高速铁路动车组不断电过分相技术研究

摘要：文章介绍了一种用于高速铁路动车组不断电过分相技术。该技术基于先进的电力电子技术，采用大功率晶闸管阀组作为开关装置，开关过程对动车组及接触网无电压电流冲击，动车组在过电分相时不失电，避免了现有车载断电过分相方式中存在的退级降速-重合闸增流加速过程问题，提高了高速铁路运行效率。

关键词：电气化铁路;电分相;晶闸管;不断电

0 引言

我国高速铁路采用50 Hz单相交流牵引供电网对动车组进行供电，受限于变压器供电范围，往往将整条高速铁路的牵引供电网分割为若干段，由多台变压器对牵引网供电。为了避免同变压器相间短路或者不同变压器间短路，通常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，即电分相。由于中性区接触网本身不带电，动车组列车通过电分相时，需采取特殊操作通过该段无电区域。

目前我国高速铁路动车组均采用车载设备断电过分相方式，即动车组在进入电分相前牵引变流器逐渐降流至零，然后断开主断路器，使动车组与牵引网的电气连接断开，辅助供电系统由电池供电，或者由牵引变流器再生制动供电，维持动车组空调、照明系统用电。由于在电分相区间内动车组无电，只能以惯性划过，所以动车组在电分相及附近区域内只能以较低的运行速度通过，影响运行效率。另外，动车组出分相后的加速过程中，牵引功率需求高，对牵引供电网的冲击也较大。

本文拟采用一种新型地面自动过分相装置，使得动车组列车在通过电分相区域时持续带电保持牵引力，保证列车不减速通过电分相区。

1 系统构成

图1为新型地面自动过分相装置主接线图，主要部件的功能如下：

（1）晶闸管阀组：TMa、TMb由多个晶闸管串联组成，用于本装置对中性区进行供电。开关动作时，晶闸管先触发导通，整个过程中无电弧、冲击产生，由此大大提高开关的工作寿命。

（2）断路器：QF1、QF2为高压断路器。正常工作時，QF1和QF2闭合;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;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。

（3）电压互感器：PT1、PT2、PT3、PT4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;PT4为检压器的一部分，用于列车位置判断。

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

2 晶闸管阀体设计

考虑开行CRH380型动车组16辆编组使用，其中CRH380AL型号最大功率为21 560 kVA，最大电流为784 A。

（1）供电电流按照800 A（有效值）来计算，流过晶闸管的最大通态平均电流为：

考虑1.5～2倍系数，晶闸管通态平均电流IT（AV）>（540～720 ）A。

（2）工作电压：持续工作最高电压为31.5 kV（rms）;瞬时峰值为60 kV。

由于单只晶闸管耐压等级有限，选用6 500 V耐压的晶闸管，需多只串联使用，串联层数计算过程如下：

取整数得nT=21。

考虑一定数量备用层数，取总层数为24。电压安全系数为：

3 地面自动过分相装置工作原理

根据动车组通过电分相区域的空间顺序，地面自动过分相装置的工作状态可分为：等待、开关投入、开关切换、出清复归等四种状态。本文按照地面自动过分相装置的四种工作状态，对原理进行说明。

3.1 状态1：等待

动车组进分相区前，机车受电弓在电分相区锚段关节前，机车一直由馈线供电，地面自动过分相装置处于等待状态。装置通过CT1监测动车组在本段供电臂上的运行状态，根据电流特征判断动车组型号、运行速度、距电分相区距离（见图2）。

3.2 状态2：开关投入

动车组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区接触网接触，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。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。

当识别到动车组进入分相区后，立刻触发TMa，使晶闸管阀组TMa导通，使得中性区通过TMa仍然由馈线B供电（见图3）。

3.3 状态3：开关切换

动车组在中性区运行，通过地面过分相装置给动车组供电。当动车组受电弓运行到检压器安装位置时，检压器通过动车组受电弓与中性区接触网相通，此时检压器与中性区接触网等电位。地面自动过分相装置通过识别PT4的变化，当与PT2相等时即判定动车组到达开关切换点位置。此时发出断开TMa的命令，在TMa撤掉触发脉冲，电流过零自然关断后，再发出TMb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TMa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。但是对动车组而言，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°，切换间隔为5 ms（见图4）。

3.4 状态4：出清复归

当动车组驶出电分相区，动车组恢复由馈线A供电，CT3电流变为0，此时发出断开TMb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（见图5）。

4 装置试验分析

本装置应用于既有线路，机车在通过电分相区时不降弓、不断主断路器、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。

如图6所示，列车从馈线B供电区域进入电分相区域，当受电弓在锚段关节等高点时，中性区电压通过受电弓与馈线B电压等电位，待TMa合闸完成后，机车电流逐渐从馈线B转移到中性区，待机车驶出锚段关节后，完全通过TMa给机车供电。

图7为机车在电分相中性区开关切换点附近运行时的供电波形图。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，瞬间失电时间为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8为机车在驶出电分相区时，地面过分相装置工作波形图。由图形可以看出，机车从电分相区域驶入馈线A供电区域，机车电流也逐渐从中性区供电转移到馈线A供电，但机车总电流维持稳定。

综合图6～8可知，列车在整个电分相区域均获得持续的供电电流，仅在地面自动过分相装置切换时短暂失电6.4 ms，但对机车连续运行无影响，从而证明不断电过分相技术的有效性。

5 结语

本文提出的高速铁路动车组不断电过分相技术，能够有效解决现阶段动车组在过电分相时运行速度降低的问题，能够有效提升高速铁路运行效率。

本文所述的高速铁路动车组不断电过分相技术已在既有线路上验证了原理的有效性，下一阶段需要进行进一步的试验，验证对全路运行的电力机车、电力动车组不断电过分相的有效性。

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作者简介：李艳军（1986—），工程师，硕士研究生，主要从事电气化铁路供电技术研究及电力系统技术研究工作。