电力机车自动过分相技术分析

王 波 通号（长沙）轨道交通控制技术有限公司

重载高速轨道交通，牵引供电一般均采用单相交流25 kV电压等级供电，单一供电臂不能过长，一般不超过20 km（AT供电也不超过40 km），各个供电臂之间必须设置分相装置。虽然分相装置技术不断进步，从最初的器件式向关节式发展，从最初的六跨式关节、七跨式，直到十一跨式，但所有关节都存在中性段问题，机车必须在经过中性段时进行断电通过。这对机车的速度、分相设置的位置、相关的信号标识、司乘人员的精力、及其他辅助的设施等都提出了要求。特别是重载列车，大坡度区段，曾经发生过列车停在中性区，请求救援的事件发生，给正常运输秩序带来很大的影响。在市域铁路中，由于线路曲线半径较大、速度较慢，很容易发生机车停留在中性区的现象。随着列车速度的提高，为了克服这些问题，采取了一系列技术措施。

1 早期的自动过分相技术（装置）

1.1 地面自动转换电分相装置

通过轨道电路来控制断路器S1、S2的断、合；保持中性段分别与A相段和B相段同相，保证机车通过F1、F2断口时，可以不断电通过(如图1所示)。

图1 地面转换过电分相结构图

1.2 柱上式电分相自动转换装置

和地面自动转换电分相原理基本相同，主要是在支柱的杆顶布置，省去了地面建设和空间，结构相对简单。在设备和结构上是对称布置的，能够适应正反向行车要求。

1.3 车上式过电分相自动转换装置

主要是在店里机车控制室及电分相区域安装必要的装置和设备，以至于不需要人工干预而实现电力机车自动转换的电分相装置。主要是地面感应器，车载感接收装置，主电路设备，控制设备等自动进行机车主断路器的断、合操作。避免了误操作引起的事故，但存在一定的速度损失。

以上几种方式，都有不同的创新。有明显端口的断路器用半导体开关及并联电路组成的无节点转换开关代替。地面位置确认有采用轨道电路方式的，有电磁方式的，随着现代列控方式的发展，采用应答器、GPS定位或北斗定位等方式都可以实现。通过位置信号，给与司乘人员提示或直接作用于机车的相关断路器等电器控制开关。存在主要问题：还不能实现严格意义上的连续无断点供电，在中性区进行换相的过程中，还是存在涌流问题。

2 准同相供电技术

“接触网电分相连续供电系统”为基于大功率电力子变流技术的四象限变流器，它从接触网牵引母线取电，通过四象限变流装置的 PWM技术，将27.5 kV牵引母线电源通过交-直-交变换，输出相位、幅值均可调的电压给接触网分相区的中性段供电，列车通过分相区期间让中性区始终连续的与两端的接触网动态同相供电，彻底消除以往传统开关式换相过程中无法杜绝的杜绝的暂态过电压或电弧产生的条件。这种方式实现的列车带电过分相，不存在开关有载操作，因而全过程没有操作过电压，且全过程供电中，可始终保证电源品质符合国家标准。线路试验证明，在动态换相换电过程中，列车各典型工况下的工作状态完全正常，因而电分相连续供电系统，可良好匹配和适用各机车类型 (系统装置组成如图2所示)。

图2 接触网电分相连续供电系统组成图

该技术在长株潭城际铁路已经进行了应用，效果良好。

3 基于对称补偿的同相供电技术

为保证电力系统的平衡及电压质量，要求铁路供电尽量要保证系统三相平衡。变压器的接线方式由Y/D-11接线，及次边为三角形平衡接线，对系统影响较小，单变压器器利用效率较低。或者利用单相接线或V型接线，虽然每个变电所对系统不平衡，但通过三个（3的N倍）变电所依次换相后，可以保证系统的平衡。或者通过Scott接线或Wood Bridge接线方式的三相-两相平衡变压器来保证系统三相平衡，但是依然无法取消同一变电所变压器次边的两相之间的分相。

根据steinmetz电路，对目前的铁路常用的V/V，YN/D接线方式下的次边不同相位的两相分别利用电容、电感正负平衡的补偿作用，达到相位一致，从而可以取消变电所出口处的分相装置。电感和电容的容量相等，平衡电路既不吸收无功也不产生无功（如图3所示）。

图3 用于YN/D和V/V牵引变电所的steinmetz电路

该方式无法取消两个变电所之间的分相装置。但供电臂的延长增加了事故时的故障范围。

4 基于电力电子技术的同相供电

对次边的另一相采用交-直-交方式，使用电力电子技术，变换相位及幅值后，保持与另外一相同相，相当于两支馈线并联运行。与两台变压器并联运行的要求类似。

该种方式对有源逆变器的容量提出了更高的要求。

5 基于电力系统的同相供电

（1）依靠电力系统的直流供电方式，每个牵引变电所使用直-交方式，保证全线的交流为同一相位和幅值，这样可以取消全线路的所有的分相装置，实现全线路无分相。

（2）在市域铁路、城际铁路及国铁相对密集的区域，对同一电力系统，采用市域铁路、城际铁路、国铁各变电所从系统的三相分别取流，保证系统三相基本平衡，各铁路变电所实现同相供电。

通过对目前牵引供电电分相处，保证机车自动通过分相装置、技术及方法的梳理分析，为设计、施工应用提供一个技术对比参考。但仅仅是从技术角度的基本原理进行了分析，对其经济可行性，及对次边补偿后，对系统侧的谐波、负序、无功等因素的影响未进行深入讨论。随着列车速度、载重量的提高和增大、司乘人员劳动环境的改变、技术的发展进步和人们对乘车舒适度要求的提高，无分相装置的同相供电技术是未来发展的方向。当然新技术的应用还要从电力系统的现状、具体要求、投资大小、行车组织、牵引供电质量的要求等方面进行技术经济论证和分析。