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?;跈C(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。