一种电气化铁路地面自动过分相系统及工程验证

刘 杰 蔡俊锋 芦未末

（陕西靖神铁路有限责任公司）

0 引言

我国电气化铁路采用单相供电， 由安装在牵引变电所的变压器将电网三相电压转换为两个单相电压， 向两个相邻的接触网供电。这两个电压相位不同， 为了避免相邻接触网短路， 在相邻接触网之间设置电分相， 一般电分相每隔20~30km[1-2］。由于该电分相的存在， 列车行驶中频繁通过该电分相， 即列车频繁过分相。在过分相前， 列车若检测到前方存在电分相， 则将逐渐降低牵引力至0， 然后断开主断路器， 将列车上的牵引变压器与接触网断开连接， 使得列车惰行通过电分相， 这也就是国内外普遍采用的列车自动过分相。

列车自动过分相虽然带来了很多好处， 如减少了司机的人工操作， 提高了系统安全性等， 但是仍存在一定不足， 如过分相期间列车失去牵引力， 行驶速度会明显降低， 不利于运量的提升[3］。此外，列车主断路器的频繁动作， 经常产生过分相过电压， 严重时造成互感器等车载高压设备损坏[4-5］。因此， 有必要针对上述问题开展技术攻关， 提高列车过分相的性能。

我国开展了地面自动过分相的技术研究[6］， 在上个世纪80 年代逐步开展了以真空断路器为动作部件的地面自动过分相技术研究和工程应用， 但由于真空断路器难以根据电压相位实现精准控制， 易引起较大的暂态过电压， 因此暂态性能难以满足工程应用高可靠性要求。近些年， 我国采用功率半导体器件形成电子开关， 以此代替真空断路器实现地面自动过分相， 整体提高了应用性能。本文介绍了以电子开关为动作部件的地面自动过分相原理及应用。

1 地面自动过分相系统

1.1 系统结构

地面自动过分相系统结构如图1 所示。电分相由两个锚段关节和一段无电区构成， 将接触网分为两部分， 分别为供电臂a、 供电臂b。地面自动过分相系统包含三个输出端， 分别通过断路器QF1~QF3 连接至供电臂a、 电分相、 供电臂b 的接触网。其中， QF1 支路串联电子开关SCR-Ⅴ1， QF3 支路串联电子开关SCR-Ⅴ2， 两个电子开关输出端连接后通过QF2 向电分相的接触网。

地面自动过分相系统在轨道沿线布置传感器CG1~CG4， 当列车通过某传感器所在位置时， 该传感器向控制中心输出监测信号。控制中心根据传感器检测信息， 通过逻辑状态判断， 控制两个电子开关的导通或关断， 可实现列车的自动过分相。

1.2 电子开关

地面自动过分相系统的电子开关是核心部件， 是提高列车过分相系统的决定性因素。每个电子开关由多个反并联晶闸管串联构成， 可承受高电压、 大电流。晶闸管属于相控电力半导体开关， 当承受正向电压时给定触发信号， 晶闸管开关可以在很短时间内导通，动作时间一般为ms 甚至μs 级。当承受反向电压时，晶闸管可以快速自动关断。因此， 由晶闸管构成的电子开关可认为是一种理想的电力开关。

2 应用验证与分析

2.1 工程应用

靖神铁路是连接靖边与神木的国铁Ⅰ级电气化铁路， 是我国 “北煤南运” 战略运输通道。因该铁路存在大坡道线路， 传统的列车断电自动过分相限制列车运输能力提升。为此， 在靖神铁路开展了地面自动过分相的技术研究和工程验证。

在靖神铁路某站点开展了示范工程建设， 其一次系统如图2 所示。地面自动过分相系统连接在相邻两个供电臂和电分相接触网， 通过两端电压互感器采集电压相位， 实现晶闸管的零电压开通、 零电流关断。

图3 为试验波形， 其中通道1 为电分相接触网电压 （即2PT 采集电压）， 通道3 为右侧供电臂接触网电压 （即3PT 采集电压）， 通道4 为右侧供电臂接触网电压 （即1PT 采集电压） 。在无列车通过时， 两个晶闸管均关断， 电分相接触网无电压。当传感器检测到将有列车通过时， 晶闸管SCR-Ⅴ1导通， 电分相接触网由左侧供电臂接触网供电，通道1 和通道4 的电压相同。当列车输入后， 晶闸管SCR-Ⅴ1 关断， 在很短时间后 （约15.6ms） 晶闸管SCR-Ⅴ2 导通， 电分相接触网由右侧供电臂接触网供电， 通道1 和通道3 的电压相同。当列车完全驶出， 则晶闸管SCR-Ⅴ2 关断， 电分相接触网恢复至无电压状态。

图3 试验结果

2.2 效果分析

通过技术研究和工程试验分析， 可认为地面自动过分相系统缩短了列车过分相断电时间， 提升了列车过分相性能。传统列车自动过分相断电时间为十几秒甚至几十秒， 而地面自动过分相断电时间缩短至ms级别。因此列车牵引力维持时间更久， 速度损失很小甚至可以忽略， 这对长大坡道重载列车通过能力提升有重要的积极作用。此外， 由于晶闸管良好的动态开通、 关断性能， 其动作过电压得到有效抑制， 减小了车载高压电器的冲击损害， 进一步提高了列车过分相的安全性。

3 结束语

列车过分相是制约运输能力的关键因素之一，本文为了提高列车过分相性能， 介绍了一种采用晶闸管电子开关实现的地面自动过分相技术， 阐述了其系统结构和功能原理。此外， 开展了工程试验，其结果验证了其性能的有效性。地面自动过分相有效减小了列车过分相的断电时间， 提高了列车通过长大坡道的能力， 并且抑制过分相暂态过电压， 保障了列车过分相运行安全， 具有较高的应用价值。