CN102343835B - 采用电力电子变换装置实现列车带电自动过分相方法 - Google Patents

Abstract

一种采用电力电子变换装置实现列车带电自动过分相方法，属于电力电子变换装置设备的制造技术领域。运用现有的现代电力电子技术即大功率电压电流变频器控制技术实现的电力电子变换装置成套设备，作为“地面自动过分相装置换相开关”设备功能使用，优化现有“电力牵引列车不断电自动电分相系统”，实现在铁路电力牵引列车真正意义上的不断电自动电分相功能并克服原系统固有技术性能缺陷。

Description

采用电力电子变换装置实现列车带电自动过分相方法

技术领域

本发明属于电力电子变换装置设备的制造技术领域，即大功率电压电流变频器和控制技术，应用领域属于电气化铁路电力牵引供电领域，特别是提供了一种采用电力电子变换装置实现列车带电自动过分相方法。通常应用在利用国家工业电网作为外部电源的交流制电气化铁道，适用于新建或改建铁路电气化工程和既有铁路运营供电设施。

背景技术

由于铁路系统牵引供电模式、列车运行模式的特殊性，每隔30～60km通常存在约200～900m的作为不同电气相位之间分隔作用的中性隔离区，即所谓“电分相”区或“中性区”，这种长度的中间区域即使以350km/h速度通过的列车也需要至少2～8s的时间。运动中的电力牵引列车或动车组通过这一区域的方式叫“过分相”。绝大部分电力牵引列车在持续的中断供电时间≥0.3s就会判定为供电中断无电而自动切断其内部电源负荷进入断电自保护状态，此时列车进入无动力的惰行状态，少数的电力牵引列车即使中断供电时间在0～0.3s之内也会判定为供电中断无电而进入其断电自保状态。配合列车过分相的地面供电设施一般称之为“电力牵引列车自动过分相系统”，按照中性区是否带电的模式又可以分类为断电过分相和带电过分相两大类。

在过分相的方法中，现有的铁路列车自动过分相系统方式主要有三种，三种过分相方式均有不足之处，分别为列车控制车载自动断电过分相、基于电动机械开关投切的地面断路器自动切换带电过分相、柱上式网上带电自动过分相。前一种为断电过分相，该方式的操作过电压对牵引变电所及电力牵引列车牵引变流器的破坏性、电力牵引列车过分相时断电的无电惰行导致速度明显下降、存在对用户的使用限制等应用问题，暂不在本发明目标的讨论范围之内；后两种为带电过分相模式，集中体现在对机械开关寿命要求高、操作过程中产生的操作过电压对牵引变电所及电力牵引列车牵引变流器的绝缘性能破坏性较大的固有缺陷，需要并可以得到优化，而这则是本发明拟解决的目的。其中，目前广泛应用的日本铁路模式的地面断路器自动切换带电过分相还有赖使用高性能断路器技术实现控制切换，列车过分相时仍有不可克服的0.3～0.5s左右的短时间断电和换电过程，难以避免不同相位电压转换电气大功率暂态过程产生的操作过电压系统性能固有缺陷，恶劣的工况必然导致对电力牵引列车绝缘和断路器损伤较大。地面自动过分相系统开关倒接过程中换相失败的故障案例在大量应用该原理系统设备方案的日本铁路运营线上每年都仍时有发生。这一技术还因和欧洲模式的列车控制系统匹配困难，在我国(引进欧洲先进制造技术生产的大量CRH1、3、5型动车组)的条件下乃至世界范围内推广使用存在技术和设备风险，无法广泛推广使用。

文献1：“高速铁路地面自动过分相系统的研究与应用”，温建民、王帮田、方志国，ISSN-1004-2954CN11-2987/U铁道标准设计，2011.4期，P105；文献2：“开关并联电阻地面自动过分相方案研究”魏晓娟、王洪涛等，ISSN-1007-936X CN11-2701/U电气化铁道，2011.2期，P5。以上文献综合描述了当前的地面自动过分相系统的研究与应用概况，主要的论点在于对如何对地面断路器自动切换带电过分相方法中的断路器开关主要设备的系统配置方案进行局部优化的技术探讨和试验，从可靠性和开关的寿命改善几个方面予以深化研究。因为受到当今装备制造工艺技术的限制，大电流断路器开关等设备自身的寿命和可靠性难以有实质性的提高，只能从备用和冗余的角度改善系统方案配置，但这种局部优化的方式带来系统结构更为复杂的新问题，这种依赖多个机械隔离开关(或断路器)进行电气分相不同供电电源之间的转换仍然需要极高的时差倒切操作配合精度；在基本原理上仍然存在无法克服的固有缺陷，即它必然带来电分相过渡暂态过程和短时失电、操作过电压问题，理论和试验都证明了这种原理本身是无法根本消除这种缺陷，最多只可能得到一定的缓解或改善，但无论如何，操作过电压的实际幅值仍然足以达到成倍的额定工作电压以上，从而损害电力牵引列车或动车组的主绝缘和设备寿命，对机械开关自身的损伤也较大。

所以，有必要研究新的系统尤其是带电电分相系统的中性区真正的不中断供电方法，从开关设备原理、换电切换原理方面优化为电分相中性区的供电方案，从根本上杜绝多路开关极短时间内组合切换不同电气相位的电源引起的操作过电压和多台开关配合时差要求极高的应用设备需求带来的设备制造难度和高可靠性要求，根本解决现有地面自动过分相系统方案的操作过电压和短时失电缺陷，突破推广应用地面自动带电过分相系统的技术瓶颈。

发明内容

本发明的目的在于提供一种采用电力电子变换装置实现列车带电自动过分相方法，运用现有的现代电力电子技术即大功率电压电流变频器控制技术实现的电力电子变换装置成套设备，作为“地面自动过分相装置换相开关”设备功能使用，优化现有“电力牵引列车不断电自动电分相系统”，实现在铁路电力牵引列车真正意义上的不断电自动电分相功能并克服原系统固有技术性能缺陷。

本发明所提出的新型方法拟通过采用电力电子变换装置(构成“地面自动过分相装置换相开关”)实现电力牵引列车带电自动过分相的功能，在过分相过成中不会引起系统震荡、无操作过电压、无任何短时间断电过程，实现真正意义上的电力牵引列车不断电自动过分相功能。

本发明的技术方案如下(可参考图1～图4组图过程进行理解)。

1、采用通用的成熟的功率电子控制技术制造的电力电子变换装置构成可以转换相位的电源开关即“地面自动过分相装置换相开关”，从电网的电源侧一端(通常是电分相两端的任何一个电压相位的电源，也可以是任何其他类似电压等级的可以提供一列电力牵引列车功率≥12000kW的电源)接引电源，经过该电力电子变换装置的交流-直流-交流过程变换，给中性区提供一个回路的电源实现任何指定相位或目标相位的27.5kV电压的足额功率输出，供列车在中性区区域时能够全过程地带电运行，即可实现地面带电自动过分相系统功能。过程如下，根据需要，中性区已经在电力牵引列车进入中性区前经过电力电子变换装置变换为来车方向的电源电压和相位，则电力牵引列车进入中性隔离区时的，中性区电源和来车方向的电源之间没有相位差和电压差，从而实现来车方向的电源(比如，图1中的A相)向中性区之间的平滑过渡，实现无操作过电压的连续不间断带电(供电)；当列车在中性区内时，来车方向的电源已经被隔离不再向列车供电，此时电源能量来自于中性区相连的电力电子变换装置构成的开关电气回路，因为交直交功率电子控制技术基本原理的特点，该装置两侧的交流电压输入输出的交流-直流-交流中间过程经过了能量曾被变换为直流电压环节的隔离过程(可参照图5进行理解)，则该电源开关输出的电压相位理论上和输入的电源没有任何电气回路的关系，并可任意输出为指定的相位和电压幅值，所以列车进入中性区时该电力电子变换装置可以根据列车前方电源的相位在瞬间(≈10ms)但仍是连续地完成电源相位的改变，改变中性区此时的电源电压相位和幅值，改到和列车前进方向的电源相位一致，从而使得在列车驶离中性区时，跨接中性区供电电源和驶离方向的远端的供电电源时，不同电源系统之间不存在相位差和电压幅值的差别，实现中性区供电电源与向列车行驶前方的电源供电之间的平滑过渡，实现无操作过电压的连续不间断供电。从而完成整个列车在中性区前端、末端两次电源系统之间在电压转换供电时的无电压差和无相位差的连续平滑不中断供电，完美地实现电力牵引列车的不断电自动过分相功能。

2、理论上，只需要采用一组电力电子变换装置为中性区提供一路电源即可构成全部的电气装置，额定功率大于一列车的电气输入功率即可；也可以优化电气系统的构成方案比如采取多组并联的电力电子变换装置形成可靠性更高、容量更大以满足未来的更大功率列车过分相的供电能力需要，但基于目前大功率电力电子器件的电压及电流等级、换相设备的容量、电压等级、可靠性冗余性能，这并不是必须的。比如在军工船舶领域的电力推进系统的中压大功率推进变频器功率已经达到了20MVA应用的水平、在高速铁路的动车组内部的牵引动力电源均采用该电力电子变换装置的原理且容量达到12MVA，均可以满足本电分相功能换相开关的技术性能要求，当前的上述设备装置已经可以满足当前的最大需要。该装置(“地面自动过分相装置换相开关”)虽然不是本发明的专利申请范围，但对该装置的基本参数进行合理选择和运用是实现本发明专利申请方法的重要前提，该电力电子变换装置的基本参数即“地面自动过分相装置换相开关”的主要技术指标为：

开断额定容量：             ≥12MVA；

输入额定电压：             二相间，

输出额定电压：             单相27.5kV～31.5kV(最高31.5kV)

输出额定频率：          50Hz；

主回路额定电流：        1200A；

主回路额定短时耐受电流  12.5kA；

额定输出时THDV％：      ≤2％(100次以内)；

额定工况下换相开关效率：≥98.5％；

输入/输出功率因数：     0～1可调；

交直交移相切换时间：    正常切换时间≤360ms；

正常系统工作寿命：      60万次(过分相次数)。

3、采用本电力电子变换装置即地面自动过分相装置换相开关实现电压相位无缝转换电力牵引列车自动过分相方法时，还涉及到一个列车位置的判定功能，需要根据适当的列车位置可靠判定以便启动或恢复地面自动过分相装置换相开关的开断功能。作为该新型方法的应用，其位置判定的精度要求、方法原理和常规的目前大量采用的既有方式地面自动过分相系统的开关控制与机车位置检测联动的解决方案没有任何实质上的不同，唯一不同的是采集的位置信号需要输入给本电力电子变换装置即控制地面自动过分相装置换相开关，作为启动信号，控制原理和方式和常规地面自动过分相系统的机械操作机构的断路器开关方式的一样。也就是说，仍然可以采用已经成熟和当前主流的地面或车载自动过分相方案的较成熟的机车位置检测方式。我国通常采用不断轨无绝缘轨道电路，采用计轴式检测器独立设置机车位置检测方法，适用新线和既有线改造均可。最好采用三点式计轴列车检测装置，也可以采用两点式计轴检测装置，技术成熟，实施容易。日本的自动过分相系统则采用了断轨式轨道电路，原理不同但都能实现开关控制与机车位置检测联动。所以，本方法需要配套采用的工程技术成熟且经过试验证明可靠、简便易行，满足需要，技术可以直接移植而无需专门再行开发或研究。

本发明的的优点

1、整个过分相装置的系统方案中不需要断路器或机械开关的分断及闭合操作，不存在机械开关磨损和大电流触点分断的寿命问题。

2、电力牵引列车过分相时始终真正地连续地带电，不存在断电过程引起或导致任何类型的电力牵引列车或动车组尤其是欧洲制式动车组在电力牵引列车过分相时即使遇到极其短暂的失电也会引起较为明显降速的应用难题。

3、由于电力牵引列车过分相时始终带电，不存在瞬间断电或电源换电对电力牵引列车牵引变流器及牵引供电网络的功率冲击及由此所带来的冲击过电压问题。

4、电力牵引列车过分相时，电力电子变换装置(即换相电子开关装置)转换相位时，因为交直交理论原理的特点，任何时刻都可实现与外界输入电源系统在保持自然隔离状态下的输出功率及其相位变换的连续平稳过渡，不存在目前两个不同相位的电源系统之间需要多个机械操作的断路器开关配合(一个断开、另一个随后才能合)切换过程要求设备时限配合精度极高容易导致的设备可靠性和电分相换相失败的技术问题。

5、通过采用电力电子变换装置，可使得自动过分相装置的整体可靠性得到有效地保证。电力电子相位变换装置维护量少，即使故障时，按模块退出和更换也非常迅捷，且电力电子变换装置通常自身设备内部的冗余设计就可以实现即使模块更换过程中也不影响对外功能和使用，可确保对铁路运输秩序的最小影响。

附图说明

以下有四幅图示分别表示本发明的“采用电力电子变换装置实现列车带电自动通过分相(中性区)的方法”在实际使用过程中的四种循环顺序状态。

图1为本发明“列车到达中性区以前的中性区带电状态”。其中，电源侧的电压相位1，电力电子变换装置2、电分相的中性区(带电状态)3、电力牵引列车4。1#、2#、3#，分别表示电力牵引列车相对于中性区的一定的位置关系，其中1#为电力牵引列车接近中性区时的位置，2#为电力牵引列车到达中性区附近时电力电子变换装置开始启动电压变换工作状态的位置；3#为电力牵引列车开始沿着前进方向驶离电分相中性区的位置。

图2为本发明“列车接近中性区时启动电力电子变换装置并使得中性区变换为列车当前所带电相位的带电状态”。

图3为本发明“列车位于中性区内时电力电子变换装置快速变换中性区相位为列车前进方向的远端所带电相位的带电状态“。

图4为本发明“列车驶离中性区后电力电子变换装置变换中性区相位为无电的中性区带电状态即回到图1的状态等待下一趟列车到来”。

图5为电力电子变换装置的内部原理，说明装置内部的交流-直流-交流过程变换环节，即中间有一个所谓直流隔离的环节。

图1～图4中的“01”表示电源侧的电压相位，可以为A或B相电或任意的一相电力牵引电压电源；“02”表示电力电子变换装置，该装置的内部原理以图5表示；“03”表示电分相的中性区(带电状态)；“04”表示电力牵引列车；“05”表示电力电子变换装置内部的交流-直流-交流变换过程中间的直流隔离的环节。各图中的1#、2#、3#，分别表示电力牵引列车相对于中性区的一定的位置关系，其中1#为电力牵引列车接近中性区时的位置，2#为电力牵引列车到达中性区附近时电力电子变换装置开始启动电压变换工作状态的位置；3#为电力牵引列车开始沿着前进方向驶离电分相中性区的位置。

具体实施方式

1、按照图1的方式构成全部的电气装置，即采用一组通用的动车组或交直交牵引电力机车类似的驱动电源控制系统作为电力电子变换装置构成地面自动过分相装置换相开关，为中性区提供一路电源，额定功率大于一列车的电气输入功率，通常为12MVA容量，技术指标满足电力电子变换装置的基本参数即“地面自动过分相装置换相开关”的主要技术指标即可。

2、采用现有的通用的铁路列车信号系统控制技术方法即不断轨无绝缘轨道电路并采用计轴式检测器独立设置机车位置检测，配合设置好各图中的1#、2#、3#用于列车位置判定的定位装置，分别反映电力牵引列车相对于中性区的一定的位置关系，并提供信号给新型电力牵引列车自动过分相方案系统的电力电子变换装置作为操作或启动的命令。

该列车定位装置和上述电气装置即组成全部的“采用电力电子变换装置实现列车带电自动通过分相(中性区)”系统。

3、实现的分相连续不中断供电功能的过程和方法如下，

当电力牵引列车从远方驶来并位于到达中性区以前的位置时(例如，图1#位置)，中性区处于不带电状态；当电力牵引列车接近中性区时(例如，图2中的2#位置)，通过列车位置判断装置及时启动电力电子变换装置并使得中性区带电，经过约10ms左右的瞬间即可使得其电压相位在保持额定功率输出的前提下连续平滑变换为列车当前所带电相位的带电状态(例如，图2中的带电A相位)，即电力电子变换装置从某一相(A相或B相或其他任意理论相位，没有限制)取电经过电力电子变换装置后向中性段供电，中性段的电压幅值及相位可调制成与列车来侧方向的电压相位完全一致(例如，图2中的A相)，因为中性区早在列车到达中性区以前就带电且电压、幅值和列车来侧方向的电源一致，没有相位差和电位差，则对电力牵引列车的供电没有任何短时间中断供电现象也不存在不同相位电压转换引起的电气大功率暂态过程，所以电力牵引列车此时将由A相平滑过渡到中性段。当通过列车定位装置判断和确认当电力牵引列车完全处于中性段后，电力电子变换装置可瞬间(10ms)即可完成中性段电压幅值及相位的连续而不是中断供电的改变，即电力牵引列车位于中性区内时电力电子变换装置快速变换中性区相位为电力牵引列车前进方向的远端所带电相位的带电状态(如图3所示，改变到与B相相序和幅值一致的电压)，此时电力牵引列车可带电直接平滑过渡到电力牵引列车前进方向的远端所带电相位(如图3中的B相)并没有遇到任何中断供电状态而一直可处于动力牵引运行；当确认电力牵引列车完全驶离中性区以外并足够远离电分相区域时(如图4中的B相电和3#位置时)，电力电子变换装置停止向中性段供电，电力牵引列车完成整个过分相操作，中性区恢复到下一趟电力牵引列车从远方驶来并到达中性区以前的位置时的无电等待状态(如图4、图1所示)。

Claims (1)

1.一种采用电力电子变换装置实现列车带电自动过分相方法，其特征在于，工艺步骤如下：

(1)采用地面自动过分相装置换相开关，从电网的电源侧一端接引功率≥12000kW的电源，经过该电力电子变换装置的交流一直流一交流过程变换，给中性区提供一个回路的电源，给中性区提供一个回路的电源实现任何指定相位或目标相位的27.5kV电压的足额功率输出，供列车在中性区区域时能够带电运行，即可实现地面带电自动过分相系统功能；过程如下：

根据需要，中性区已经在电力牵引列车进入中性区前经过电力电子变换装置变换为来车方向的电源电压和相位，则电力牵引列车进入中性隔离区时的，中性区电源和来车方向的电源之间没有相位差和电压差，从而实现来车方向的电源向中性区之间的平滑过渡，实现无操作过电压的连续不间断带电；当列车在中性区内时，来车方向的电源已经被隔离不再向列车供电，此时电源能量来自于中性区相连的电力电子变换装置构成的开关电气回路，所以列车进入中性区时该电力电子变换装置根据列车前方电源的相位在瞬间但仍是连续地完成电源相位的改变，改变中性区此时的电源电压相位和幅值，改到和列车前进方向的电源相位一致，从而使得在列车驶离中性区时，跨接中性区供电电源和驶离方向的远端的供电电源时，不同电源系统之间不存在相位差和电压幅值的差别，实现中性区供电电源与向列车行驶前方的电源供电之间的平滑过渡，实现无操作过电压的连续不间断供电；从而完成整个列车在中性区前端、末端两次电源系统之间在电压转换供电时的无电压差和无相位差的连续平滑不中断供电，实现电力牵引列车的不断电自动过分相功能；

(2)选择合理地地面自动过分相装置换相开关技术参数为：

开断额定容量：          ≥12MVA；

输入额定电压：          二相间，

输出额定电压：          单相27.5kV～31.5kV

输出额定频率：          50Hz；

主回路额定电流：        1200A；

主回路额定短时耐受电流  12.5kA；

额定输出时THDV％：      ≤2％，100次以内；

额定工况下换相开关效率：≥98.5％；

输入/输出功率因数：     0～1；

交直交移相切换时间：    正常切换时间≤360ms；

正常系统工作寿命：      过分相次数：60万次。

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