新型地面自动过分相技术研究

李艳军

（广西铁路投资集团有限公司，工程师，广西 南宁，530029）

我国铁路供电多采用交流单相工频换相供电，为避免相间短路，在牵引变电所出口及分区亭处设置一段两端都有电气分段的接触网，即中性段（或电分相）。中性段由中性区、两端锚段关节组成。中性段隔离了同一条线路两个相邻的具有不同标称电压或相位的电气区段。由于中性区接触网本身不带电，列车通过时，车载设备或地面装置需要进行特殊的操作。

目前我国电气化铁路多采用车载设备断电过分相方式，此种方式主牵引系统断电，机车牵引出力降为零。所以列车在电分相区间内会有速度损失，列车牵引供电系统会出现冲击过电压等问题。与车载设备断电过分相方式相比，地面不断电自动过分相技术运用电力开关使列车在中性区持续带电，虽然可以消除前者不足，但由于该技术均采用机械开关作为主执行机构，不仅寿命低，而且分合闸瞬间仍然会有过电压冲击。

本文采用电子开关(晶闸管阀组)作为开关切换的执行机构，利用其寿命长、开关柔性无电弧的特点，实现机车不退级带电且保持牵引力和不减速通过电分相区。同时提出机车位置检测新方法，该方法不依赖任何地面位置信息、不在接触网加装任何传感器，采用全新的检测手段准确定位受电弓位置，从而在合适的时间触发相应的电子开关动作。

1 系统构成

图1 新型地面自动过分相装置主接线图

图1为新型地面自动过分相装置主接线图，图中各部分组成和功能如下：

1）复合开关：Swich A、Swich B为由普通机械开关与晶闸管组成的复合开关，用于本装置对中性区进行供电。复合开关动作时，晶闸管先触发导通，机械开关在晶闸管导通后在零电压下进行分合动作，机械开关无电弧产生，可提高开关工作寿命。

2）隔离开关：QS1、QS2、QS3、QS4为高压隔离开关。正常工作时所有隔离开关均处于闭合状态，装置检修时需分断所有隔离开关。

3）断路器：QF1、QF2为高压断路器。

（a）正常工作时，QF1和QF2闭合。

（b）本装置故障时，无法正常执行分闸操作，操作QF1、QF2，替代本装置的分断功能。

（c）供电网络出现短路故障时，直接断开QF1和QF2，保护本装置不受损坏。

4）避雷器：F1、F2、F3、F4为电力避雷器，实现对本装置的过压保护。

5）电压互感器：PT1、PT2、PT3为高压互感器。PT1采集左侧供电臂接触网对地电压，PT2采集中性区接触网对地电压，PT3采集右侧供电臂接触网对地电压。PT1、PT2、PT3的作用：

（a）用于列车受电弓的位置检测；

（b）用于接触网过电压、供电臂接触网及中性区接触网对地短路的检测及保护。

6）电流互感器：CT1、CT2、CT3、CT4、CT5为电流互感器，用于采集各条支路电流。

CT1、CT2分别采集流过两根110 kV/27.5 kV牵引变压器及地面自动过分相装置公共连接点与供电臂接触网连接线的电流，CT3、CT4分别采集流过两根中性区连接线的电流，CT5采集流过Switch A与Switch B公共支路的电流。CT1、CT2、CT3、CT4、CT5的作用：

（a）用于列车受电弓的位置检测；

（b）用于消弧电源的控制；

（c）用于Switch A与Switch B的过电流保护。

2 复合开关工作原理

以Swich A为例对复合开关工作原理进行阐述。

2.1 开关合闸过程 当开关收到合闸命令后机械开关KMa、晶闸管阀组TMa和辅助晶闸管TA同时进行合闸动作，即合KMa、触发TMa、触发TA。由于晶闸管阀组TMa动作速度快，先导通，因此可避免机械开关闭合时的预击穿烧蚀。复合开关合闸过程状态分别见图2（a）、图2（b和图2（c））。

1）如图 2（a）所示，触发 TMa晶闸管阀组导通KMa合闸同时动作。晶闸管阀组TMa两端有系统电压27.5 kV，接收到触发脉冲后导通；KMa合闸时间100 ms左右，所以在KMa合闸完成的这段时间内，中性区由晶闸管TMa供电。

2）如图2（b）所示，KMa合闸完成后，辅助晶闸管TA满足正向触发条件，同时具有触发脉冲，随之正常导通，此时中性区由晶闸管TMa和机械开关KMa两支并联回路同时供电。

3)如图2（c）所示，晶闸管阀组TMa触发导通后，一直保持周期触发脉冲，当检测到KMa合闸完成后，停止发出“触发TMa”的控制命令，晶闸管阀TMa在电流过零后自然关断，中性区完全由机械开关供电。

2.2 开关分闸过程 当开关收到分闸命令后机械开关KMa、晶闸管阀组TMa和辅助晶闸管TA同时作分闸动作，即分KMa、触发TMa、停止触发TA。机械开关在晶闸管阀组TMa导通后才分闸，此时机械开关两端电压为零，不会产生分闸电弧，因此可避免机械开关分闸时的电弧烧蚀。复合开关分闸过程状态分别见图3（a）、图3（b和图3（c））。

1）如图3（a）所示，触发TMa、停止触发TA的命令同时发出，TA在触发命令停止后，当电流自然过零时，TA关断。

2）如图3（b）所示，TA关断后，TA的吸收回路充电在TMa两端开始建立电压，当电压上升至200V左右时，满足TMa导通条件，TMa开始导通维持回路供电。

3）如图3（c）所示，待检测到KMa完全分闸后，停止TMa触发脉冲，晶闸管阀TMa在电流过零后自然关断，由此供电回路完全断开。

3 地面自动过分相装置工作原理

1）列车进分相区前：即机车受电弓在未进入分相区锚段关节前，机车一直由馈线供电，新型地面自动过分相装置处于等待状态。

2）列车进分相区：机车受电弓进入锚段关节，当受电弓运行于馈线接触网与中性线等高点时，受电弓同时与馈线接触网与中性线接触，中性线通过受电弓与馈线等电位，使得中性线与馈线电压相等，即PT2与PT1相等。新型地面自动过分相装置通过识别PT2的变化，当与PT1相等时即判定机车进入中性区，开始过分相过程。

当识别到列车进入分相区后，立刻闭合Swich A，使得中性区通过Swich A仍然由馈线B供电。

3）列车位置判断与开关切换：列车在中性区运行时，电流通过CT3/CT4供给机车，电流分布比根据机车受电弓位置到新型地面自动过分相装置两个上网点的线路阻抗比变化，机车运行时到两个上网点的线路阻抗实时变化，由此引起CT3/CT4电流比变化，从而可以计算出机车等效受电弓位置。

当CT3/CT4电流比值为1时，即受电弓到两个上网点的阻抗值完全相等，可以看作机车运行到中性区的中点位置。此时发出断开Swich A的命令，在Swich A断开后再发出Swich B合闸命令，使中性区转换为带馈线A的电。

中性区切换过程中，装置可在任意角度上断开前序开关，撤除TA触发脉冲后，晶闸管在电流自然过零后关断，不会产生电压电流突变。但是对机车而言，切除电源后，牵引变压器上仍然有残压，并以不确定周期衰减，若切换时间过短或者合闸角度选择不合适，会导致列车产生较大的冲击电流，影响设备或机车的安全运行。本装置选择的切换角度参数为72°，切换间隔5 ms。

4）列车出分相区：当列车运行到出分相处馈线接触网与中性线等高点处，受电弓同时与馈线和中性线搭接，列车供电电流开始从中性区向馈线转移，此时CT2/CT3/CT4/CT5发生变化。变化趋势为CT2逐渐增大，CT3/CT4/CT5逐渐减小，当CT3/CT4/CT5变为0，CT2不再增大时，判断列车驶出分相区，此时发出断开Swich B的命令，使得中性区不带电，恢复到等待下一次列车过分相状态。

4 装置试验分析

本装置应用于某重载铁路牵引变电站，该牵引变电站主变压器的接线方式为Vv0，变比110 kV/27.5 kV，馈线出线A、B两相电压角度相差60°。

试验采用SS4B电力机车双机重联方式，牵引重载货运列车。机车在通过电分相区时不降弓、不断主断、不退级，正常行车通过，保证在过分相时仍能按大功率牵引出力，以验证地面自动过分相装置的功能及性能。

图4为机车在通过电分相区时，新型地面过分相装置正常工作时的波形图。由图形可以看出，在地面自动过分相装置切换前，中性区带A相电，机车正常工作取流，当机车运行到中性区中点时，地面自动过分相装置切换动作，中性区电压从A相切换到B相，瞬间失电时间6.4 ms，由于失电时间极短，对机车的平稳运行几乎没有影响，机车能够保持大功率牵引出力通过分相区域。

图4 新型地面自动过分相装置现场试验波形图

5 结论

本文提出的新型地面自动过分相技术，可实现机车不退级带电且保持牵引力和不减速通过电分相区，同时采用复合开关替代传统机械开关，安全性可靠性经济性明显提升；采用新颖的机车位置检测方法和手段，保证了位置监测信号的可靠性，对解决类似问题具有参考和借鉴意义。