- 頭條北京交大科研團隊提出應用于重載鐵路長分相的地面自動過分相裝置2022-05-11 作者：張智、鄭瓊林 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語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展。為此，許多地面帶電自動過分相方案相繼被提出。基于電子開關的地面自動過分相裝置由于結構簡單、成本相對較低，得到了較為廣泛的應用。然而，對于重載鐵路中的長分相，電子開關工作時間長，損耗較大，需要增加輔助散熱裝置，降低了系統可靠性。 北京交通大學電氣工程學院的研究人員張智、鄭瓊林、張智博、李凱、郝瑞祥、游小杰，在2021年第23期《電工技術學報》上撰文，提出一種應用于重載鐵路長分相的基于復合開關的地面自動過分相裝置。該裝置采用晶閘管閥組與高壓接觸器組合的結構，在實現列車帶電過分相的同時，顯著降低了開關的整體損耗。復合開關采用自然冷卻的方式即可滿足散熱需求，無需額外的散熱裝置，增強了系統可靠性。
為避免牽引負荷在電網中產生較大負序電流，影響電能質量，傳統交流電氣化鐵路普遍采用單相工頻換相供電方式。電力系統的110kV或220kV電壓經過牽引變電所的牽引變壓器變為27.5kV的單相交流電連接到接觸網上。為避免相間短路，線路上每隔20～30km就會設置一段兩端都有電氣分段的接觸網，即電分相。常見的電分相由中性區接觸網以及兩端錨段關節組成，主要應用在牽引變電所出口處和分區所處。列車通過電分相的過程被稱為過分相。
目前，我國普遍采用車載斷電自動過分相方案。列車在即將進入中性區前，通過應答器得到位置信息，自動斷開主斷路器。由于中性區接觸網本身不帶電，列車將在無牽引電流的狀態下依靠慣性滑過中性區，因此列車不可避免地存在速度損失。對于重載鐵路，有時候中性區長達一千多米，且可能位于上坡段，導致列車過分相時速度損失很大，甚至停在中性區。另外，受線路分布電感、電容的影響，列車投切主斷路器時可能會產生過電壓、過電流以及電弧。
這些問題嚴重制約了高速重載鐵路的進一步發展。如何使列車不失電過分相仍是電氣化鐵路供電亟待解決的一大難題，為此，國內外許多研究機構陸續開展了中性區帶電、列車持續受流的地面帶電自動過分相技術的研究。
日本新干線最早采用一種基于機械開關的地面自動過分相系統，其中，機械開關采用真空斷路器。基于機械開關的地面自動過分相系統如圖1所示，CB11和CB21為主開關，CB12和CB22為備用開關。以列車從左往右行駛為例，當列車行駛到位置CG1時，開關CB11閉合，中性區接觸網帶上A相電，列車帶電進入中性區；隨后，當列車行駛到中性區內位置CG3時，開關CB11斷開，而后開關CB21閉合，完成中性區電壓切換，列車帶B相電繼續行駛；最后，當列車行駛到中性區外位置CG4時，開關CB21斷開，中性區接觸網恢復不帶電狀態。
圖1 基于機械開關的地面自動過分相系統
基于機械開關的地面自動過分相系統控制簡單，通過快速切換真空斷路器，實現列車帶電過電分相，瞬間失電時間僅為250～350ms，顯著地減少了列車過分相時的速度損失。然而，高壓斷路器的壽命有限，且存在拒動的可能。為確保裝置的可靠性，需要增加一套冗余設備，從而增加了設備的成本和體積。
另外，真空斷路器不能精確控制動作時間。在斷路器斷開時，可能會關斷大電流，產生截流過電壓，甚至引起拉弧，進而燒損斷路器。在斷路器合閘時，可能會產生由線路分布參數引起的高頻振蕩過電壓，也可能會在列車主變壓器中產生勵磁涌流現象，進而造成繼電保護裝置跳閘。
針對機械開關存在的問題，國內外許多公司研究了基于電子開關的地面自動過分相技術。基于電子開關的地面自動過分相系統一般采用高壓晶閘管代替真空斷路器，多個晶閘管串聯增加耐壓能力并設置冗余，晶閘管反并聯實現電流雙向流動，基于電子開關的地面自動過分相系統如圖2所示。該方案利用晶閘管電流過零自然關斷特性避免截流過電壓并有效抑制電弧，通過精確控制晶閘管開通時間，避免中性區電壓切換過程中的過電壓和勵磁涌流。
圖2 基于電子開關的地面自動過分相系統
晶閘管制造工藝成熟、可靠性高、瞬時過電流能力強，且晶閘管失效后呈現短路特性，對于串聯的晶閘管閥組，如果在設計時充分考慮裕度，則當其中一個或多個晶閘管出現故障時，僅會使晶閘管串聯閥組耐壓能力下降，不會影響系統的正常工作，從而增強了過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械開關的過分相裝置相同，但由于晶閘管的開關動作更加精確可靠，列車過分相時的理論失電時間可以小于10ms，列車幾乎無速度損失。目前，神朔鐵路已采用這種基于電子開關的地面自動過分相裝置，并取得了良好的效果。
然而，對于重載鐵路而言，中性區一般比較長，且列車運行速度較慢，列車完成過分相可能需要2min左右，地面自動過分相裝置中的晶閘管閥組工作時間比較長。另一方面，晶閘管通態損耗與通態壓降和通態電流有關。當列車牽引電流較大時，晶閘管的通態壓降也會很大，尤其是采用了串聯閥組結構后，系統正常工作時，其通態損耗會非常大，長時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，增加的散熱器會增大系統的體積；而如果采用強迫風冷或者水冷的方式，則會顯著增加系統的固定成本和維護成本。此外，將強迫風冷或水冷的自動過分相設備應用于重載鐵路時，容易受環境中煤灰粉塵的影響而出現故障，降低了系統可靠性。
為此，北京交通大學電氣工程學院的研究人員提出了一種應用于重載鐵路長分相的基于復合開關的地面自動過分相裝置，采用晶閘管閥組與高壓接觸器的組合開關結構進行中性區電壓的安全切換，在實現重載列車帶電過分相的同時顯著降低開關的損耗，避免增加輔助散熱裝置，減小系統體積并提高可靠性。
圖3 過分相裝置中的KCC18真空接觸器
圖4 地面自動過分相裝置中的晶閘管閥組
復合開關由晶閘管閥組和高壓接觸器組成：一方面，復合開關利用晶閘管電流過零自然關斷和開通時間準確可控的特性進行中性區電壓的切換，避免開關過程中的過電壓、過電流以及電弧等問題，并保證高壓接觸器在閉合和斷開過程中都沒有電流，從而延長其電氣壽命；另一方面，當復合開關進入開通穩態后，列車牽引電流流過高壓接觸器和輔助晶閘管構成的輔助支路，利用高壓接觸器低導通損耗特性降低開關的總損耗，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構，進一步保證了復合開關的可靠性。
圖5 基于復合開關的地面自動過分相裝置
圖6 基于傳統電子開關的過分相系統
該基于復合開關的地面自動過分相裝置在實現列車幾乎無速度損失過分相的同時，降低了系統損耗，增強了系統可靠性，有利于高速重載鐵路的發展并提高其綜合效益。
本文編自2021年第23期《電工技術學報》，論文標題為“一種基于復合開關的交流電氣化鐵路地面自動過分相裝置”，作者為張智、鄭瓊林 等。
