基于IGBT的地面自动过分相技术研究

武 欢

(辽宁铁道职业技术学院，辽宁 锦州 121000)

0 前言

为了保证电网供电质量，一般采用的循环单相供电的方式，同时就带来了在换相点产生相间短路的问题。众所周知，三相交流电两相短路会产生严重的后果，造成车辆和人身危险。故在牵引网中，每隔25～30km距离设置一个分相开关实现电气隔离[1]，我们称之为电分相，也就是中性区段，机车通过这个特殊区域的过程叫过分相技术。如图1所示。

图1 牵引供电系统电分相

现有的自动过分相方法主要有2种：地面自动过分相、车载自动过分相控制。这2种过分相的方案，都存在着利弊，影响机车带载能力和保持车速，间接对电气化铁路造成危害，影响铁路运输安全。

1 电气化铁路过分相暂态分析

当电气机车通过电分相时，弓网系统的电气特性以及等效电路都会出现变化。因此需要对暂态现象进行推导。

在进行参数计算前，需要对不停电的前提下假设使用的q1、q2、s1、s2、s3 5个开关进行模拟量控制分析，然后选择其开合。

如果以列车上行线通过分相区为例，行车模拟如下由A向B运行：

Tl时刻：地磁感应器1发现前方有机车，关q1开关，使无电区带A相电，相当于其于A供电臂导通；

T2时刻：机车进入过渡位置，关s2开关，机车同时从A供电臂和中性段取流；

T3时刻：当机车通过过渡后，开s1开关，机车仅仅跟中性段接通；

T4时刻：地磁感应器2发现有机车通过，开q1开关，将中性段与供电臂断开；

T5时刻：防止短路，稍后关q2开关，将中性段与B供电臂连接起来；

T6时刻：机车驶入新的过渡区间，关s3开关，导致受电弓与中性段和新供电臂连接；

T7时刻：列车继续行驶之后，开q2开关，受电弓与另外接触线接触；

T8时刻：机车完全通过电分相以后，q2断开，过分相完成。

其中截流过电压：

合闸过电压：

2 基于IGBT地面自动过分相方案设计

基于IGBT的电力电子器件的选择以及系统的搭建需要注意几点：工况下电子元件热效应，过分相各阶段电子开关响应时间，电路导通截止偏移现象，驱动电路，限压结构，微机保护等相关技术点，由于新型的电力电子器件需要在牵引供电系统中应用，那么必须考虑更多高铁机车时速、带载、接触网、牵引变电所等要素。众所周知，高铁接触网工作电压27.5kV，电子元件不能承受过高电压，采取措施降低电压，合理选型，结构以及驱动电路就非常重要。

基于IGBT地面过分相大致过程如图下所示。

图2 进入中间断电区

A电源以此类推重复上面过程。

整个自动过分相系统中，机车对电分相的相对位置关系直接决定电力电子开关动作时间和逻辑组合，可以采用常见的电压检测模块。通过电压检测信号也就是接触网的电压0值，使驱动电路控制电力电子开关的分合，8组IGBT采用串联连接就能够使电子开关耐住接触网27.5kV的高压，为方便组合，通过多组IGBT反并联，疏通正负序电流，杜绝零序电流。工作过程大致可以分为8个过程。

高压侧由于需要使用大功率电子器件，考虑接触网的高压情况，仅仅采用少量电力电子元件，其耐压程度远远不够，为了保证牵引网的供电可靠性，防止可能发生的高压大电流故障，采用“分压分流”方法，可以通过并联分流串联分压对电力电子元件进行合理科学的组合。多个IGBT串联提高其整体耐压强度，多个IGBT并联减小其电流冲击。根据电流电压关系，IGBT的并联可以提高线路允许的最大电流，IGBT串联可以提高线路的耐压能力。如果仅仅追求提升单个电力电子开关的耐压和带载情况，其成本就会大大增加，相对而言，利用简单的电路原理，科学合理地组合单个电力电子元件就可以起到事半功倍的效果。充分利用IGBT的串并联，使其适应目前高铁弓网系统要求，为了使主开关器件承受此等高电压采用对IGBT模块进行串、并联使用。

在机车通过电分相的时候，保证供电可靠性，一般可以采用两组IGBT联合动作，使用自锁和互锁增加响应速度和可靠性，同时，为了保证电压检测效果，以电压零值为标准，小干扰不动作，只有真正的电压检测信号才动作的设计，保证信道畅通。在整个系统中必须快速准确检测各信号，才能够在最短的时间内动作减少无电时间。为了保证整个自动过分相安全可靠，需要尽量精确取值，达到毫伏级的测量电路。