重載鐵路電子開關自動過分相系統研究
——以SS重載鐵路工程為例

惠蓬勃

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0 引言

現階段，我國重載鐵路多使用電氣化技術進行單向供電。相較于普通鐵路，重載鐵路具有承載負擔大、運行坡度高的特征，在無電路段的運行中，列車的速度和運行牽引力會受到很大的影響。為此，在重載鐵路中應用了地面開關過分相系統，這一系統的應用減少了在列車運行和日常維護中的人員工作量和時間、資源的浪費。在諸多地面開關過分相系統中，相較于傳統機械系統，采用大功率電力電子器件進行移相的地面柔性自動過分相技術避免了機械結構在反復運轉時出現的各類電壓不平衡波動，有效延長了鐵路運行的壽命和穩定性，在重載鐵路的應用中取得了不錯的成績。

1 電子開關自動過分相系統概述

1.1 運作原理

電子開關自動過分相系統的運作原理如圖1所示。圖1中列車下方所排列的軸線為電子開關過分相系統地面方向的可視傳感線路，CG2所在位置為軌道單向供電所形成的電氣隔離區域，而CG1及CG3則分布于距離CG2有一段距離的鐵軌處；SCR_V1與SCR_V2為相供電網絡中電相轉換的圖示。當重載列車自出發點途經靠近電氣隔離的CG1時，軌道電路中的SCR_V1會被激活導通，為重載鐵路及機車供電；當列車行駛在中性區時，CG2會使SCR_V1關斷、SCR_V2導通，在中性區階段電路仍然暢通無阻；當列車繼續駛向CG3段時，該軌道路段的傳感器會以高電平信號的形式傳輸機車位置，觸發閥組控制器，使SCR_V2電路限制關停，并以總控制系統的邏輯權限將電路電相恢復至初始狀態，而后由CG1開始電路系統的下一個帶電過分相的循環過程[1]。

圖1 電子開關自動過分相系統運作原理示意圖

1.2 系統構成

完整的電子開關自動過分相系統由一個復雜的電路循環系統構成，其中包含諸多電路傳感裝置、負責指令派遣的核心控制裝置及其配套的各種操作執行裝置[2]。

1.2.1 重載機車位置識別子系統

重載列車位置識別子系統是電子開關自動過分相系統運行的關鍵，該位置識別子系統需要通過模塊化無損安裝的方式，加裝傳感設備裝置，然后啟用聯網雙冗余備用系統進行模塊化管理。

1.2.2 邏輯控制系統

在重載列車電子開關自動過分相系統中，邏輯控制系統是整個系統的核心，能夠根據機車位置識別傳感器接收的信號并在第一時間快速運行邏輯和下達正確動作指令。邏輯控制系統通常使用SIL4級國家安全認證運算平臺，采用2×2取2冗余結構[3]。

1.2.3 操作執行子系統

重載列車電子開關自動過分相系統內置的操作執行子系統的主要構件為電子開關閥門組及各類精密控制設備，在故障發生時能及時采用冗余算法保護備用設備，并根據預設以最快速度通過燈光與警鈴的方式向技術人員報警[4]。

2 電子開關自動過分相系統的核心技術

2.1 高壓式晶體管道閥門開關技術

高壓式晶體管道閥門開關技術大幅提升了電子開關系統的可靠性，在實際應用中通過串聯的方式組裝多個成組分布的、非并聯結構的晶閘管，可以為中性電氣隔離區域及電氣軌道兩臂區域提供無感過渡基礎[5]。

2.1.1 晶閘管串聯數目

在實際應用中，需要參考地方工程的額定電壓及額定電流方面的規定，因地制宜地計算可串聯的晶閘管數目。國家現行標準規定額定電壓為27.5 kV，目前通用的計算公式如下：

式中：n為可串聯的晶閘管數目；U為重載鐵路電子開關系統所承載的運行電壓最大值；KU為開關相位轉換過沖系數，KU=1.4；KC為電壓系統安全系數，KC=1.5；URM為晶閘管的電壓阻斷額度；KJ為晶閘管串聯階段平均承受的電壓壓力系數，KJ=0.85。

根據軌道電壓承壓安全要求進行計算。系統中使用的晶閘管串聯系統在操作期間可以承載超過自身額定電壓2.5倍的過電壓。在查閱國家于1997年及2007年所設定的相關安全操作標準后，可以知道晶閘管電子閥門區域至少還要滿足80 kV工頻的耐壓范圍要求，故能夠被串聯的晶閘管數目最終由以下公式決定：

2.1.2 最大電流

最大電流的確定與軌道重載機車的最大運行功率及開關供電系統的安全性息息相關。通常情況下系統需要至少承受5個電波周期的短路電流波動循環，常規變電機構的最大電流一般為25 kA，部分規模較小的分區則將此數值調整為8 kA[6]。

2.2 過電壓抑制技術

重載列車經過中性隔離區時產生的電壓過載問題是電子開關自動過分相系統的常見問題，其發生的原因是列車通過此區域時相關等值電路出現波動，進而引發電路震蕩，導致電壓過載[7]。為了應對此類故障，提升重載機車運行的穩定性，在長期實踐中出現了以在中性段區域安裝電阻保護裝置為代表的過電壓抑制技術。該技術可以保護整個系統電路的參數結構穩定性，大幅消減列車通過時的電路震蕩幅度，進而將重載機車過分相階段產生的額外電壓控制在可控范圍內，其具體的電路結構如圖2所示。在圖2中，R1為牽引機車供電過程中供電臂的電阻；L1為牽引機車供電過程中供電臂的電感；R0為中性隔離段的電阻；L0為中性隔離段的電感；C0為中性隔離段本身的地電容；LL為重載列車的電感；CL為重載列車所承載的電容；US為牽引機車過程中的電源電壓；R、C為電路系統中的阻容吸收設備。

圖2 過電壓抑制技術的電路圖

根據圖2，在電路內的R、C尚未接通時，電路會在C0與LL的影響下出現震蕩反應，此反應的振動幅度與頻率的強弱與C0呈現負相關函數關系；當R、C裝置接通時，電路系統的電阻抗性將隨之升高，出現C＞C0，C0可忽略不計。

在電路接通后，中性隔離區域內的電阻與電感的數值較小，實際計算時R0與L0可忽略不計。同時，由于C＞C0＞CL，因此C0與CL也可忽略不計。過電壓抑制技術計算式的變量選用了電容C及電壓uc，其具體計算式如下：

在此式基礎上，得到明確電路特征方程如下：

式中：p為電功率。經過解方程可得：

式中：A1、A2分別為交流接觸器兩端的電流數值；、為不同電功率下的電動勢數值。同時，此特征方程的根式如下：

式中：P1,2為電動勢數值。

另外，回路電壓振蕩頻率的計算公式為

式中：ω為角度頻率，滿足ω2=ω02-α2，ω0=,其中，ω0為初始振蕩角度頻率；α為振蕩恢復系數，滿足α=。

由此，可以得到以下結論：

（4）當R無限接近于時，電路回路振蕩也將無限趨近于0，同時，α的數值越大，電路回路振蕩恢復至平穩的速度也會越快，可以幫助系統更好地控制電壓波動的幅度和恢復的陡度。

3 電子開關自動過分相系統技術的實際應用

3.1 SS重載鐵路工程概況

應用電子開關自動過分相系統的SS重載鐵路工程的概況如表1所示。經工程組實地勘查，在排除該重載鐵路工程的自身問題及區域環境影響后，發現SS鐵路工程重載機車上坡動力不足，主要是因為鐵路電氣隔離區域處的牽引力較弱。對此，工程組根據SS重載鐵路工程電路的電壓、電流限額及電路接通方式，為SS重載鐵路工程加裝電子開關自動過分相系統裝置[8]。

表1 SS重載鐵路工程概況

3.2 電子開關自動過分相系統技術的應用成果

通過使用過分相Matlab仿真模型，在SS重載鐵路工程中加裝了電子開關自動過分相系統。施工后的SS重載鐵路工程在列車運行至電氣隔離區域時的電路換相速度較快（耗時5 ms），同時，換相階段的軌道電壓穩定性較高。通過無感換相與過分相系統的應用，讓重載機車在上坡列車段的速度更快、動力更強勁。

4 結束語

電子開關自動過分相系統構成精密、運作邏輯強，在電氣自動化技術廣泛應用于交通鐵路運輸的背景下，相較于使用傳統機械結構的自動過分相系統，電子開關自動過分相系統在重載鐵路中的表現更為優越，電子開關自動過分相系統可以保障重載機車運行的安全性和穩定性。為了提高電子開關自動過分相系統在鐵路工程建設中的使用率及普及率，文章重點分析了該系統的構成與關鍵技術，并展示了該技術在實際工程中的應用效果，助力我國重載鐵路交通網的建設與區域經濟的協調發展。