地面自动过分相系统应用于重载列车的研究

马浩宇，郑琼林，冉 旺

（北京交通大学 电气工程学院，北京100044）

电气化铁路在我国铁路中所占的比例逐步增大。目前常用的自动过分相方式中，车载自动过分相和柱上开关自动过分相不适合陡坡、重载铁路的要求，在重载、长大坡道的情况下容易发生停车事故。而现有的地面自动开关过分相系统中开关器件普遍为真空负荷开关，由于机车断电后存在残压，合闸时会产生较大的过电压和过电流。特别是重载列车，由于电流较大，如果过分相时发生冲击，会造成比普通列车更大的危害。所以本文提出一种用晶闸管代替真空负荷开关的地面自动过分相方案，目的在于降低开关切换时的过电压和过电流。

1 交流电力机车建模

现有的文献中，大多将地面自动过分相系统中的机车等效成一个阻感负载，这样做简化了仿真模型，但可能会和真实情况有所差别。本文将单独搭建交流电力机车的模型，以求真实反映在机车过分相过程中的各个暂态过程，并讨论在列车通过分相区的过程中，机车四象限整流器的各种暂态过程。以HXD3型交流电力机车为参考，搭建并仿真交流电力机车的模型。

图1为HXD3型交流电力机车交-直-交系统主电路的原理图。在地面过分相系统的仿真与分析中，电力机车对外表现的特性主要是主变压器和四象限整流器的特性。为减小系统的复杂性，可以将牵引电传动系统和辅助电气系统的模型进行简化，用可控电流源代替中间直流环节以后的部分。

根据文献［2］中提供的资料，HXD3型交流电力机车主变压器、四象限整流器的参数如表1、表2所示。

四象限整流器简化后的原理图如图2所示，对于电网的基波电压和基波电流，有：

根据文献［3］可知，四象限整流器交流侧电感为

图1 HXD3型交流电力机车交－直－交系统主电路原理图

表1 HXD3型交流电力机车主变压器参数

表2 HXD3型交流电力机车交－直－交系统四象限整流器主要参数

图2 四象限整流器简化后的原理图

直流侧支撑电容为

根据以上公式及参数，可计算得到牵引电传动系统四象限整流器交流侧电感为1.5mH，直流侧支撑电容为9mF，直流侧等效电流源为500A；辅助电气系统四象限整流器交流侧电感为0.7mH，直流侧支撑电容为26mF，直流侧等效电流源为404A。

四象限整流器采用瞬态电流控制，控制模块模型如图3所示。

图3 四象限整流器瞬态电流控制系统模型图

图4 HXD3型交流电力机车牵引系统仿真波形图

图5 HXD3型交流电力机车交－直－交系统仿真波形图

图4为牵引电传动系统仿真波形图，从上往下依次是四象限整流器交流侧电压、交流侧电流和直流侧电压。图中可以看出，由于有预充电电阻，启动时交流侧电流没有太大波动，直流侧电压平稳上升，且迅速稳定在2 800V。辅助电气系统与牵引电传动系统类似，在此不作赘述。图5为HXD3型电力机车整体仿真波形图，从上往下依次是机车主变压器一次侧电压、电流，从图中可以看出，机车启动后，电流波形稳定。图6为机车起动以及额定工况运行时的功率因数，可以看出除起动过程外，机车功率因数接近1。所以搭建的电力机车模型基本符合真实情况。

图6 HXD3型电力机车起动与额定工况运行时的功率因数波形图

2 过分相系统分相区的接触网建模

图7和图8分别为地面过分相系统的原理图和仿真模型。模型包含中性段与接触网等效电路、晶闸管模型、过分相控制系统以及HXD3型电力机车模型。其中，左边和右边的电压源Ua、Ub以及Rs、Ls为接触网变电所的等效模型，Ua、Ub互差一定的电角度，Rs、Ls为变压器的等效阻抗；Za和Zb分别为两段接触网简化后的等效阻抗，接触网长25km；C1、C2分别为两段接触网与分相区中性段之间的电容；Zn1、Zn2分别为中性段等效阻抗的一半，中性段长200m；C为中性段接触网对大地的等效电容；Ka和Kb分别为代替真空负荷开关的两个晶闸管开关模型；CG1、CG2、CG3、CG4为机车位置传感器；模型上部的矩形框为过分相系统的控制模块；下部为HXD3型交流电力机车模型。

图7 地面过分相简化后的原理图

过分相模型基本原理如下：在0.3s之前，机车模型通过接触器与a相接触网相连，a相接触网给机车供电，此时晶闸管开关Ka闭合，中性段由a相接触网供电；在0.3s时，第1个接触器断开，第2个接触器闭合，模拟机车运行至中性段，此时是a相通过中性段向机车供电；在0.3s之后的某个时间，过分相控制系统断开晶闸管开关Ka、闭合晶闸管开关Kb，完成两相电网的切换，此时b相通过中性段向机车供电；在2s时，第2个接触器断开，第3个接触器闭合，模拟机车驶离中性段。

参照文献［4］的计算方法，中性线、接触网以及牵引变压器各项参数计算如下：

表3 各项参数计算

图8 地面过分相仿真模型图

3 机车通过分相区暂态瞬间仿真

3.1 开关分断过程仿真

对于使用真空负荷开关作为开关器件的地面过分相系统，突然关断真空负荷开关，将会发生类似于切除空载变压器的暂态过程。电流的切断过程中，di／dt很大，很容易产生截流过电压。

要想减少截流过电压，就要尽量在电流过零点分断电流，用晶闸管代替真空负荷开关是最理想的方法。晶闸管的一个特性就是电流减小到维持电流以下时，晶闸管关断，并且关断时不会产生任何截流过电压。以此来看，晶闸管是地面过分相系统理想的开关器件，不用对晶闸管做另外的控制，只用在需要关断的时刻停止晶闸管的触发脉冲，到下一个电流过零的时刻，晶闸管会自行关断，不会产生真空负荷开关关断时产生的过电压。

图9为普通开关作为分断器件的关断暂态过程，图中从上往下依次为电压和电流，从图中可以看到，普通开关关断时，由于电压电流不为零，电压出现很大的波动。

图10为用过零开关作为分断器件的关断暂态过程，用以模拟真空负荷开关。从图中可以看出当开关关断后，会有很长的振荡过程，如果在振荡未结束的时候合闸，将会产生很大的过电压和过电流。

图11为用晶闸管作为分断器件的关断暂态过程，从图中可以看出，在电流小于维持电流后，晶闸管自然关断，不会产生截流过电压。对比3个图可以得出结论，在关断瞬间的暂态过程，用晶闸管作为开关器件要优于其他两种。

3.2 开关导通过程仿真

在晶闸管开关Ka关断后，a相停止对中性段供电，机车此时处于断电状态。在无电状态下，辅助电气系统的异步电动机与变压器二次侧绕组仍然构成回路，有的异步电动机处于发电机状态，会在主变压器一次侧耦合出一个电压，使中性段产生残压。如果此时晶闸管开关Kb导通，中性段残压会和后一相接触网的电压叠加并产生振荡。响应为50Hz的稳态量和大于50Hz的暂态量的叠加，当稳态量和暂态量同相时，就会产生合闸过电压。

从合闸过电压的产生机理看，减少合闸过电压的关键就是减小晶闸管开关Kb导通瞬间中性段和b相电压的瞬态压差。在本文中，采用的方法是实时检测中性段和b相的电压值，当过分相系统发出导通指令后，并不立即触发晶闸管开关Kb，而是等到中性段的电压和b相的电压之差小于一个给定的阈值后，再触发晶闸管开关Kb导通，以此减小中性段和b相的瞬态压差。

牵引变电所的牵引变压器有不同的结线形式，对应分相区两边接触网不同的相位差。比如三相YN，d11结线的牵引变电所，分相区两边接触网的相位差为60°，而斯科特结线的牵引变电所，分相区两边接触网的相位差为90°。

（1）b相电压滞后a相60°

如果Ka关断后，在中性段电压与b相电压差值满足条件的时刻立即导通Kb，实际应用中有可能会出现Ka没有关断而Kb导通的情况，引发相间短路，所以电压差满足条件后，延迟导通Kb。图12为滞后60°时换相过程的波形图。在中性段电压与b相电压的差值小于500V后，延时触发晶闸管开关Kb。图中第1行为中性段电压波形和b相电压波形，第2、3行分别为机车的电压和电流波形（下同）。从图中可以看出，中性段电压由a相切换到b相，平滑过渡，没有出现过电压，切换后的下一个周波，电流有微小的过冲，断电时间为43.3ms。

（2）b相超前a相60°

图13为超前60°时延迟一个周波触发的仿真波形图。从图中可以看到，此时断电时间为36.7ms，且没有出现较大的过电流。

（3）b相滞后、超前a相90°

此种情况与前两种情况相同，在此不作赘述，只给出仿真波形图。

4 结束语

综上所述，在过分相系统换相的暂态过程中，晶闸管开关的关断不需要特别的控制，在停止晶闸管开关的触发脉冲后的下一个电流过零点，晶闸管会自行关断，且不会出现过电压。晶闸管导通的条件是中性段电压与b相电压之差满足阈值，且经过一个周波左右的延时。根据仿真结果可知，利用晶闸管代替真空负荷开关后，在地面自动过分相系统换相瞬间，不会出现严重的过电压与过电流，达到了消除过电压与过电流的目的，克服了地面自动过分相的缺点，避免经常更换分断器件，提高了系统的稳定性。

［1］严云升.电力机车自动过分相方案的探讨［J］.机车电传动，1999，（6）：1-3，7.

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［4］潘卫国.电气化铁道牵引网地面开关式自动过分相装置暂态过程分析［D］.成都：西南交通大学，2008.

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