(chē)從左往右行駛過(guò)分相為例，結(jié)合圖3所示的工作時(shí)序?qū)趶?fù)合開(kāi)關(guān)的地面自動(dòng)過(guò)分相裝置的工作原理進(jìn)行說(shuō)明。

圖3 基于復(fù)合開(kāi)關(guān)的地面自動(dòng)過(guò)分相裝置及其工作時(shí)序示意圖

1時(shí)刻，列車(chē)到達(dá)左側(cè)錨段關(guān)節(jié)，即P1點(diǎn)，準(zhǔn)備進(jìn)入中性區(qū)。此時(shí)復(fù)合開(kāi)關(guān)Sa被開(kāi)通，中性區(qū)接觸網(wǎng)帶A相電。隨后列車(chē)進(jìn)入中性區(qū)，列車(chē)通過(guò)QN和Sa取流，帶A相電正常行駛。當(dāng)列車(chē)所有電力機(jī)車(chē)都進(jìn)入中性區(qū)且第一個(gè)電力機(jī)車(chē)行駛到中性區(qū)電壓安全切換點(diǎn)[20]，即P2點(diǎn)，Sa的驅(qū)動(dòng)脈沖被撤除，Sa隨后在電流過(guò)零時(shí)，即2時(shí)刻，自然關(guān)斷，中性區(qū)接觸網(wǎng)短暫不帶電。幾微秒后的3時(shí)刻，復(fù)合開(kāi)關(guān)Sb被開(kāi)通，中性區(qū)接觸網(wǎng)帶B相電，列車(chē)通過(guò)QN和Sb取流，帶B相電正常行駛。在列車(chē)駛離中性區(qū)并行駛到P3點(diǎn)的4時(shí)刻，Sb的驅(qū)動(dòng)脈沖被撤除并隨即關(guān)斷，中性區(qū)接觸網(wǎng)恢復(fù)不帶電。由上述分析可知，列車(chē)過(guò)分相過(guò)程中，在1～2時(shí)間內(nèi)由A相供電臂供電，在3～4時(shí)間內(nèi)由B相供電臂供電，列車(chē)僅在2～3內(nèi)短暫失電，失電時(shí)間僅為幾ms。相較于基于機(jī)械開(kāi)關(guān)的地面自動(dòng)過(guò)分相方案，這種基于電子開(kāi)關(guān)的方案進(jìn)一步縮短了列車(chē)過(guò)分相時(shí)的失電時(shí)間，有效減小了電分相對(duì)列車(chē)運(yùn)行的影響。

2 復(fù)合開(kāi)關(guān)

如第1節(jié)所述，傳統(tǒng)基于電子開(kāi)關(guān)的自動(dòng)過(guò)分相方案應(yīng)用于重載鐵路時(shí)晶閘管閥組損耗較大，這會(huì)對(duì)裝置產(chǎn)生不利影響。針對(duì)此問(wèn)題，本文提出了一種晶閘管閥組與高壓接觸器組合的復(fù)合開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)。高壓接觸器和輔助晶閘管的引入在增強(qiáng)開(kāi)關(guān)動(dòng)作可靠性的同時(shí)也降低了開(kāi)關(guān)的整體損耗。

2.1 電路結(jié)構(gòu)

復(fù)合開(kāi)關(guān)的電路結(jié)構(gòu)如圖4所示。圖4中，TMa和TMb為晶閘管串并聯(lián)閥組，其中每對(duì)反并聯(lián)的晶閘管閥組都分別并聯(lián)了緩沖電路進(jìn)行動(dòng)靜態(tài)均壓。KMa和KMb為高壓接觸器，為延長(zhǎng)開(kāi)關(guān)壽命，增強(qiáng)系統(tǒng)可靠性，KMa和KMb采用兩并兩串的組合結(jié)構(gòu)。TA為單組反并聯(lián)的輔助晶閘管閥組，由于列車(chē)過(guò)分相時(shí)復(fù)合開(kāi)關(guān)Sa和Sb交替工作，存在明顯的先后順序，因此共用了一個(gè)輔助晶閘管閥組。

圖4 復(fù)合開(kāi)關(guān)電路結(jié)構(gòu)

2.2 工作原理

復(fù)合開(kāi)關(guān)的基本思路為：利用晶閘管電流過(guò)零自然關(guān)斷和開(kāi)通時(shí)間精確可控的特性進(jìn)行中性區(qū)電壓的安全快速切換，利用高壓接觸器導(dǎo)通損耗小的特點(diǎn)減少列車(chē)過(guò)分相時(shí)裝置的整體損耗，其具體工作過(guò)程分析如下。

以列車(chē)從左往右行駛過(guò)分相為例，復(fù)合開(kāi)關(guān)Sa和Sb的動(dòng)作時(shí)序如圖5所示。

（1）1時(shí)刻，控制系統(tǒng)下發(fā)指令開(kāi)通Sa。首先，觸發(fā)導(dǎo)通晶閘管閥組TMa，TMa零電流開(kāi)通。中性區(qū)接觸網(wǎng)電壓等于A相供電臂電壓，列車(chē)牽引電流流過(guò)TMa。然后，控制系統(tǒng)閉合高壓接觸器KMa，KMa零電流閉合后，再觸發(fā)導(dǎo)通輔助晶閘管TA，TA零電壓開(kāi)通。由于高壓接觸器的通態(tài)阻抗遠(yuǎn)小于高壓晶閘管閥組，因此大部分牽引電流被轉(zhuǎn)移到KMa和TA支路上。最后，控制系統(tǒng)撤除TMa的觸發(fā)信號(hào)，10ms內(nèi)，TMa電流過(guò)零自然關(guān)斷。流過(guò)TMa的電流全部被轉(zhuǎn)移到KMa和TA支路上。

圖5 復(fù)合開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)序

（2）2時(shí)刻，控制系統(tǒng)下發(fā)指令關(guān)斷Sa。首先，控制系統(tǒng)檢測(cè)到流過(guò)Sa的瞬時(shí)電流為零時(shí)，觸發(fā)導(dǎo)通TMa，TMa零電流開(kāi)通。然后，控制系統(tǒng)撤除TA的觸發(fā)信號(hào)，TA電流過(guò)零自然關(guān)斷后再斷開(kāi)KMa，流過(guò)KMa和TA支路的電流全部被轉(zhuǎn)移到TMa支路上。最后，控制系統(tǒng)撤除TMa的觸發(fā)信號(hào)，10ms內(nèi)，TMa電流過(guò)零自然關(guān)斷，3時(shí)刻，Sa完全斷開(kāi)。

（3）4時(shí)刻，控制系統(tǒng)下發(fā)指令開(kāi)通Sb。首先，觸發(fā)導(dǎo)通晶閘管閥組TMb，TMb零電流開(kāi)通，中性區(qū)接觸網(wǎng)電壓等于B相供電臂電壓，列車(chē)牽引電流流過(guò)TMb。然后，控制系統(tǒng)閉合高壓接觸器KMb，KMb零電流閉合后，再觸發(fā)導(dǎo)通輔助晶閘管TA，TA零電壓開(kāi)通，TMb大部分電流被轉(zhuǎn)移到KMb和TA支路上。最后，控制系統(tǒng)撤除TMb的觸發(fā)信號(hào)，10ms內(nèi)，TMb電流過(guò)零自然關(guān)斷。流過(guò)TMb的電流全部被轉(zhuǎn)移到KMb和TA支路上。

（4）5時(shí)刻，控制系統(tǒng)下發(fā)指令關(guān)斷Sb。首先，控制系統(tǒng)檢測(cè)到流過(guò)Sb的瞬時(shí)電流為零時(shí)，觸發(fā)導(dǎo)通TMb，TMb零電流開(kāi)通。然后控制系統(tǒng)撤除TA的觸發(fā)信號(hào)，TA電流過(guò)零自然關(guān)斷后再斷開(kāi)KMb，流過(guò)KMb和TA支路的電流全部被轉(zhuǎn)移到TMb支路上。最后，控制系統(tǒng)撤除TMa的觸發(fā)信號(hào)，10ms內(nèi)，TMb電流過(guò)零自然關(guān)斷。6時(shí)刻，Sb完全斷開(kāi)。

由上述分析可知，復(fù)合開(kāi)關(guān)利用晶閘管閥組，精確控制分合閘時(shí)間，保證Sa和Sb的可靠動(dòng)作。復(fù)合開(kāi)關(guān)的所有開(kāi)關(guān)器件都可實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)，有效避免了開(kāi)關(guān)動(dòng)作過(guò)程中的過(guò)電壓與過(guò)電流。由于高壓接觸器閉合和斷開(kāi)過(guò)程都沒(méi)有電流，其電氣壽命得以延長(zhǎng)。另一方面，當(dāng)復(fù)合開(kāi)關(guān)處于開(kāi)通穩(wěn)態(tài)時(shí)，列車(chē)牽引電流流過(guò)高壓接觸器和輔助晶閘管支路。由于高壓接觸器導(dǎo)通電阻很小，其通態(tài)損耗相對(duì)于晶閘管閥組也很小。因此，復(fù)合開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)可以顯著降低系統(tǒng)正常工作時(shí)的損耗，使得系統(tǒng)可以避免使用水冷或者強(qiáng)迫風(fēng)冷進(jìn)行散熱，并減小了自然散熱所需散熱器的體積。

2.3 高壓接觸器組合結(jié)構(gòu)分析

高壓接觸器壽命相對(duì)較短，且存在拒動(dòng)的可能，因此系統(tǒng)采用了如圖4所示的兩并兩串的結(jié)構(gòu)增加KMa和KMb的動(dòng)作可靠性。其中，KMa和KMb的4個(gè)高壓接觸器交替閉合、斷開(kāi)，每次只動(dòng)作1個(gè)高壓接觸器，其相應(yīng)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)和動(dòng)作邏輯見(jiàn) 表1。

表1 高壓接觸器組合結(jié)構(gòu)開(kāi)關(guān)狀態(tài)和動(dòng)作邏輯表

Tab.1 Status and action logic of high-voltage contactors

以KMa為例，假設(shè)上一個(gè)狀態(tài)為狀態(tài)1，KMa1和KMa3閉合，KMa2、KMa4斷開(kāi)，KMa處于閉合狀態(tài)。如果控制系統(tǒng)下發(fā)指令斷開(kāi)KMa，則斷開(kāi)KMa1，KMa隨之關(guān)斷，狀態(tài)跳轉(zhuǎn)到狀態(tài)2。如果系統(tǒng)檢測(cè)到KMa1拒斷，則斷開(kāi)KMa3，從而保證KMa的可靠斷開(kāi)。假設(shè)上一個(gè)狀態(tài)為狀態(tài)2，KMa3閉合，KMa1、KMa2、KMa4斷開(kāi)，KMa處于斷開(kāi)狀態(tài)。如果控制系統(tǒng)下發(fā)指令閉合KMa，則閉合KMa2，KMa隨之閉合，狀態(tài)跳轉(zhuǎn)到狀態(tài)3。如果系統(tǒng)檢測(cè)到KMa2拒合，則閉合KMa1，從而保證KMa的可靠閉合。

KMa和KMb的狀態(tài)在狀態(tài)1～8之間循環(huán)變化，各個(gè)接觸器相互備份且輪換工作。該高壓接觸器組合結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)在增強(qiáng)復(fù)合開(kāi)關(guān)動(dòng)作可靠性的同時(shí)，也可顯著提升其理論使用壽命。

2.4 輔助晶閘管工作特性分析

輔助晶閘管閥組TA由兩個(gè)反并聯(lián)的晶閘管構(gòu)成，從而實(shí)現(xiàn)電流雙向流動(dòng)，沒(méi)有設(shè)置冗余。這是由于其開(kāi)通關(guān)斷過(guò)程均為軟開(kāi)關(guān)，且晶閘管本身可靠性較高，TA出現(xiàn)故障的概率較小。另一方面，在地面自動(dòng)過(guò)分相裝置運(yùn)行過(guò)程中，電壓應(yīng)力主要由高壓接觸器和串聯(lián)晶閘管閥組承擔(dān)，TA的電壓應(yīng)力基本為零，因此無(wú)需采用晶閘管串聯(lián)的結(jié)構(gòu)。

輔助晶閘管閥組TA的作用主要是利用晶閘管的電流過(guò)零自然關(guān)斷特性，有效避免了開(kāi)關(guān)動(dòng)作過(guò)程中可能存在的過(guò)電壓、過(guò)電流以及拉弧等問(wèn)題，并且實(shí)現(xiàn)高壓接觸器的零電流閉合和斷開(kāi)，從而增強(qiáng)高壓接觸器的可靠性并延長(zhǎng)其電氣壽命。

綜上，串聯(lián)晶閘管閥組、高壓接觸器和輔助晶閘管相互配合，在降低整體損耗的同時(shí)也提高了復(fù)合開(kāi)關(guān)的可靠性。

3 復(fù)合開(kāi)關(guān)損耗分析

為驗(yàn)證復(fù)合開(kāi)關(guān)在降低整體損耗方面的優(yōu)越性，本節(jié)以神朔鐵路南梁牽引變電所的地面自動(dòng)過(guò)分相裝置為例，對(duì)各部分開(kāi)關(guān)損耗進(jìn)行定量計(jì)算。

HXD1型電力機(jī)車(chē)是神朔鐵路主要采用的車(chē)型之一，其額定牽引功率T=9.6MW。考慮三機(jī)牽引模式，即一趟列車(chē)有3個(gè)電力機(jī)車(chē)同時(shí)從接觸網(wǎng)取流，牽引變電所出口處的額定電壓R=27.5kV，則列車(chē)的額定牽引電流為

神朔鐵路南梁牽引變電所出口處的電分相中性區(qū)長(zhǎng)度≈1.3km。假設(shè)列車(chē)以最大運(yùn)行速度max= 90km/h通過(guò)中性區(qū)，則地面自動(dòng)過(guò)分相裝置的最短工作時(shí)間為

3.1 晶閘管功率損耗分析

綜合考慮電氣化鐵路牽引系統(tǒng)的供電電壓以及牽引功率，本文采用的晶閘管為中國(guó)中車(chē)生產(chǎn)的KPB1800-65，其主要參數(shù)見(jiàn)表2。

在計(jì)算晶閘管損耗時(shí)，可將其等效為一個(gè)電壓源和一個(gè)內(nèi)阻串聯(lián)。單個(gè)晶閘管的損耗計(jì)算功率經(jīng)驗(yàn)公式為

表2 KPB1800-65的主要參數(shù)

Tab.2 Key parameters of KPB1800-65

式中，TAV為流過(guò)晶閘管的正向平均電流；TRMS為流過(guò)晶閘管電流的有效值[22]。由于晶閘管具有單向?qū)щ娦裕總€(gè)晶閘管在一個(gè)工頻周期內(nèi)工作時(shí)間均為/2，由此晶閘管正向平均電流TAV和電流有效值TRMS與列車(chē)額定牽引電流R的關(guān)系為

3.2 高壓接觸器功率損耗分析

由于牽引網(wǎng)電壓頻率較低，忽略交變磁場(chǎng)作用在電磁系統(tǒng)中產(chǎn)生的渦流損耗和磁滯損耗，則高壓接觸器的損耗主要由兩部分構(gòu)成：一部分是牽引電流流經(jīng)主回路電阻帶來(lái)的主回路損耗；另一部分是維持接觸器閉合所需要的電磁系統(tǒng)保持功率[23]。

本文選用的是無(wú)錫市凱馳電氣有限公司研發(fā)生產(chǎn)的KCC18系列真空接觸器，其實(shí)物如圖6所示。該系列真空接觸器是為高鐵線路過(guò)分相定制的特殊用途機(jī)型，適用于額定電壓為35kV及以下、頻率為50～60Hz、額定電流為2kA及以下交流系統(tǒng)中需要大量分、合閘循環(huán)操作的場(chǎng)合。該真空接觸器工作在額定電流時(shí)的機(jī)械壽命（合/分循環(huán)）為30萬(wàn)次。假設(shè)神朔鐵路貨運(yùn)列車(chē)的平均發(fā)車(chē)間隔= 10min。若地面自動(dòng)過(guò)分相裝置采用單個(gè)真空接觸器，則其每小時(shí)合/分閘次數(shù)為6次。然而，采用復(fù)合開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)后，其中每個(gè)真空接觸器每小時(shí)的等效合/分閘次數(shù)降低為1.5次。此外，如2.2節(jié)所述，真空接觸器在閉合和斷開(kāi)過(guò)程中均沒(méi)有電流，因此復(fù)合開(kāi)關(guān)的理論使用壽命得到顯著提升。

KCC18系列接觸器的主回路接觸電阻k≤100mW，啟動(dòng)功率s＜3.3kW，保持功率h＜30W。由于接觸器動(dòng)作時(shí)間相對(duì)于重載列車(chē)過(guò)分相的時(shí)間很短，其啟動(dòng)帶來(lái)的損耗可以忽略不計(jì)。因此，在計(jì)算接觸器功率損耗時(shí)，僅考慮主電路電阻引起的損耗功率r和電磁系統(tǒng)保持功率h，則單個(gè)接觸器的損耗計(jì)算功率為

圖6 地面自動(dòng)過(guò)分相裝置中的KCC18系列真空接觸器

式中，KRMS為流過(guò)接觸器電流的有效值。易知

3.3 傳統(tǒng)基于電子開(kāi)關(guān)方案損耗計(jì)算

考慮電子開(kāi)關(guān)的電壓、電流應(yīng)力后，圖3所示Sa和Sb分別由28個(gè)反并聯(lián)的晶閘管單元串聯(lián)構(gòu)成，地面自動(dòng)過(guò)分相裝置中的晶閘管閥組如圖7所示。

圖7 地面自動(dòng)過(guò)分相裝置中的晶閘管閥組

當(dāng)電力機(jī)車(chē)行駛在中性區(qū)內(nèi)時(shí)，無(wú)論是Sa導(dǎo)通還是Sb導(dǎo)通，總有28個(gè)晶閘管導(dǎo)通，因此根據(jù)式（2）～式（4），傳統(tǒng)基于電子開(kāi)關(guān)的地面自動(dòng)過(guò)分相方案中晶閘管閥組總的損耗能量為

則采用傳統(tǒng)基于電子開(kāi)關(guān)的地面自動(dòng)過(guò)分相系統(tǒng)的最小平均損耗功率為

3.4 基于復(fù)合開(kāi)關(guān)方案損耗計(jì)算

采用本文所提復(fù)合開(kāi)關(guān)后，列車(chē)牽引電流主要流過(guò)高壓接觸器和輔助晶閘管支路，串聯(lián)晶閘管閥組導(dǎo)通時(shí)間很短，其導(dǎo)通損耗可忽略不計(jì)。又由于所有開(kāi)關(guān)器件均可實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)，因此復(fù)合開(kāi)關(guān)的實(shí)際損耗即為高壓接觸器和輔助晶閘管的導(dǎo)通損耗。由于高壓接觸器采用了兩并兩串的結(jié)構(gòu)，當(dāng)電力機(jī)車(chē)行駛在中性區(qū)內(nèi)時(shí)，無(wú)論是Sa導(dǎo)通還是Sb導(dǎo)通，總有兩個(gè)高壓接觸器和一個(gè)晶閘管導(dǎo)通。因此，復(fù)合開(kāi)關(guān)的總損耗能量可近似計(jì)算為

同樣可計(jì)算采用復(fù)合開(kāi)關(guān)后地面自動(dòng)過(guò)分相系統(tǒng)的最小平均損耗功率為

對(duì)比式（8）和式（10）可知，采用復(fù)合開(kāi)關(guān)后，開(kāi)關(guān)的損耗功率可降低為原來(lái)的4.5%。因此，復(fù)合開(kāi)關(guān)可以顯著降低地面自動(dòng)過(guò)分相裝置的整體損耗。復(fù)合開(kāi)關(guān)無(wú)需增加額外的散熱裝置，采用自然散熱的方式即可滿(mǎn)足散熱需求。復(fù)合開(kāi)關(guān)不僅增強(qiáng)了系統(tǒng)可靠性，也明顯減小了散熱器的體積。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

基于復(fù)合開(kāi)關(guān)的地面自動(dòng)過(guò)分相裝置如圖8所示，本文所提基于復(fù)合開(kāi)關(guān)的地面自動(dòng)過(guò)分相裝置已在神朔鐵路南梁牽引變電所安裝并得到了列車(chē)實(shí)際運(yùn)行的驗(yàn)證。需要說(shuō)明的是，由于一種新型基于牽引網(wǎng)電壓電流信息的列車(chē)受電弓直接定位方法的應(yīng)用，南梁牽引變電所出口處的中性區(qū)由1.3km縮短至220m，列車(chē)過(guò)分相的時(shí)間也明顯縮短[20]。盡管如此，這并不影響對(duì)本文所提基于復(fù)合開(kāi)關(guān)的地面自動(dòng)過(guò)分相裝置工作效果的驗(yàn)證。

此外，本文所提基于復(fù)合開(kāi)關(guān)的地面自動(dòng)過(guò)分相裝置的尺寸為15.08m×3.24m×3.1m，其總體積約為151.5m3。但是該裝置中還集成了額外的消弧電源系統(tǒng)，用以抑制列車(chē)受電弓進(jìn)入中性區(qū)時(shí)弓網(wǎng)接觸變換產(chǎn)生的電弧，減輕受電弓的磨損和接觸網(wǎng)的燒蝕。消弧電源系統(tǒng)約占總體積的1/3。因此，除消弧電源系統(tǒng)外，地面自動(dòng)過(guò)分相裝置的體積約為101m3。圖9所示為一套安裝在神朔鐵路橋頭牽引變電所的基于傳統(tǒng)電子開(kāi)關(guān)的地面自動(dòng)過(guò)分相系統(tǒng)。該系統(tǒng)由兩個(gè)集裝箱和一系列戶(hù)外設(shè)備構(gòu)成。每個(gè)集裝箱內(nèi)含有一個(gè)高壓晶閘管閥組，采用了強(qiáng)迫風(fēng)冷加空調(diào)冷卻，每個(gè)集裝箱的尺寸為5.5m× 2.438m×2.896m，因此僅兩個(gè)集裝箱的總體積為77.7m3。另外，該系統(tǒng)的高壓斷路器、高壓隔離開(kāi)關(guān)、電壓電流互感器、避雷器以及中性區(qū)阻尼裝置等設(shè)備都在戶(hù)外，占地面積很大。所以相比之下，基于復(fù)合開(kāi)關(guān)的地面自動(dòng)過(guò)分相裝置在體積上更具優(yōu)勢(shì)。

圖8 基于復(fù)合開(kāi)關(guān)的地面自動(dòng)過(guò)分相裝置

圖9 基于傳統(tǒng)電子開(kāi)關(guān)的地面自動(dòng)過(guò)分相系統(tǒng)

4.1 中性區(qū)電壓切換

首先，圖10所示為一趟3+0編組的列車(chē)按圖3所示結(jié)構(gòu)從左往右行駛過(guò)分相時(shí)中性區(qū)電壓變化過(guò)程。值得一提的是，中性區(qū)內(nèi)沒(méi)有列車(chē)時(shí)，由于兩個(gè)晶閘管閥組TMa和TMb靜態(tài)均壓阻抗的分壓作用，中性區(qū)電壓并不為零。如圖10a所示，當(dāng)列車(chē)第一個(gè)受電弓達(dá)到左側(cè)錨段關(guān)節(jié)，即將駛?cè)胫行詤^(qū)時(shí)，經(jīng)歷短暫的不穩(wěn)定搭接后，在=0.570s時(shí)刻，復(fù)合開(kāi)關(guān)Sa被開(kāi)通，中性區(qū)電壓n等于A相供電臂電壓a，列車(chē)帶A相電繼續(xù)行駛進(jìn)入中性區(qū)。

然后，如圖10b所示，當(dāng)列車(chē)所有受電弓都進(jìn)入中性區(qū)后，=15.803s時(shí)，Sa的觸發(fā)脈沖被撤除。Sa在電流過(guò)零時(shí)，即=15.806s時(shí)刻，自然關(guān)斷（HXD1型電力機(jī)車(chē)一般工作在單位功率因數(shù)，電壓和電流基本同相位，電壓過(guò)零即意味著電流過(guò)零）。隨后中性區(qū)短暫失電，在=15.813s時(shí)刻，復(fù)合開(kāi)關(guān)Sb被開(kāi)通。中性區(qū)電壓n等于B相供電臂電壓b，列車(chē)帶B相電繼續(xù)向前行駛。可見(jiàn)，采用這種基于復(fù)合開(kāi)關(guān)的地面自動(dòng)過(guò)分相之后，列車(chē)過(guò)分相時(shí)的失電時(shí)間僅為7ms左右。

最后，當(dāng)列車(chē)所有受電弓都駛離中性區(qū)后，如圖10c所示，=35.353s時(shí)刻，Sb被關(guān)斷。隨后，中性區(qū)恢復(fù)到不帶電狀態(tài)。列車(chē)順利完成帶電過(guò)分相。

4.2 復(fù)合開(kāi)關(guān)工作時(shí)序

列車(chē)進(jìn)入中性區(qū)時(shí)需要開(kāi)通復(fù)合開(kāi)關(guān)Sa，其具體的工作時(shí)序如圖11所示。首先在=0.570s時(shí)，同時(shí)觸發(fā)導(dǎo)通晶閘管閥組TMa并閉合高壓接觸器組合KMa。在此之前，高壓接觸器KMa2、KMa3、KMa4斷開(kāi)，KMa1閉合，KMa處于表1所示狀態(tài)8斷開(kāi)狀態(tài)。65ms后，=0.635s時(shí)，KMa3零電流閉合，KMa跳轉(zhuǎn)到狀態(tài)1閉合狀態(tài)。隨后，在=0.687s時(shí)，觸發(fā)導(dǎo)通輔助晶閘管TA。最后，=0.708s時(shí)，TMa的觸發(fā)信號(hào)被撤除。當(dāng)TMa電流過(guò)零自然關(guān)斷后，列車(chē)牽引電流完全被轉(zhuǎn)移到輔助支路中。復(fù)合開(kāi)關(guān)Sa進(jìn)入開(kāi)通穩(wěn)態(tài)。

圖11 列車(chē)進(jìn)入中性區(qū)時(shí)復(fù)合開(kāi)關(guān)Sa的工作時(shí)序

相應(yīng)地，中性區(qū)電壓切換時(shí)復(fù)合開(kāi)關(guān)Sa和Sb的工作時(shí)序如圖12所示。在關(guān)斷Sa前，晶閘管閥組TMa在=15.627s時(shí)先被觸發(fā)導(dǎo)通，輔助晶閘管TA的觸發(fā)信號(hào)被撤除，并在電流過(guò)零后自然關(guān)斷。KMa1在=15.730s時(shí)零電流斷開(kāi)。KMa跳轉(zhuǎn)到狀態(tài)2斷開(kāi)狀態(tài)。隨后，=15.803s時(shí)，TMa的觸發(fā)信號(hào)被撤除。當(dāng)TMa電流過(guò)零時(shí)自然關(guān)斷，Sa進(jìn)入關(guān)斷穩(wěn)態(tài)。

開(kāi)通復(fù)合開(kāi)關(guān)Sb時(shí)，首先在=15.813s時(shí)同時(shí)觸發(fā)導(dǎo)通晶閘管閥組TMb并閉合高壓接觸器組合KMb。在此之前，高壓接觸器KMb1、KMb2、KMb4斷開(kāi)，KMb3閉合，KMb處于狀態(tài)2斷開(kāi)狀態(tài)。105ms后，=15.918s時(shí)，KMb2零電流閉合，KMb跳轉(zhuǎn)到狀態(tài)3閉合狀態(tài)。隨后，在=15.969s時(shí)，觸發(fā)導(dǎo)通輔助晶閘管TA。最后，=15.989s時(shí)，TMb的觸發(fā)信號(hào)被撤除。當(dāng)TMb電流過(guò)零自然關(guān)斷后，復(fù)合開(kāi)關(guān)Sb進(jìn)入開(kāi)通穩(wěn)態(tài)。

圖12 中性區(qū)電壓切換時(shí)復(fù)合開(kāi)關(guān)Sa和Sb的工作時(shí)序

當(dāng)列車(chē)所有受電弓都駛離中性區(qū)后，Sb的關(guān)斷過(guò)程如圖13所示。首先在=35.223s時(shí)，晶閘管閥組TMb被觸發(fā)導(dǎo)通，輔助晶閘管TA觸發(fā)信號(hào)被撤除，并在電流過(guò)零時(shí)自然關(guān)斷。KMb3在=35.301s時(shí)零電流斷開(kāi)。KMb跳轉(zhuǎn)到狀態(tài)4斷開(kāi)狀態(tài)。隨后，在=35.353s時(shí)刻，TMb的觸發(fā)信號(hào)被撤除。TMb在電流過(guò)零時(shí)自然關(guān)斷，Sb進(jìn)入關(guān)斷穩(wěn)態(tài)。

圖13 列車(chē)駛離中性區(qū)后復(fù)合開(kāi)關(guān)Sb的工作時(shí)序

此后，地面自動(dòng)過(guò)分相裝置進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，等待下一輛列車(chē)過(guò)分相。

由上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可知，復(fù)合開(kāi)關(guān)利用晶閘管閥組TMa和TMb進(jìn)行中性區(qū)電壓的切換，但其導(dǎo)通時(shí)間很短。復(fù)合開(kāi)關(guān)處于開(kāi)通穩(wěn)態(tài)時(shí)，列車(chē)的牽引電流主要流過(guò)由高壓接觸器和輔助晶閘管構(gòu)成的支路，因此導(dǎo)通損耗被顯著降低。此外，組合高壓接觸器每次只動(dòng)作一個(gè)，其狀態(tài)按照表1在狀態(tài)1～8之間循環(huán)切換。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析吻合。

5 結(jié)論

針對(duì)重載鐵路長(zhǎng)分相情況下，傳統(tǒng)地面自動(dòng)過(guò)分相裝置中電子開(kāi)關(guān)損耗較大，需要增加輔助散熱裝置，本文提出一種基于復(fù)合開(kāi)關(guān)的地面自動(dòng)過(guò)分相裝置。復(fù)合開(kāi)關(guān)由晶閘管閥組和高壓接觸器組成；一方面，復(fù)合開(kāi)關(guān)利用晶閘管電流過(guò)零自然關(guān)斷和開(kāi)通時(shí)間準(zhǔn)確可控的特性進(jìn)行中性區(qū)電壓的切換，避免開(kāi)關(guān)過(guò)程中的過(guò)電壓、過(guò)電流以及電弧等問(wèn)題，并保證高壓接觸器在閉合和斷開(kāi)過(guò)程中都沒(méi)有電流，從而延長(zhǎng)其電氣壽命；另一方面，當(dāng)復(fù)合開(kāi)關(guān)進(jìn)入開(kāi)通穩(wěn)態(tài)后，列車(chē)牽引電流流過(guò)高壓接觸器和輔助晶閘管構(gòu)成的輔助支路，利用高壓接觸器低導(dǎo)通損耗特性降低開(kāi)關(guān)的總損耗，避免增加額外的散熱裝置，并減小自然散熱所需散熱器的體積。此外，高壓接觸器采用兩并兩串的組合結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步保證了復(fù)合開(kāi)關(guān)的可靠性。本文所提基于復(fù)合開(kāi)關(guān)的地面自動(dòng)過(guò)分相裝置在實(shí)現(xiàn)列車(chē)幾乎無(wú)速度損失過(guò)分相的同時(shí)，降低了系統(tǒng)損耗，增強(qiáng)了系統(tǒng)可靠性，有利于高速重載鐵路的發(fā)展并提高其綜合 效益。

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A Ground Auto-Passing Neutral Section Device Based on Combination Switches for AC Electrified Railway

（School of Electrical Engineering Beijing Jiaotong University Beijing 100044 China）

The development of high-speed and heavy-haul railways is restricted to a certain extent due to the existence of neutral sections in AC electrified railways. For this reason, many ground auto-passing neutral section schemes have been put forward recently. With simple structure and low cost, the ground auto-passing neutral section devices based on electronic switches are widely applied. However, for the long neutral sections in the heavy-haul railway, long operation time of electronic switches will produce large losses, and an extra cooling device is needed, which reduces the system reliability. This paper proposes a ground auto-passing neutral section device based on the combination switch for the heavy-haul railway. The combination structure of thyristors and high-voltage contactors is adopted. It helps to make the train pass the neutral section with power supply while greatly reducing the overall loss of switches. The combination switch adopts natural cooling to meet the heat dissipation requirements, and no additional heat dissipation device is needed, which enhances the system reliability. The working principle and the characteristics of the proposed ground auto-passing neutral section device and the combination switch are analyzed in detail. The switch loss is quantitatively calculated and compared. The feasibility and the effectiveness of the combination switch are verified by the experimental results of the ground auto-passing neutral section device at the Nanliang traction substation of Shenshuo railway.

Auto-passing neutral section, heavy-haul railway, combination switches, thyristor, high-voltage contactor, loss of switches

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.210518

U223.5

臺(tái)達(dá)電力電子科教發(fā)展計(jì)劃青年資助項(xiàng)目（DREG2021008）。

2021-04-15

2021-06-07

張 智 男，1994年生，博士研究生，研究方向?yàn)镈C-DC變換器、軟開(kāi)關(guān)技術(shù)以及電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)。E-mail: zzhang@bjtu.edu.cn

李 凱 男，1988年生，講師，研究方向?yàn)殡娏﹄娮幼儔浩鳌⒛K化多電平變換器以及電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)。E-mail: kaili@bjtu.edu.cn（通信作者）

（編輯 陳 誠(chéng)）