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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。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。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。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。列車通過(guò)電分相的過(guò)程被稱為過(guò)分相。

目前，我國(guó)普遍采用車載斷電自動(dòng)過(guò)分相方案。列車在即將進(jìn)入中性區(qū)前，通過(guò)應(yīng)答器得到位置信息，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)致列車過(guò)分相時(shí)速度損失很大，甚至停在中性區(qū)。另外，受線路分布電感、電容的影響，列車投切主斷路器時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生過(guò)電壓、過(guò)電流以及電弧。

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、列車持續(xù)受流的地面帶電自動(dòng)過(guò)分相技術(shù)的研究。

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。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)。以列車從左往右行駛為例，當(dāng)列車行駛到位置CG1時(shí)，開(kāi)關(guān)CB11閉合，中性區(qū)接觸網(wǎng)帶上A相電，列車帶電進(jìn)入中性區(qū)；隨后，當(dāng)列車行駛到中性區(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，列車帶B相電繼續(xù)行駛；最后，當(dāng)列車行駛到中性區(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。

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)。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。

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

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。

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，列車過(guò)分相時(shí)的理論失電時(shí)間可以小于10ms，列車幾乎無(wú)速度損失。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，并取得了良好的效果。

然而，對(duì)于重載鐵路而言，中性區(qū)一般比較長(zhǎng)，且列車運(yùn)行速度較慢，列車完成過(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)。當(dāng)列車牽引電流較大時(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，北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院的研究人員提出了一種應(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。

圖3 過(guò)分相裝置中的KCC18真空接觸器

圖4 地面自動(dòng)過(guò)分相裝置中的晶閘管閥組

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。

圖5 基于復(fù)合開(kāi)關(guān)的地面自動(dòng)過(guò)分相裝置

圖6 基于傳統(tǒng)電子開(kāi)關(guān)的過(guò)分相系統(tǒng)

該基于復(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。

本文編自2021年第23期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“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”，作者為張智、鄭瓊林 等。