CN101774356A - 一种通过渐进式移相实现机车过分相的方法及所用的设备 - Google Patents
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Abstract
一种通过渐进式移相实现机车过分相的方法，使用一种单相大功率电源装置，该装置从铁道牵引供电系统的接触网供电臂上取电，向接触网中性段供电；该装置实时跟踪电力机车受电弓的位置信号，和中性段两侧接触网供电臂电压的相位、波形、和幅值，根据受电弓的位置控制中性段电压相位、波形、和幅值，保证在电力机车进入中性段后，通过带负载渐进式移相、电压调整、稳压和限流，与电力机车即将进入的接触网供电臂的电压相位、波形、和幅值相同，实现机车不断电自动过分相；所用装置既可以独立运行，也可以将两套装置组合在一起，相互配合或联合使用；该装置选地适用于电气化铁路接触网自动过分相。
Description
一、技术领域：
本发明属于供电系统设备和高压及大容量电力电子技术领域，特别涉及一种用于25kV以上50HZ和60HZ单相供电领域的一种通过渐进式移相实现机车过分相的方法及所用的设备。
二、背景技术
电气化铁道采用单相25kV牵引供电系统，由变电所经过沿铁道线路上方的接触网供电臂向电力机车或动车组供电，每个供电臂一般为25公里，两个相邻供电臂往往相位不同，不能连接在一起。因此，两个相邻供电臂之间有一个中性段形式，中性段也是一段接触网。中性段与两侧接触网供电臂之间各有一个断口，分别是入段断口和出段断口，通过这两个断口，把中性段两侧的供电臂隔离开，中性段长度一般有四百米至五百米，而且和两侧供电臂无机械连接，这个带有断口的中性段在电气上叫做分相，电力机车从分相的一侧接触网供电臂滑行至中性段的入段断口，再从入段断口进入中性段，再经过出段断口离开中性段并到达另一侧接触网供电臂的过程，叫过分相。机车或高速动车组是通过在机车或动车顶部的受电弓与接触网接触中获得能量的，机车行走过程中，受电弓也随着机车滑行并始终与接触网接触，因此能够连续不断地从接触网上取流，如果在机车带负荷情况下，受电弓从带电部分接触网供电臂向不带电的中性段滑行时，受电弓在逐步离开带电部分的过程中，就会导致受电弓与带电之间出现拉弧现象，这种电弧会在短时间内产生很大热量，甚至烧断接触网，造成事故，这种情况叫做机车带负荷闯分相，相反，如果机车不带负荷过分相时，因为形不成电流回路，就不会出现上述拉弧现象。
为了解决此问题，传统机车过分相主要采用两种方法，一种方法是，在机车过分相之前，就将机车上的主回路车载断路器自动分闸，使得机车主回路在负荷被切断的情况下过分相，这种方法的特征是，在中性段两侧的轨道线路上安装着机车应答器，应答器距离中性段一般有300米的距离，当机车进入中性段之前经过应答器的位置时，应答器驱动机车本体断路器跳闸，机车断电但受电弓不降落并滑行通过过分相，该方法的最大问题是机车本体主回路断路器进行频繁操作，增加了机车主回路断路器的维修频率，也降低了机车的安全性，同时，由于机车每到过分相时被切断了电源，靠机车惯性滑行过分相，过分相的速度会降低，如果每隔25km机车断路器就切断一次，会延长列车占用轨道线路的时间；传统机车过分相的另一种方法是，机车车载断路器不分闸过分相，但当机车进入中性段后，接触网短时断电，这种方法的特征是，入段断口两端并接一台断路器，该断路器处于闭合状态，出段断口并接另一台断路器，该断路器处于断开状态。当列车经过入段断口完全进入中性段后，入段断口侧断路器立即分闸，经过150ms以上的延时后，出段断口侧断路器合闸，使得中性段实现换相，机车得以顺利经过出段断口离开中性段。这两台断路器安装在地面。该方法解决了前者的一些问题，但地面真空断路器的维修费用很高，占地面积大，而且切换时可能会造成很高的操作过电压，对机车的安全很不利。
发明内容：
本发明的目的就在于克服上述现有技术中存在的不足，而提供一种通过渐进式移相实现机车过分相的方法及所用的设备，使用该方法可提高过分相的速度、缩短机车占用轨道线路的时间，并且提高了机车的安全性。
本发明的技术方案是：一种通过渐进式移相实现机车过分相的方法，其特征在于：从铁道牵引供电系统的接触网供电臂上取电并降压，经过整流及逆变环节后，再升压并向接触网中性段供电；并实时跟踪电力机车受电弓的位置信号以及中性段两侧接触网供电臂电压的相位、波形和幅值，根据受电弓的位置控制中性段电压相位、波形和幅值，在电力机车进入中性段前，中性段的电压和该电力机车所在的接触网供电臂的相同；在电力机车进入中性段后，通过带负载渐进式移相、电压调整、稳压和限流，与电力机车即将进入的接触网供电臂的电压相位、波形、和幅值相同，实现机车不断电自动过分相。
上述渐进式移相的方法是：将接触网中性段(26)的电压从工频的初始相位角经过多个周波的时间逐步带负载移相变换到工频的目标相位角，这种变换的方法可以从工频的初始相位角经过一段低频或高频过渡转至工频的目标相位角，或在变换过程中，每个周波移动一个小相位角，经过多个周波逐步移相到目标相位角；目标相位角与初始相位角的差值为0度、60度、90度、120度和180度中的任何一种；工频的目标相位角来自与其中一段目标接触网供电臂连接的电压传感器，通过实时跟踪传感器的输出获得；在移相过程中，接触网中性段(26)的电压幅值始终与目标接触网供电臂的电压幅值相同。
一种通过渐进式移相实现机车过分相的方法所用的设备，其特征在于：由输入保护开关、输入电流互感器、输入变压器、交直交移相模块、电抗型升压输出变压器、电抗器和电阻的并联、输出保护开关和控制装置组成；输入保护开关(1)，经过输入电流互感器(2)，连接至输入整流变压器(3)的原边一端，而原边的另一端和钢轨(31)连接；输入整流变压器(3)的次边连接至交直交移相模块(4)的输入端；交直交移相模块(4)的两个输出端连接至电抗型升压输出变压器(30)原边的两个输入端，电抗型升压输出变压器(30)的次边的一端连接至电抗器(8)的输入端，次边的另一端与钢轨(31)连接；电抗器(8)和一台电阻(9)的并联，并联后形成的输出端与输出保护开关(10)输入端连接，而输出保护开关(10)的输出端作为装置的输出端，可以向负载供电；控制装置由监控单元(16)、一套DSP控制单元(17)和一组功率驱动模块(18)组成，监控单元(16)与DSP控制单元(17)之间通过光纤或双绞线通信，而DSP控制单元(17)与功率驱动模块(18)之间通过光纤通信，功率驱动模块(18)与交直交移相模块连接；
本设备的输入端A连接有一台输入单相电压传感器(11)，输出端C连接有一台输出单相电压传感器(13)，B相接触网供电臂(29)连接有一台合相电压传感器(12)；在设备的输入端连接有一台启动互感器(14)，在B相接触网供电臂(29)连接有一台启动互感器(15)。
上述交直交移相模块(4)是由整流桥或全控整流桥(5)、整形回路(6)、全控逆变桥(7)的串接形成的。
上述交直交移相模块可由两个或两个以上同时同步运行的交直交移相模块组并联连接，其中，每个交直交移相模块(4)的输入端串接一台输入接触器(20)，输出端串接一台输出接触器(21)；多个交直交移相模块(4)可以共用一套DSP控制单元(17)，也可以每个交直交移相模块(4)用一套DSP控制单元(17)，各个DSP控制单元(17)之间通过通信实现同步协调运行。
上述交直交移相模块可由两个或两个以上同时同步运行的交直交移相模块组串联连接，多个交直交移相模块(4)可以共用一套DSP控制单元(17)，也可以为每个交直交移相模块(4)配置一套DSP控制单元(17)，各个DSP控制单元(17)之间通过通信实现同步协调运行。
可以将两套参数和性能完全相同渐进移相式电源装置冗余配置，配合使用，两套装置可以共用一套监控单元(16)，并且共用一套电抗型升压输出变压器(30)，共用一套电抗器(8)和电阻(9)，共用一套输出保护开关(10)，而每一套交直交移相模块(4)的输出端各配置一套输出接触器(21)，两套装置的输出接触器(21)的输出端可以连接到一起；两套装置分别有独立的输入端，输出端连接在一起均向相同的负载供电；主用装置(22)的输入端为A端，A端与A相接触网供电臂(27)连接；备用装置(23)的输入端为B端，B端与B相接触网供电臂(29)连接，两套装置通过共同的输出端为C端与中性段连接。
可以将两套参数和性能完全相同的渐进移相式电源装置冗余配置，联合使用；主用装置(22)和备用装置(23)完全独立，每套装置的电抗器(8)的输出端与输出保护模块(10)的输入端之间设置输出单相电压传感器(13)，以保证两套装置的输出能够进行合相；主用装置(22)和备用装置(23)分别设有输入端，输出端电气上连接在一起，都能向同一个负载供电；主用装置(22)和备用装置(23)的输入保护开关总是处于合位，主用装置(22)的输出保护开关(10)处于合位，而备用装置(23)的输出保护开关(10)处于分位；主用装置(22)的输入端为A端，输出端为C端，A端所连接的接触网的相位为A相；备用装置(23)的输入端为B端，输出端为C端，B端连接的接触网的相位为B相；两套装置的输出端C均与中性段连接；两套装置的输出可以长期合相并联，也可以短时合相并联，只有在合相并联时，两套装置所有的输入保护开关(1)输出保护开关(10)才同时处于合闸位置。
上述启动互感器(14)可以是电压互感器，也可以是电流互感器；在选用电压互感器时，启动互感器(14)输入端中的一端与一段接触导线(28)相连，而另一端与钢轨(31)相连，而这一段接触导线(28)在输入端侧，与接触网供电臂(27)平行；在选用电流互感器时，则启动互感器(14)可串联连接在接触网供电臂(27)上，并与入段断口(24)的距离小于一列车的长度。
上述整形回路(6)是在整流桥(5)输出的直流环节的正极回路中串联一台电抗器，在正、负极之间并联一组电解电容和高频电容、二极管、IGBT电子开关和电阻，以整理直流波形和吸收高频信号；上述电抗型升压输出变压器(30)的输入侧串联着一个电抗。
本发明基于大功率IGCT或IGBT等大功率电力电子制造技术的逐渐成熟而提出来的，通过DSP控制的SPWM或SPWM正弦波调制技术，实现大功率电力电子电源设备，该设备从接触网供电臂上取电，并独立向接触网中性段供电，当电力机车负载到达中性段时，该设备能够实现移相、电压调整、稳压和限流等功能，使得机车不断电自动过分相。
本发明的优点是：1、过分相的速度快、缩短机车占用轨道线路的时间。2、提高了机车的安全性、减少了占地面积。3、所用设备既可以独立运行，也可以将两套设备组合在一起，相互配合或联合使用，可靠性更高；该设备选地适用于电气化铁路接触网自动过分相，该设备均能适应于各种速度等级和各种长度的电力牵引客货列车，以及多受电弓的动车组过分相的需要。
附图说明：
图1是本发明的基本回路图。
图2是两个或两个以上的交直交移相模块并联使用的回路图。
图3是两个或两个以上的交直交移相模块串联使用的回路图。
图4是两套渐进移相式电源设备配合使用的回路图。
图5是两套渐进移相式电源设备联合使用的回路图。
图6是一种电力机车负载的受电弓位置检测图。
具体实施方式：
一种通过渐进式移相实现机车过分相的方法，从铁道牵引供电系统的接触网供电臂上取电并降压，经过整流及逆变环节后，再升压并向接触网中性段供电；并实时跟踪电力机车受电弓的位置信号以及中性段两侧接触网供电臂电压的相位、波形和幅值，根据受电弓的位置控制中性段电压相位、波形和幅值，在电力机车进入中性段前，中性段的电压和该电力机车所在的接触网供电臂的相同；在电力机车进入中性段后，通过带负载渐进式移相、电压调整、稳压和限流，与电力机车即将进入的接触网供电臂的电压相位、波形、和幅值相同，实现机车不断电自动过分相。
上述渐进式移相的方法是：将接触网中性段(26)的电压从工频的初始相位角经过多个周波的时间逐步带负载移相变换到工频的目标相位角，这种变换的方法可以从工频的初始相位角经过一段低频或高频过渡转至工频的目标相位角，或在变换过程中，每个周波移动一个小相位角，经过多个周波逐步移相到目标相位角；目标相位角与初始相位角的差值为0度、60度、90度、120度和180度中的任何一种；工频的目标相位角来自与其中一段目标接触网供电臂连接的电压传感器，通过实时跟踪传感器的输出获得；在移相过程中，接触网中性段(26)的电压幅值始终与目标接触网供电臂的电压幅值相同。
如图1所示：一种通过渐进式移相实现机车过分相的方法及所用的设备，由输入保护开关、输入电流互感器、输入变压器、交直交移相模块、电抗型升压输出变压器、电抗器和电阻的并联、输出保护开关和控制装置组成。输入保护开关(1)，经过输入电流互感器(2)，连接至输入整流变压器(3)的原边一端，而原边的另一端和钢轨(31)连接；输入整流变压器(3)的次边连接至交直交移相模块(4)的输入端；交直交移相模块(4)的两个输出端连接至电抗型升压输出变压器(30)原边的两个输入端，电抗型升压输出变压器(30)的次边的一端连接至电抗器(8)的输入端，次边的另一端与钢轨(31)连接；电抗器(8)和一台电阻(9)的并联，具备滤波、分压和限流作用，并联后形成的输出端与输出保护开关(10)输入端连接，而输出保护开关(10)的输出端作为设备的输出端，可以向负载供电；控制装置由监控单元(16)、一套DSP控制单元(17)和一组功率驱动模块(18)组成，监控单元(16)与DSP控制单元(17)之间通过光纤或双绞线通信，而DSP控制单元(17)与功率驱动模块(18)之间通过光纤通信，功率驱动模块(18)与交直交移相模块连接。
上述交直交移相模块(4)是由整流桥或全控整流桥(5)、整形回路(6)、全控逆变桥(7)的串接形成的；整形回路(6)是在整流桥(5)输出的直流环节的正极回路中串联一组电抗器，在正、负极之间并联一组电解电容和高频电容、二极管、IGBT电子开关和电阻，以整理直流波形和吸收高频信号；上述电抗型升压输出变压器(30)的输入侧串联着一个电抗，该电抗不参与变压器的电磁变换，仅用于输出波形的整理。
本设备的输入端连接有一台输入单相电压传感器(11)，输出端连接有一台输出单相电压传感器(13)，B相接触网供电臂(29)连接有一台合相电压传感器(12)，用于测量设备的输入端、输出端和B相接触网供电臂(29)侧的电压波形。此外，此设备在输入端连接有一台启动互感器(14)，在B相接触网供电臂(29)连接有一台启动互感器(15)，启动互感器可以是电流互感器，也可以是电压互感器。
本设备设置一套监控单元(16)、一套DSP控制单元(17)和一组功率驱动模块(18)。设备监控单元(16)与DSP控制单元(17)之间通过光纤或双绞线通信，而DSP控制单元(17)与功率驱动模块(18)之间通过光纤通信。监控单元具备与DSP控制单元(17)通信功能、与其他设备通信功能、人机界面功能、以及与应答器设备(19)通信功能。功率驱动模块(18)用于全控逆变桥(7)的导通角控制，该功率驱动模块(18)对地绝缘安装，其对地的绝缘水平与输入整流变压器(3)输出端的对地的绝缘水平相同。DSP控制单元(17)接收来设备输入端侧的启动互感器(14)和输入电流互感器(2)的信号。DSP控制单元(17)的作用是，作用一，接收来自输入端侧的启动互感器(14)的信号，以及输入电流互感器(2)的信号，综合判断，当同时接收到启动互感器(14)和输入电流互感器(2)的电流信号后，DSP控制单元(17)根据程序启动功率驱动模块(18)执行移相程序；该移相程序为，接收设备输入端电压传感器(11)、输出端电压传感器(13)以及B相接触网供电臂电压传感器(12)的波形信号进行跟踪判断，并通过渐进式带着负载移相、调压和稳压，通过SPWM或SPWM调制变换，使输出端最终的电压波形达到和B相接触网供电臂；作用二，当DSP控制单元(17)检测到来自启动互感器(14)和输入电流互感器(2)的值超出相关移相回路允许耐受的范围时，立即向功率驱动模块(18)发出封锁SPWM或SPWM调制信号、关断全控逆变桥(7)、断开输入保护开关(1)和输出保护开关(10)，并通知监控单元(16)等。
本设备有两种工况：：一种是本设备从电网中的A相取电，向输出端负载供电的初始相位为A相50HZ或60HZ单相高压工频交流电，此时负载从输入端向输出端、再向B相接触网供电臂方向移动，当DSP控制单元(17)同时接收到来自输入端侧的启动互感器(14)和输入电流互感器(2)的信号后，对B相接触网供电臂的电压波形跟踪，输出的波形、相位和幅值不断与B相接触网供电臂比较、随B相接触网供电臂调整，逐步与B相接触网供电臂的相位、幅值和波形一致，经过交直交移相模块(4)的整流和逆变后，再经过电抗器(8)和电阻(9)的并联回路的降压，将输出转换成B相接触网供电臂的50HZ或60HZ单相高压交流电，而B相接触网供电臂的相位与设备输入端所接入的A相相序之间相角差可达到0度、60度、90度、120度或180度。另一种工况是，该设备从电网中的A相取电，向输出端负载供电的初始相位为A相50HZ或60HZ单相高压工频交流电，但负载从B相接触网供电臂向输出端、再向输入端方向移动。当DSP控制单元(17)接收到来自B相接触网供电臂的启动互感器(15)信号后，移相设备立即进行移相稳压限流工作，并使得输出端C的相位达到B相接触网供电臂的相位，即B相，当启动互感器(15)信号消失后，再同时接收到启动互感器(14)和输入电流互感器(2)的信号后，立即对输入端的电压波形跟踪，使得设备的输出波形、相位和幅值不断与输入端比较、随输入端调整，逐步与输入端的相位、幅值和波形一致，经过交直交移相模块(4)的整流和逆变后，再经过电抗器(8)和电阻(9)的并联回路的降压，将输出端的电压相位、幅值和波形转换成输入端的50HZ或60HZ单相高压交流电的相位、幅值和波形，而输入端的相位与B相接触网供电臂所接入的B相相序之间相角差可达到0度、60度、90度、120度或180度。
本设备的第二种工况是：当DSP控制单元(17)检测到来自启动互感器(14)和输入电流互感器(2)的值超出交直交移相模块(4)允许耐受的范围时，立即向功率驱动模块(18)发出封锁SPWM或SPWM调制信号、关断全控逆变桥(7)、断开输入保护开关(1)和输出保护开关(10)，并通知监控单元(16)。监控单元(16)接收到该信息后，经过一段时间，再次命令设备的输入保护开关(1)和输出保护开关(10)投入，并执行预定好的同样的程序，如果设备再次短路，则监控单元(16)命令DSP控制单元(17)关断全控逆变桥(7)，通过监控单元(16)的保护断开输入端和输出端所接电网的电源。如果发生交直交移相模块元件损坏等故障时，通过监控单元启动应答器设备。
渐进式移相的特征是，交直交移相模块(4)在多个周波的时间内移相设备逐步带负载移相变换，这种变换的特征是，可以经过一段低频或高频过渡，再转至工频的目标相位，或在变换过程中，每个周波移动一个小相位角，经过多个周波逐步移相到目标相位。
如图2所示：为了提供设备的输出容量，可以将两个或两个以上的交直交移相模块(4)并联使用，同时同步运行。对于这种模式，每个交直交移相模块(4)的输入端串接一台输入接触器(20)，交直交移相模块(4)的输出端串接一台输出接触器(21)，以便能够迅速地将故障了的交直交移相模块(4)从并联状态中隔离出来，或根据负载的特点确定要并联运行的交直交移相模块(4)数量。这种模式下，多个交直交移相模块(4)可以共用一套DSP控制单元(17)，也可以每个交直交移相模块(4)用一套DSP控制单元(17)，各个DSP控制单元(17)之间通过通信实现同步协调运行。
如图3所示：为了提高交直交移相模块(4)的输出电压，以便使交直交移相模块(4)能够承担更多的调压功能，可以将两个或两个以上的交直交移相模块(4)串联使用，同时同步运行。对于这种模式，一旦其中一个交直交移相模块(4)发生故障，可以通过DSP控制单元(17)切除输入保护开关(1)和输出保护开关(10)，将设备退出运行。这种模式下，多个交直交移相模块(4)可以共用一套DSP控制单元(17)，也可以为每个交直交移相模块(4)配置一套DSP控制单元(17)，各个DSP控制单元(17)之间通过通信实现同步协调运行。
如图4所示的两套渐进移相式电源设备配合使用的组合描述：
可以将两套参数和性能完全相同渐进移相式电源设备冗余配置，配合使用，两套设备可以共用一套监控单元(16)，并且共用一套电抗型升压输出变压器(30)，共用一套电抗器(8)和电阻(9)，共用一套输出保护开关(10)，而每一套交直交移相模块(4)的输出端各配置一套输出接触器(21)。因此，两套设备的输出接触器(21)的输出端可以连接到一起。可以将两套渐进移相式电源设备中，首先使用的一套设备当作主用设备(22)，则另一套作为备用设备(23)。具体的特征是，设置主用设备的输入端为A端，设置A端所连接电网的相位为A相；设置备用设备的输入端为B端，B端所连接电网的相位为B相，两套设备共同的输出端为C端。两个设备的输出端连接在一起，均向相同的负载供电。正常运行时，可以常用主用设备(22)，主用设备(22)故障时，与备用设备(23)的配合模式有三种：
第一种配合模式为，主用设备(22)输入端侧启动互感器(14)，和输入电流互感器(2)同时有启动信号时，设备在移相过程中发生了元器件故障，或设备移相到一定的电压值后，发生了不能进一步移相和调压的故障，输出达不到最终的目标电压相位、幅值和波形时，则通过监控单元启动备用设备(23)的DSP控制单元(17)则立即断开主用设备的输入保护开关(1)和输出接触器(21)，不启动备用设备；
第二种配合模式为，在接收到启动互感器(14)信号后，主用设备(22)一开始就根本无法启动，则立即断开主用设备(22)的输入保护开关(1)和输出接触器(21)，并立即将备用设备(23)的输入保护开关(1)和输出接触器(21)投入，并启动备用设备(23)执行相应的程序，保证电压调整按照预定义好的模式执行，使得输出端的相位、幅值和波形逐步渐进式地达到目标电压的相位、幅值和波形要求；
第三种配合模式为，当主用设备(22)发生短路等严重故障时，DSP控制单元(17)立即断开输入保护开关(1)和输出接触器(21)，经过一段时间，自动投入备用设备(23)的输入保护开关(1)和输出接触器(21)，并启动备用设备(23)进行渐进式移相工作，如果备用设备(23)再一次发生短路等严重故障，则通过监控单元(16)通过保护功能，断开主用设备(22)备用设备(23)的输入端所接电网的A相和B相电源。
如图5中所示的两套渐进移相式电源设备联合使用的组合描述：
可以将两套参数和性能完全相同渐进移相式电源设备冗余配置，联合使用。主用设备(22)和备用设备(23)通过彼此之间的协调，同时向相同的负载供电，以便增大设备的输出容量。对于这种使用模式，主用设备(22)和备用设备(23)可以完全独立，不共用设备，并且每套设备的电抗器(8)的输出端与输出保护模块(10)的输入端之间设置输出单相电压传感器(13)，以保证两套设备的输出能够进行合相。具体的特征是，设置主用设备(22)的输入端为A端，输出端为C端，设置A端所连接电网的相位为A相；设置备用设备(23)的输入端为B端，输出端为C端，B端连接到电网的相位为B相。两个设备的输出端电气上连接在一起，都能向同一个负载供电。主用设备(22)和备用设备(23)的输入保护开关总是处于合位，主用设备(22)的输出保护开关(10)处于合位，而备用设备(23)的输出保护开关(10)处于分位。假设负载的移动方向(33)是从主用设备(22)的输入端A端、向输出端C端，再向B相接触网供电臂的方向移动，在输出端还没有负载时，输出端的相位为A相。为了保证两套设备的输出之间能够灵活调整电压并顺利合相，备用设备的整流桥(5)也可以更换成全控整流桥。主用设备(22)与备用设备(23)之间联合模式有两种：
第一种联合模式为，当主用设备(22)的输入端侧的启动互感器(14)和输入电流互感器(2)同时有信号输出时，通过监控单元(16)协调，使得主用设备(22)和启动备用设备(23)同时同步进行移相调压，同时，以相同电压的相位、幅值和波形输出；当两套设备经过移相稳压后，输出能够达到合相程度时，合闸投入备用设备(23)的输出保护开关(10)，将两套设备的输出进行并联合相；当主用设备的输入端侧的启动互感器(14)和输入电流互感器(2)均没有电流信号时，关断备用设备(23)的全控逆变桥(7)，并断开备用设备(23)的输出保护开关(10)，之后，主用设备(22)恢复到原始状态，即保持输入端A端的相位。当主用设备(22)和备用设备(23)合相后同时发生短路等严重故障时，则通过监控单元(16)通过保护，断开A相和B相所接电网的电源，当任何一台渐进移相式电源设备发生元件故障时，则只断开故障设备输入保护开关(1)和输出保护开关(10)即可。
第二种联合模式为，当主用设备(22)的输入端侧的启动互感器(14)和输入电流互感器(2)同时有信号输出时，通过监控单元(16)协调，使得主用设备(22)和启动备用设备(23)同时同步进行移相调压，同时，以相同电压的相位、幅值和波形输出；当两套设备经过移相稳压后，输出电压的相位、幅值和波形达到目标时，合闸投入备用设备(23)的输出保护开关(10)，将两套设备的输出进行并联合相；合相成功后，按顺序关断主用设备(22)的全控逆变桥(7)、断开主用设备(22)的输出保护开关(10)，由备用设备(23)继续向移动的负载供电，当备用设备(23)的输入电流互感器(2)没有电流信号时，说明负载已经到达了B相接触网供电臂，此后，关断备用设备(23)的全控逆变桥(7)、断开备用设备(23)的输出保护开关、合闸投入主用设备(22)的输出保护开关(10)、启动主用设备(22)使其输出端的相位达到输入端A端的相位。当主用设备(22)和备用设备(23)同时发生短路等严重故障时，则通过监控单元(16)通过保护，断开A相和B相所接电网的电源，当任何一台渐进移相式电源设备发生元件故障时，则只断开故障设备输入保护开关(1)和输出保护开关(10)即可。
将本设备在电气化铁道牵引供电系统中使用：分相是由A相接触网供电臂(27)、中性段(26)、B相接触网供电臂(29)组成，中性段与A相供电臂之间有一个入段断口(24)，中性段与B相供电臂之间有一个出段断口(25)，A相接触网供电臂(27)与B相接触网供电臂(29)相序不同，相位差可以是0度、60度、90度、120度和180度中的任一种。电力机车负载作为移动负载，其受电弓(32)的移动方向(33)从设备的输入端侧的接触网，经过入段断口(24)滑行至与输出端连接的中性段(26)，再继续经过出段断口(25)滑动至B相接触网供电臂侧的接触网。
如果按照图1所表达的内容，只选用一套渐进移相式电源设备，可以安排该设备与入段断口(24)并联，这样只有这一套设备作为主用设备；如果选用两套设备冗余配置，则可以安排主用设备(22)与入段断口(24)并联，而备用设备(23)与出段断口(25)并联，每套设备的输出端连接至接触网的中性段(26)；如果按照图4所表达的内容，即两套渐进移相式电源设备配合使用的组合，则电抗型输出变压器(30)至输出保护开关(10)之间的回路可以共用，也可以相互独立。
机车受电弓位置的检测实施方式的描述：
机车受电弓位置的检测，是通过启动互感器(14)和输入电流互感器(2)配合实现的。一种工况是，电力机车从入段断口(24)向出段断口(25)侧的方向行驶。有两种方式实现机车受电弓的位置检测：
方式一，与主用设备(22)有关联的启动互感器(14)如果选用电流互感器，则该互感器可串联连接在入段断口侧的接触网供电臂上，并与入段断口有一定的距离，当电力机车移动(33)滑行至电流型启动互感器(14)与输入电流互感器(2)之间时，则只有启动互感器(14)有电流信号，表明电力机车负载尚未到达中性段(26)，而如果启动互感器(14)与输入电流互感器(2)同时有电流信号时，则表明电力机车的受电弓已经进入到了中性段(26)内。
方式二，如图6所示的，与主用设备(22)有关联的启动互感器(14)如果选用电压互感器，则在输入端侧的接触网供电臂(27)安装一段接触导线(28)与接触网供电臂(27)平行但不连接，启动互感器(14)输入端中的一端与这一段接触导线(28)相连，而另一端与钢轨(31)相连。
当电力机车的受电弓(32)在进入中性段(26)前触及到该段接触导线时，受电弓(32)将接触网供电臂(27)和接触导线(28)连接到一起，因此电压型启动互感器(14)受电，这样也能检测到电力机车的受电弓尚未进入中性段(26)的信号，而当启动互感器(14)没有电压信号，同时输入电流互感器(2)有电流信号时，则表明电力机车负载已经进入了中性段。
在电力机车远离中性段后，因出段断口(25)的存在，而使得启动互感器(14)和输入电流互感器(2)没有了电流信号，表明电力机车负载已经不在中性段了。
本发明的三种实施方式的描述：
方案一，如图1所表达的，只选用一套渐进移相式电源设备，可以安排该设备与入段断口(24)并联，设备的输入端接入输入端侧的接触网供电臂(27)，输出端接入中性段(26)，为了说明问题，这里选用电流互感器作为启动互感器(14)，如上述机车受电弓位置检测的组合一所示。在没有电力机车负载时，中性段(26)的初始相位和输入端侧的接触网供电臂(27)的相位相同，当启动互感器(14)和输入电流互感器(2)均检测到电流信号时，DSP控制单元(17)启动渐进式移相程序，将中性段的相位调整至B相接触网供电臂(29)的相位。
当DSP控制单元(17)检测到来自启动互感器(14)和输入电流互感器(2)的值超出设备的允许耐受范围时，立即向功率驱动模块(18)发出封锁SPWM或SPWM调制信号、关断全控逆变桥(7)、断开输入保护开关(1)和输出保护开关(10)，并通知监控单元(16)。监控单元接收到该信息后，经过一段时间，再次命令设备的输入保护开关(1)和输出保护开关(10)合闸投入，并执行预定好的同样的程序，如果设备再次短路，则监控单元命令DSP控制单元(17)关断全控逆变桥(9)，通知监控单元(16)，并通过监控单元(16)保护断开输入端侧接触网供电臂和输出端侧接触网供电臂电源。
方案二，如图4所表达的，选用两套设备冗余配置，配合使用，则可以安排主用设备(22)与入段断口(24)并联，而备用设备(23)与出段断口(25)并联，两套设备的输出端均连接至接触网的中性段(26)。主用设备(22)始终运行，而中性段的初始相位为输入端侧接触网供电臂的电压相位。以下描述了设备的几种动作程序。
第一种配合模式为，主用设备(22)输入端侧启动互感器(14)，和输入电流互感器(2)同时有启动信号时，表明电力机车负载进入了中性段(26)，设备开始渐进式移相和调压程序。设备在移相过程中发生了元器件故障，或设备移相到一定的电压值后，发生了不能进一步移相和调压的故障，输出达不到最终的目标电压相位、幅值和波形时，则立即断开主用设备(22)的输入保护开关(1)和输出接触器(21)，不启动备用设备(23)。对于这种使用模式，主用设备(22)和备用设备(23)可以共用输出端的输出单相电压互感器(13)。
第二种配合模式为，在接收到启动互感器(14)信号后，表明电力机车负载快要进入了中性段(26)，但此时主用设备(22)一开始就根本无法启动，则立即断开主用设备(22)的输入保护开关(1)和输出接触器(21)，并立即将备用设备(23)的输入保护开关(1)和输出接触器(21)投入，并启动备用设备(23)使得中性段(26)的相位、幅值和波形逐步渐进式地达到输入端侧接触网供电臂(27)的电压相位、幅值和波形，保证电力机车负载能够顺利滑动进入中性段(26)。由于入段断口(24)的存在，所以，当启动互感器(14)中的电流信号消失时，表明电力机车负载已经进入了中性段(26)，此时，备用设备(23)再进行移相和调压，使得中性段的相位、幅值和波形逐步渐进式地达到B相接触网供电臂侧接触网(29)的电压相位、幅值和波形，从而保证电力机车负载顺利地滑出中性段。
第三种配合模式为，当主用设备(22)发生短路故障时，DSP控制单元(17)立即断开输入保护开关(1)和输出保护开关(10)，经过一段时间，自动投入备用设备(23)的输入保护开关(1)和输出保护开关(10)，并启动备用设备(23)进行渐进式移相工作，如果备用设备(23)再一次发生短路，则通过监控单元(16)的保护功能，断开输入端侧的接触网供电臂(27)与B相接触网供电臂侧的接触网供电臂(29)的远端供电电源。
方案三，如图5所表达的，可以将两套参数和性能完全相同渐进移相式电源设备冗余配置，联合使用。主用设备(22)和备用设备(23)通过彼此之间的协调，同时向相同的负载供电，以便增大设备的输出容量。对于这种使用模式，主用设备(22)和备用设备(23)可以完全独立，不共用设备，并且每套设备的电抗器(8)的输出端与输出保护模块(10)的输入端之间设置输出单相电压传感器(13)，以保证两套设备的输出能够进行合相。具体的特征是，设置主用设备(22)的输入端为A端，输出端为C端，B相接触网供电臂为B端，设置A端所连接电网的相位为A相；设置备用设备的输入端为B端，输出端为C端，B相接触网供电臂为A端，B端所连接电网的相位为B相。两个设备的输出端连接在一起，都能向同一个负载供电。主用设备(22)和备用设备(23)的输入保护开关总是处于合位，主用设备(22)的输出保护开关(10)处于合位，而备用设备(23)的输出保护开关(10)处于分位。假设负载的移动(33)方向是从主用设备(22)的输入端A端、向输出端C端，再向B相接触网供电臂B端的方向移动。为了保证两套设备的输出之间能够灵活调整电压并顺利合相，备用设备的整流桥(5)也可以更换成全控整流桥。主用设备(22)与备用设备(23)之间联合模式有两种：
第一种联合模式为，两套设备的输出合相并联运行。其特征是，当主用设备(22)的输入端侧的启动互感器(14)和输入电流互感器(2)同时有信号输出时，表明电力机车负载已经进入了中性段(26)。通过监控单元(16)协调，使得主用设备(22)和启动备用设备(23)同时同步进行移相调压，同时，以相同电压的相位、幅值和波形输出；当两套设备经过移相稳压后，输出均达到能够合相时，合闸投入备用设备(23)的输出保护开关(10)，将两套设备的输出进行并联合相；当启动互感器(14)和输入电流互感器(2)均没有电流信号时，表明电力机车负载已经离开了中性段(26)，此时，关断备用设备(23)的全控逆变桥(7)，并断开备用设备(23)的输出保护开关(10)，之后，主用设备(22)恢复到原始状态，即保持输入端A端的相位。当主用设备(22)和备用设备(23)合相后同时发生短路等严重故障时，则通过监控单元(16)通过保护，断开A相和B相所接电网的电源，当任何一台渐进移相式电源设备发生元件故障时，则只断开故障设备输入保护开关(1)和输出保护开关(10)即可。
第二种联合模式为，备用设备(23)替代主用设备(22)，其特征是，当主用设备(22)的输入端侧的启动互感器(14)和输入电流互感器(2)同时有信号输出时，表明电力机车负载已经进入了中性段(26)。通过监控单元(16)协调，使得主用设备(22)和启动备用设备(23)同时同步进行移相调压，同时，以相同电压的相位、幅值和波形输出；当两套设备经过移相稳压后，输出电压的相位、幅值和波形达到目标时，合闸投入备用设备(23)的输出保护开关(10)，将两套设备的输出进行并联合相；合相成功后，按顺序关断主用设备(22)的全控逆变桥(7)、断开主用设备(22)的输出保护开关(10)，由备用设备(23)继续向移动(33)的负载供电，当备用设备(23)的输入电流互感器(2)没有电流信号时，说明负载已经到达了B相接触网供电臂，此后，关断备用设备(23)的全控逆变桥(7)、断开备用设备(23)的输出保护开关、合闸投入主用设备(22)的输出保护开关(10)、启动主用设备(22)使其输出端的相位达到输入端A端的相位。当主用设备(22)和备用设备(23)同时发生短路等严重故障时，则通过监控单元(16)通过保护，断开A相和B相所接电网的电源，当任何一台渐进移相式电源设备发生元件故障时，则只断开故障设备输入保护开关(1)和输出保护开关(10)即可。
Claims (10)
1.一种通过渐进式移相实现机车过分相的方法，其特征在于：从铁道牵引供电系统的接触网供电臂上取电并降压，经过整流及逆变环节后，再升压并向接触网中性段供电；并实时跟踪电力机车受电弓的位置信号以及中性段两侧接触网供电臂电压的相位、波形和幅值，根据受电弓的位置控制中性段电压相位、波形和幅值，在电力机车进入中性段前，中性段的电压和该电力机车所在的接触网供电臂的相同；在电力机车进入中性段后，通过带负载渐进式移相、电压调整、稳压和限流，与电力机车即将进入的接触网供电臂的电压相位、波形、和幅值相同，实现机车不断电自动过分相。
2.根据权利要求1所述的一种通过渐进式移相实现机车过分相的方法，其特征在于：上述渐进式移相的方法是：将接触网中性段(26)的电压从工频的初始相位角经过多个周波的时间逐步带负载移相变换到工频的目标相位角，这种变换的方法可以从工频的初始相位角经过一段低频或高频过渡转至工频的目标相位角，或在变换过程中，每个周波移动一个小相位角，经过多个周波逐步移相到目标相位角；目标相位角与初始相位角的差值为0度、60度、90度、120度和180度中的任何一种；工频的目标相位角来自与其中一段目标接触网供电臂连接的电压传感器，通过实时跟踪传感器的输出获得；在移相过程中，接触网中性段(26)的电压幅值始终与目标接触网供电臂的电压幅值相同。
3.一种根据权利要求1所述的通过渐进式移相实现机车过分相的方法所用的设备，其特征在于：由输入保护开关、输入电流互感器、输入变压器、交直交移相模块、电抗型升压输出变压器、电抗器和电阻的并联、输出保护开关和控制装置组成；输入保护开关(1)，经过输入电流互感器(2)，连接至输入整流变压器(3)的原边一端，而原边的另一端和钢轨(31)连接；输入整流变压器(3)的次边连接至交直交移相模块(4)的输入端；交直交移相模块(4)的两个输出端连接至电抗型升压输出变压器(30)原边的两个输入端，电抗型升压输出变压器(30)的次边的一端连接至电抗器(8)的输入端，次边的另一端与钢轨(31)连接；电抗器(8)和一台电阻(9)的并联，并联后形成的输出端与输出保护开关(10)输入端连接，而输出保护开关(10)的输出端作为装置的输出端，可以向负载供电；控制装置由监控单元(16)、一套DSP控制单元(17)和一组功率驱动模块(18)组成，监控单元(16)与DSP控制单元(17)之间通过光纤或双绞线通信，而DSP控制单元(17)与功率驱动模块(18)之间通过光纤通信，功率驱动模块(18)与交直交移相模块连接；
本设备的输入端A连接有一台输入单相电压传感器(11)，输出端C连接有一台输出单相电压传感器(13)，B相接触网供电臂(29)连接有一台合相电压传感器(12)；在设备的输入端连接有一台启动互感器(14)，在B相接触网供电臂(29)连接有一台启动互感器(15)。
4.根据权利要求3所述的一种通过渐进式移相实现机车过分相的方法所用的设备，其特征在于：上述交直交移相模块(4)是由整流桥或全控整流桥(5)、整形回路(6)、全控逆变桥(7)的串接形成的。
5.根据权利要求3所述的一种通过渐进式移相实现机车过分相的方法所用的设备，其特征在于：上述交直交移相模块可由两个或两个以上同时同步运行的交直交移相模块组并联连接，其中，每个交直交移相模块(4)的输入端串接一台输入接触器(20)，输出端串接一台输出接触器(21)；多个交直交移相模块(4)可以共用一套DSP控制单元(17)，也可以每个交直交移相模块(4)用一套DSP控制单元(17)，各个DSP控制单元(17)之间通过通信实现同步协调运行。
6.根据权利要求3所述的一种通过渐进式移相实现机车过分相的方法所用的设备，其特征在于：上述交直交移相模块可由两个或两个以上同时同步运行的交直交移相模块组串联连接，多个交直交移相模块(4)可以共用一套DSP控制单元(17)，也可以为每个交直交移相模块(4)配置一套DSP控制单元(17)，各个DSP控制单元(17)之间通过通信实现同步协调运行。
7.根据权利要求3所述的一种通过渐进式移相实现机车过分相的方法所用的设备，其特征在于：可以将两套参数和性能完全相同渐进移相式电源装置冗余配置，配合使用，两套装置可以共用一套监控单元(16)，并且共用一套电抗型升压输出变压器(30)，共用一套电抗器(8)和电阻(9)，共用一套输出保护开关(10)，而每一套交直交移相模块(4)的输出端各配置一套输出接触器(21)，两套装置的输出接触器(21)的输出端可以连接到一起；两套装置分别有独立的输入端，输出端连接在一起均向相同的负载供电；主用装置(22)的输入端为A端，A端与A相接触网供电臂(27)连接；备用装置(23)的输入端为B端，B端与B相接触网供电臂(29)连接，两套装置通过共同的输出端为C端与中性段连接。
8.根据权利要求3所述的一种通过渐进式移相实现机车过分相的方法所用的设备，其特征在于：可以将两套参数和性能完全相同的渐进移相式电源装置冗余配置，联合使用；主用装置(22)和备用装置(23)完全独立，每套装置的电抗器(8)的输出端与输出保护模块(10)的输入端之间设置输出单相电压传感器(13)，以保证两套装置的输出能够进行合相；主用装置(22)和备用装置(23)分别设有输入端，输出端电气上连接在一起，都能向同一个负载供电；主用装置(22)和备用装置(23)的输入保护开关总是处于合位，主用装置(22)的输出保护开关(10)处于合位，而备用装置(23)的输出保护开关(10)处于分位；主用装置(22)的输入端为A端，输出端为C端，A端所连接的接触网的相位为A相；备用装置(23)的输入端为B端，输出端为C端，B端连接的接触网的相位为B相；两套装置的输出端C均与中性段连接；两套装置的输出可以长期合相并联，也可以短时合相并联，只有在合相并联时，两套装置所有的输入保护开关(1)输出保护开关(10)才同时处于合闸位置。
9.根据权利要求3所述的一种通过渐进式移相实现机车过分相的方法所用的设备，其特征在于：上述启动互感器(14)可以是电压互感器，也可以是电流互感器；在选用电压互感器时，启动互感器(14)输入端中的一端与一段接触导线(28)相连，而另一端与钢轨(31)相连，而这一段接触导线(28)在输入端侧，与接触网供电臂(27)平行；在选用电流互感器时，则启动互感器(14)可串联连接在接触网供电臂(27)上，并与入段断口(24)的距离小于一列车的长度。
10.根据权利要求4所述的一种通过渐进式移相实现机车过分相的方法所用的设备，其特征在于：上述整形回路(6)是在整流桥(5)输出的直流环节的正极回路中串联一台电抗器，在正、负极之间并联一组电解电容和高频电容、二极管、IGBT电子开关和电阻，以整理直流波形和吸收高频信号；上述电抗型升压输出变压器(30)的输入侧串联着一个电抗。
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20100714 |