重载铁路电子开关自动过分相系统研究——以SS重载铁路工程为例

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0 引言

现阶段，我国重载铁路多使用电气化技术进行单向供电。相较于普通铁路，重载铁路具有承载负担大、运行坡度高的特征，在无电路段的运行中，列车的速度和运行牵引力会受到很大的影响。为此，在重载铁路中应用了地面开关过分相系统，这一系统的应用减少了在列车运行和日常维护中的人员工作量和时间、资源的浪费。在诸多地面开关过分相系统中，相较于传统机械系统，采用大功率电力电子器件进行移相的地面柔性自动过分相技术避免了机械结构在反复运转时出现的各类电压不平衡波动，有效延长了铁路运行的寿命和稳定性，在重载铁路的应用中取得了不错的成绩。

1 电子开关自动过分相系统概述

1.1 运作原理

电子开关自动过分相系统的运作原理如图1所示。图1中列车下方所排列的轴线为电子开关过分相系统地面方向的可视传感线路，CG2所在位置为轨道单向供电所形成的电气隔离区域，而CG1及CG3则分布于距离CG2有一段距离的铁轨处；SCR_V1与SCR_V2为相供电网络中电相转换的图示。当重载列车自出发点途经靠近电气隔离的CG1时，轨道电路中的SCR_V1会被激活导通，为重载铁路及机车供电；当列车行驶在中性区时，CG2会使SCR_V1关断、SCR_V2导通，在中性区阶段电路仍然畅通无阻；当列车继续驶向CG3段时，该轨道路段的传感器会以高电平信号的形式传输机车位置，触发阀组控制器，使SCR_V2电路限制关停，并以总控制系统的逻辑权限将电路电相恢复至初始状态，而后由CG1开始电路系统的下一个带电过分相的循环过程[1]。

图1 电子开关自动过分相系统运作原理示意图

1.2 系统构成

完整的电子开关自动过分相系统由一个复杂的电路循环系统构成，其中包含诸多电路传感装置、负责指令派遣的核心控制装置及其配套的各种操作执行装置[2]。

1.2.1 重载机车位置识别子系统

重载列车位置识别子系统是电子开关自动过分相系统运行的关键，该位置识别子系统需要通过模块化无损安装的方式，加装传感设备装置，然后启用联网双冗余备用系统进行模块化管理。

1.2.2 逻辑控制系统

在重载列车电子开关自动过分相系统中，逻辑控制系统是整个系统的核心，能够根据机车位置识别传感器接收的信号并在第一时间快速运行逻辑和下达正确动作指令。逻辑控制系统通常使用SIL4级国家安全认证运算平台，采用2×2取2冗余结构[3]。

1.2.3 操作执行子系统

重载列车电子开关自动过分相系统内置的操作执行子系统的主要构件为电子开关阀门组及各类精密控制设备，在故障发生时能及时采用冗余算法保护备用设备，并根据预设以最快速度通过灯光与警铃的方式向技术人员报警[4]。

2 电子开关自动过分相系统的核心技术

2.1 高压式晶体管道阀门开关技术

高压式晶体管道阀门开关技术大幅提升了电子开关系统的可靠性，在实际应用中通过串联的方式组装多个成组分布的、非并联结构的晶闸管，可以为中性电气隔离区域及电气轨道两臂区域提供无感过渡基础[5]。

2.1.1 晶闸管串联数目

在实际应用中，需要参考地方工程的额定电压及额定电流方面的规定，因地制宜地计算可串联的晶闸管数目。国家现行标准规定额定电压为27.5 kV，目前通用的计算公式如下：

式中：n为可串联的晶闸管数目；U为重载铁路电子开关系统所承载的运行电压最大值；KU为开关相位转换过冲系数，KU=1.4；KC为电压系统安全系数，KC=1.5；URM为晶闸管的电压阻断额度；KJ为晶闸管串联阶段平均承受的电压压力系数，KJ=0.85。

根据轨道电压承压安全要求进行计算。系统中使用的晶闸管串联系统在操作期间可以承载超过自身额定电压2.5倍的过电压。在查阅国家于1997年及2007年所设定的相关安全操作标准后，可以知道晶闸管电子阀门区域至少还要满足80 kV工频的耐压范围要求，故能够被串联的晶闸管数目最终由以下公式决定：

2.1.2 最大电流

最大电流的确定与轨道重载机车的最大运行功率及开关供电系统的安全性息息相关。通常情况下系统需要至少承受5个电波周期的短路电流波动循环，常规变电机构的最大电流一般为25 kA，部分规模较小的分区则将此数值调整为8 kA[6]。

2.2 过电压抑制技术

重载列车经过中性隔离区时产生的电压过载问题是电子开关自动过分相系统的常见问题，其发生的原因是列车通过此区域时相关等值电路出现波动，进而引发电路震荡，导致电压过载[7]。为了应对此类故障，提升重载机车运行的稳定性，在长期实践中出现了以在中性段区域安装电阻保护装置为代表的过电压抑制技术。该技术可以保护整个系统电路的参数结构稳定性，大幅消减列车通过时的电路震荡幅度，进而将重载机车过分相阶段产生的额外电压控制在可控范围内，其具体的电路结构如图2所示。在图2中，R1为牵引机车供电过程中供电臂的电阻；L1为牵引机车供电过程中供电臂的电感；R0为中性隔离段的电阻；L0为中性隔离段的电感；C0为中性隔离段本身的地电容；LL为重载列车的电感；CL为重载列车所承载的电容；US为牵引机车过程中的电源电压；R、C为电路系统中的阻容吸收设备。

图2 过电压抑制技术的电路图

根据图2，在电路内的R、C尚未接通时，电路会在C0与LL的影响下出现震荡反应，此反应的振动幅度与频率的强弱与C0呈现负相关函数关系；当R、C装置接通时，电路系统的电阻抗性将随之升高，出现C＞C0，C0可忽略不计。

在电路接通后，中性隔离区域内的电阻与电感的数值较小，实际计算时R0与L0可忽略不计。同时，由于C＞C0＞CL，因此C0与CL也可忽略不计。过电压抑制技术计算式的变量选用了电容C及电压uc，其具体计算式如下：

在此式基础上，得到明确电路特征方程如下：

式中：p为电功率。经过解方程可得：

式中：A1、A2分别为交流接触器两端的电流数值；、为不同电功率下的电动势数值。同时，此特征方程的根式如下：

式中：P1,2为电动势数值。

另外，回路电压振荡频率的计算公式为

式中：ω为角度频率，满足ω2=ω02-α2，ω0=,其中，ω0为初始振荡角度频率；α为振荡恢复系数，满足α=。

由此，可以得到以下结论：

（4）当R无限接近于时，电路回路振荡也将无限趋近于0，同时，α的数值越大，电路回路振荡恢复至平稳的速度也会越快，可以帮助系统更好地控制电压波动的幅度和恢复的陡度。

3 电子开关自动过分相系统技术的实际应用

3.1 SS重载铁路工程概况

应用电子开关自动过分相系统的SS重载铁路工程的概况如表1所示。经工程组实地勘查，在排除该重载铁路工程的自身问题及区域环境影响后，发现SS铁路工程重载机车上坡动力不足，主要是因为铁路电气隔离区域处的牵引力较弱。对此，工程组根据SS重载铁路工程电路的电压、电流限额及电路接通方式，为SS重载铁路工程加装电子开关自动过分相系统装置[8]。

表1 SS重载铁路工程概况

3.2 电子开关自动过分相系统技术的应用成果

通过使用过分相Matlab仿真模型，在SS重载铁路工程中加装了电子开关自动过分相系统。施工后的SS重载铁路工程在列车运行至电气隔离区域时的电路换相速度较快（耗时5 ms），同时，换相阶段的轨道电压稳定性较高。通过无感换相与过分相系统的应用，让重载机车在上坡列车段的速度更快、动力更强劲。

4 结束语

电子开关自动过分相系统构成精密、运作逻辑强，在电气自动化技术广泛应用于交通铁路运输的背景下，相较于使用传统机械结构的自动过分相系统，电子开关自动过分相系统在重载铁路中的表现更为优越，电子开关自动过分相系统可以保障重载机车运行的安全性和稳定性。为了提高电子开关自动过分相系统在铁路工程建设中的使用率及普及率，文章重点分析了该系统的构成与关键技术，并展示了该技术在实际工程中的应用效果，助力我国重载铁路交通网的建设与区域经济的协调发展。