CN103950394B - 一种兼具融冰功能的交直流混合牵引供电系统 - Google Patents

Abstract

一种兼具融冰功能的交直流混合牵引供电系统，包括：交流供电组件，用来进行交流供电，其牵引变压器经第一断路器接入牵引供电网，牵引变压器降压后输出交流，经过交流馈线开关与牵引网相连；直流供电组件，用来进行直流供电，其整流变压器经第二断路器接入牵引供电网，整流变压器降压并经整流器整流后输出直流，一路经过直流馈线开关与牵引网相连，另一路经过双极高压隔离开关与牵引网相连，并在分区所线路末端设有用来短接牵引网上行、牵引网下行的高压隔离开关，令牵引网上行、牵引网下行形成融冰回路；放电线圈设置于直流馈线开关输出侧正母线端，并设有高压开关。本发明具有原理简单、功能集成度高、运行安全可靠等优点。

Description

一种兼具融冰功能的交直流混合牵引供电系统

技术领域

本发明主要涉及到机车供电系统领域，特指一种兼具融冰功能的交直流混合牵引供电系统及供电方法。

背景技术

我国电气化铁路实施以来，有力的促进了铁路系统的发展。我国铁路现有的供电系统大都采用交流供电，即将工频110kV（或220kV）通过牵引变压器转变为工频27.5kV，再通过馈线开关供至牵引网给机车使用。我国目前使用的韶山系列电力机车、CRH系列动车组等均采用这种交流供电方式。随着城市地铁、城际轻轨建设的迅猛发展，电力牵引以其高效，快捷，节能的特点正在更加广泛地应用于城市轨道交通领域，一套整合、高效，经济的城市轨道交通网络系统已逐步完善，城市轨道交通进入了快速发展的新时期。与国铁相比，城市轨道交通车辆牵引负荷较小，大都采用直流供电，电压等级为3000V、1500V（或750V）。由于两种机车电压形式的不同，在两种机车交汇或衔接区段将会出现交直流车混跑，势必面临着机车牵引网的电压转换问题。同时，在机车生产单位，也将面临机车的动、静调试资源共享问题，比如交流机车需要交流电源供电，直流机车需要直流电源供电，但牵引网线路或试验区域有限，增加线路和开关站的建设将需要大量成本和占地，并且随着机车运力的增加也不能从根本上解决问题。

根据传统的经验，实现相邻不同牵引供电制式接触网的电气分离，一般采用以下两种方式：（1）设供电系统转换车站方式，即在交直流汇合区段线路上让进站的列车由一种供电制式的机车牵引进入，而开出交直流区段时由相邻的另一种供电制式的机车牵出，不需要切换接触网，两种电源同时供电，互相绝缘。（2）设置系统分离区方式，即要求电力机车采用造价高的双流制牵引，机车同时配备交、直流受电弓，当机车进入交流供电区时采用交流受电弓取电，当机车进入直流供电区时机车采用直流受电弓受电。

为实现交直流牵引供电系统，目前我国大部分还处交直流机车分线路运行，只有部分城轨线与国铁线衔接处或机车制造企业的试验调试线有小规模的双流制或多制式牵引供电系统，其存在诸多的技术缺陷，且系统不具备融冰功能。比如交流与直流供电系统切换复杂、交直流供电轨回流干扰、供电系统可靠性不高问题等，且大多方案都处于设想阶段，后续随着电气化牵引技术的发展，交直流机车混跑方案的技术会随着城市交通建设逐步得到运用。

与此同时，随着全球气温的变化，部分地区已出现了冰雪凝冻灾害天气，牵引供电设施遭受了冰冻等灾害，在电气化铁路因接触网冰雪危害而引起供电中断的事故十分严重和频繁，为确保列车在冻雨及冰雪等极端灾害天气情况下安全运行，需要具备融冰功能。目前，针对牵引线路或输电线路的融冰已有大量文献和应用工程，在电气化牵引网的融冰一般都是单独配置一套固定式或移动式融冰设备，采用独立的大功率整流器或电压源换流器等装置提供电源进行融冰的方案，结构十分复杂，成本高昂。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种原理简单、功能集成度高、运行安全可靠的兼具融冰功能的交直流混合牵引供电系统及供电方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种兼具融冰功能的交直流混合牵引供电系统，包括：

交流供电组件，用来进行交流供电，包括牵引变压器和交流馈线开关QF3，牵引变压器经第一断路器QF1接入牵引供电网，牵引变压器降压后输出交流27.5kV，经过交流馈线开关QF3与牵引网相连；

直流供电组件，用来进行直流供电，包括整流变压、整流器、直流馈线开关QF4、放电线圈FD，整流变压器经第二断路器QF2接入牵引供电网，整流变压器降压并经整流器整流后输出直流，一路经过直流馈线开关QF4与牵引网相连，另一路经过双极高压隔离开关QS1与牵引网相连，并在分区所线路末端设有用来短接牵引网上行、牵引网下行的高压隔离开关QS2，令牵引网上行、牵引网下行形成融冰回路；放电线圈FD设置于直流馈线开关QF4输出侧正母线端， 并设有高压开关QF5。

作为本发明的进一步改进：所述整流器采用晶闸管机组，通过晶闸管的触发控制电流的输出。

作为本发明的进一步改进：所述整流器的输出端连接有电压限制器FV。

作为本发明的进一步改进：所述第一断路器QF1与第二断路器QF2不做联锁，所述交流馈线开关QF3与直流馈线开关QF4相互联锁；直流馈线开关QF4的合闸与高压开关QF5进行联锁；双极高压隔离开关QS1与直流馈线开关QF4建立联锁，两者不能同时合闸。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

（1）本发明采用交、直流电源共享牵引网，根据机车的受电需求，通过投入和切除交流或直流馈线开关将相应电源送至牵引网供机车使用，不论机车在何种供电模式，电源之间都不会互相干扰，一种电源供电时，另一种电源完全退出牵引网，当遭遇牵引网线路冰冻时，可将直流电源切换成融冰功能，进行线路的防融冰。

（2）本发明供电系统设置可靠的多重联锁措施，防止交直流两种电源同时接入牵引网。并且牵引网在交流切换至直流供电过程中，设置了线路残余电压的放电装置，放电装置可通过检测和联锁方式自动投入和退出，保证牵引网几乎在零电压时接入直流供电，提高了直流系统的安全。在交流供电时，通过在交流牵引变压器侧设置接地点，通过馈线开关将接地点引入牵引网，电路简单，功能可靠，也保障了钢轨接地的可靠性。因此，本发明可以清晰简单的完成两种电源在同一牵引网上实现切换。

（3）本发明从交流切换到直流时，通过对线路进行放电，可避免牵引网残压对直流电源的危害。

（4）本发明的直流电源采用晶闸管整流，实现多电压3000、1500V(或750V等)、多脉波12（或24）输出的功能，可以满足不同直流机车的受电需求。

（5）本发明集成了交直流供电同时兼具有融冰功能为一体的供电和防融冰牵引供电系统。

附图说明

图1是本发明系统在具体应用实例中的结构原理示意图。

图2是本发明在具体应用实例中的开关联锁原理示意图。

图3是本发明在具体应用实例中实现融冰功能时的原理示意图。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，本发明的一种兼具融冰功能的交直流混合牵引供电系统，包括：

交流供电组件，用来进行交流供电，包括27.5kV牵引变压器TM和27.5kV馈线开关QF3，27.5kV牵引变压器TM经第一断路器QF1接入牵引供电网，如110kV（或220kV）电网，牵引变压器降压后输出交流27.5kV，经过27.5kV馈线开关QF3与牵引网相连。

直流供电组件，用来进行直流供电，包括整流变压器TB、整流器UR、直流馈线开关QF4、27.5kV放电线圈FD，整流变压器TB经第二断路器QF2接入牵引供电网，如110kV（或220kV）电网，整流变压器降压并经整流器整流后输出12脉波（或24脉波）直流3000V、1500V(或750V等)，一路经过直流馈线开关QF4与牵引网相连，另一路经过27.5kV双极高压隔离开关与牵引网相连，并在分区所线路末端设有用来短接牵引网上行、牵引网下行的27.5kV高压隔离开关QS2，令牵引网上行、牵引网下行形成融冰回路；27.5kV放电线圈FD设置于直流馈线开关QF4输出侧正母线端， 并设有27.5kV高压开关QF5。

本实施例中，整流器UR可以采用晶闸管机组，通过晶闸管的触发控制电流的输出，可实现多电压3000V、1500V(或750V等)、多脉波12（或24）输出的功能，以适应不同要求的机车运行，同时整流机组采用在线监控和保护功能，可提高直流电源的输出稳定性。如在整流器UR的输出端连接有电压限制器FV。

采用本发明的上述结构，能在同一牵引供电网实现交流和直流电源的混合供电方案，能根据实际的需要，实现交流供电或直流供电方式，且通过切换直流电源装置的输出方式，可以实现牵引网的融冰功能。

在上述结构中， QF1与QF2不做联锁，当系统运行时，两断路器均投入运行。QF3与QF4相互联锁，即当QF3在合闸时QF4一定在断开位置，QF4合闸时QF3一定在断开位置，同时QF4的合闸需要与QF5进行联锁，即QF4合闸前QF5需已完成分闸。QS1与QF4相互建立联锁，两者不能同时合闸，其QS1为融冰功能输出，QF4为直流牵引电源输出，QS1和QS2开关的合闸只在融冰功能状态时才闭合，其它工作状态时均不动作。

在图2中，共有6条联锁，用“<―――>”标明联锁对象，分别为①、②、③、④、⑤⑥。

其中①为QF3与QF4联锁，表示：当QF3合闸时，QF4开关必在分位，当QF4合闸时，QF3开关必在分位。两开关不能同时合闸的相互联锁。

其中②为QF3与QF5联锁，表示为：QF3开关闭合后，QF5开关根据QF3开关的闭合状态进行自动合闸，即QF5开关的合闸由QF3开关的闭点信号驱动。

其中③为QF4与QF5联锁，表示为：QF4开关的合闸时，QF5开关一定已在分位。而QF5开关的分合与QF4开关无关。

其中④为QF5与整流器控制系统的关联，表示为：QF5的分闸由整流器的控制系统控制，即，QF5开关下的FD装置检测牵引网上的交流电压为零或安全电压值时（通过保护设定），控制器发出QF5开关的分闸信号，断开QF5开关，退出FD装置。同时检测QF5开关状态信号给控制器，作为整流机组直流输出开关QF4的合闸判断依据。其目的在于保障直流电源接入牵引网前牵引网上无交流电压，且FD装置已退出牵引网。

其中⑤为接于直流负极的电压限制器，其通过QF4接入牵引网，用于检测负极（钢轨）对地电压，保障钢轨及机车车体电位安全，防止人身触电等事故。当直流设备内正极对外壳短路时，机车和负极负轨电位升高，电压限制器检测钢轨和地之间电压，当这个电压值大于安全整定值时，电压检测器立即保护动作，与大地接通，同时发出信号至直流控制系统，立即封锁晶闸管脉冲信号，停止直流电源的输出，退出供电。待故障排除后，再投入直流系统进行供电。

其中⑥为实现融冰功能的联锁，整流器工作有两种状态，一种为机车行车时提供牵引直流电源，另一种为线路融冰时提供电源，设置其联锁，表示整流电源在同一时刻只能实现一种供电模式的输出功能。

当交流27.5kV接入牵引网时，变压器N线接至钢轨，为了防止电压悬浮，采用变压器侧N线接地，同时可通过QF3的分合对钢轨进行接地操作，可有效减少线路杂散电流的危害，送电前确保QF4在断开位置。

当直流3000V、1500V(或750V等) 接入牵引网时，为防止直流两极对地短路，需要采用钢轨不接地处理，直流送电前需确保QF3断开，保障交流电源退出且钢轨处于不接地状态。为防止直流机车车体以及钢轨电压过高，在负极与地之间装设电压限制装置，保障钢轨电位在安全值以下。同时，牵引网通过FD装置进行放电，FD装置的电压信号传送至整流控制器进行检测，当牵引网电压值降至零或安全值后退出，即QF5断开，FD装置退出后才允许QF4闭合及直流电源输出，保障直流电源安全送入电网。

当进行融冰功能工作时，将直流电源装置设置成融冰功能输出状态（其输出电压和电流的大小可通过线路参数、气象温度等计算得出），在分区所线路未端闭合QS2，将上下行牵引线短接，通过上下行牵引正线形成融冰回路，闭合QS1，对接触网导线输送可控的直流融冰电流，使导线发热，从而将线路上的覆冰融化。

在本发明中，QF5的合闸由QF3驱动，即QF3合闸后，QF5接收QF3的合闸状态信号自动投入，即将FD装置接入牵引网。QF5的分闸通过放电线圈的电压值驱动，即牵引网电压值降至零或安全值时，通过控制器检测并发出QF5的分闸信号，使FD退出。

具体工作原理：

1、交直流混合供电：

牵引变压器和整流变压器通过QF1和QF2接入110kV（或220kV）电网，牵引变压器降压后输出交流27.5kV，整流变压器降压并整流后输出12脉波（或24脉波）直流3000V、1500V(或750V等)，QF3、QF4、QF5均处于断开位置。当交流机车行至牵引网区段时，通过投入QF3，将交流27.5kV送至牵引网，供机车运行，同时QF5关联QF3合闸信号后自动投入，FD装置并入牵引网，牵引网 电压信号传送至整流控制器进行电压监控和相关保护。当直流机车行至接触网区时，QF3断开，退出交流电源，牵引网通过FD进行线路放电，当牵引网电压降至零或到达安全电压时通过控制装置自动断开QF5退出FD装置，再投入QF4,将直流电源送至牵引网，供直流机车运行，若当直流机车首先行经时，因线路无电压，无接地，可直接投入QF3进行直流电源送电。

2、防融冰功能：

如图3所示，整流变压器通过QF2接入110kV（或220kV）电网，整流变压器降压并整流后输出直流电压和电流，QF3、QF4、QF5均处于断开位置。将直流电源装置设置成融冰功能状态（其电压电流的大小可通过线路参数计算得出），在分区所线路未端闭合QS2，将上下行牵引线短接，通过上下行牵引正线形成融冰回路，闭合QS1，对接触网导线输送可控的直流融冰电流，使导线发热，从而将线路上的覆冰融化。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种兼具融冰功能的交直流混合牵引供电系统，其特征在于，包括：

交流供电组件，用来进行交流供电，包括牵引变压器和交流馈线开关（QF3），牵引变压器经第一断路器（QF1）接入牵引供电网，牵引变压器降压后输出交流27.5kV，经过交流馈线开关（QF3）与牵引网相连；

直流供电组件，用来进行直流供电，包括整流变压、整流器、直流馈线开关（QF4）、放电线圈（FD），整流变压器经第二断路器（QF2）接入牵引供电网，整流变压器降压并经整流器整流后输出直流，一路经过直流馈线开关（QF4）与牵引网相连，另一路经过双极高压隔离开关（QS1）与牵引网相连，并在分区所线路末端设有用来短接牵引网上行、牵引网下行的高压隔离开关（QS2），令牵引网上行、牵引网下行形成融冰回路；放电线圈（FD）设置于直流馈线开关（QF4）输出侧正母线端， 并设有高压开关（QF5）。

2.根据权利要求1所述的兼具融冰功能的交直流混合牵引供电系统，其特征在于，所述整流器采用晶闸管机组，通过晶闸管的触发控制电流的输出。

3.根据权利要求1所述的兼具融冰功能的交直流混合牵引供电系统，其特征在于，所述整流器的输出端连接有电压限制器（FV）。

4.根据权利要求1或2或3所述的兼具融冰功能的交直流混合牵引供电系统，其特征在于，所述第一断路器（QF1）与第二断路器（QF2）不做联锁，所述交流馈线开关（QF3）与直流馈线开关（QF4）相互联锁；直流馈线开关（QF4）的合闸与高压开关（QF5）进行联锁；双极高压隔离开关（QS1）与直流馈线开关（QF4）建立联锁，两者不能同时合闸。