CN105799553B - 一种电子式地面自动过分相装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电子式地面自动过分相装置，包括列车方向及位置检测单元，电子式开关阀组单元和中央控制器单元，中央控制器单元通过检测α相、中性段以及β相上的电压，并根据列车位置信号处理单元输出的列车行驶方向以及到达的位置信号，决定的最优开通时刻，来获得最小的过电压和最小的过电流冲击的效果，发送同步触发开通或关断信号，实现列车地面自动过分相功能；本发明缩短了列车运行时间，提高了线路运力，提高了车上高压电气设备的使用寿命，降低了运营维护成本。

Description

一种电子式地面自动过分相装置

技术领域

本发明属于铁路接触网电分相区段的地面自动过分相领域，具体涉及一种电子式铁路地面自动过分相装置。

背景技术

我国电力系统供电网络采用三相交流供电，而在铁道电气化铁路采用单相工频交流牵引供电。为使电力系统三相供电网络的负荷平衡以及提高电网利用率，电气化铁路接触网采用分段分相供电方式。为防止相间短路，各相间用空气或绝缘物分割，称为电分相。电气化列车从接触网取电行驶时，就存在如何过电分相的问题。

当今世界上铁路过分相主要采用的是自动过分相，技术方案主要有三种：以法国、德国、英国、西班牙为代表的车上自动断电过分相；以瑞士AF公司为代表的柱上开关自动断电过分相；以日本为代表的地面开关自动切换过分相。

我国曾引进过瑞士AF公司的柱上开关自动断电过分相设备，但都不是很成功，在试验过程中出现过拉弧、烧弓、线路跳闸等现象。

目前我国普速铁路和高速铁路基本上都采用的是车上自动断电过分相技术。该技术的优点是：无需人工干预、投资小、技术成熟，适应于低速、常速、高速列车的要求，应用范围广泛。该技术方案的缺点是：第一，本质上是断电过分相，断电时间较长，牵引力和速度都有一定的损失，尤其是对于重载货运的普通电力机车和电分相在大坡道的电力机车或高速动车组，速度损失较大，降低了铁路的整体运能；第二，车载主断路器开断频繁，寿命短，需要定期维护更换，运营成本高；第三，主断路器的开断，给电力机车或高速动车组带来较高的操作过电压冲击，加速车上高压电气设备的绝缘老化；第四，由于电分相一直是机电、弓网配合的故障高发区域，列车司机要监控电分相装置的工作可靠性，容易导致司机操作疲劳。

对于普通电力机车的重载铁路，为了提高减小电分相带来的速度损失，提高铁路的运能，我国西铁科研所曾参照日本地面开关自动切换过分相装置原理研制了基于智能选相真空断路器的机械式地面自动过分相装置，并在宝成线、神溯线、陇海线、青藏线等铁路上得到应用，为提高西部铁路货运能力起到了重要作用。该过分相方式的优点是：第一，通过地面开关切换给中性段供电，中性段无电时间短，列车无速度损失；第二，车上主断路器不动作，减小了开断次数，可延迟主断路器的使用寿命。但是该产品的缺点也很明显，主要有：第一，机械开关切换不能精确控制相位，存在过电压和过电流冲击，过电压在70kV以上，会加速车上高压电气设备主绝缘加速老化，过电流冲击易引起机车跳闸；第二，机械开关切换时间长，中性段无电时间在130ms以上；第三，由于较高过电压和过电流存在，以及中性段无电时间较长，需要修改电力机车的控制软件和保护整定值；第四，地面机械开关寿命低，需要定期检修维护和更换，车上高压电气设备绝缘老化快，寿命短，后期运营成本高。

为了减小高速铁路的行车时间，我国也曾经准备把地面开关自动切换过分相技术应用在京沪高速铁路上，并组织了国内相关单位和日本明电舍在铁科院环线试验线上进行试验。试验结果表明，地面开关自动切换过分相装置可以与原型车为CRH2系列的日本车型兼容匹配，但其过电压水平和中性段无电时间无法与CRH1、CRH3、CRH5、CRH6等系列的车型匹配，最终导致这一技术方案没有在我国高速铁路上应用。

发明内容

本发明提出了一种新型的电子式铁路地面自动过分相装置，该装置开断动作快速、转换间隔短、过电压和过电流冲击小、寿命长、可靠性高等优点，可以克服现有自动过分相技术存在的各种问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种电子式地面自动过分相装置，包括

列车方向及位置检测单元，用于检测列车的行驶方向以及到达的位置，所述的列车方向及位置检测单元包括安装在α相供电臂所属区域的铁轨两边的传感器J1和传感器J1’，安装在中性段所属区域的铁轨两边的传感器J2和传感器J2’以及安装在β相供电臂所属区域的铁轨两边的传感器J3和传感器J3’；

电子式开关阀组单元，根据中央控制器单元发出的控制执行开通和关断动作，在合适的时刻给中性段接入不同供电臂电源，所述的电子式开关阀组由T1、T2、T3、T4四个高压晶闸管组成，其中T1和T3并联，T2和T4并联，再串联，所述的电子式开关阀组通过三个联接点经由电气开关分别连接到α相、中性段和β相供电臂；

中央控制器单元，通过检测α相、中性段以及β相上的电压，并根据列车位置信号处理单元输出的列车行驶方向以及到达的位置信号，决定高压晶闸管的最优开通时刻，来获得最小的过电压和最小的过电流冲击的效果，发送同步触发开通或关断信号，实现列车地面自动过分相功能。

所述的一种电子式地面自动过分相装置，其电气开关为断路器或上网隔离开关。

所述的一种电子式地面自动过分相装置，其传感器为计轴传感器或磁感应传感器。

所述的一种电子式地面自动过分相装置，其电子式开关阀组上还设置有辅助电路。所述的辅助电路包括均压电路、过电压吸收电路以及驱动电路。

本发明的有益效果是：

1、缩短列车运行时间，提高线路运力：全面采用地面自动过分相装置后，列车在分相区将无需减速通过，大大缩短列车运行时间，可增加每天的发出数量，提高铁路的整体运力；

2、提高车上高压电气设备的使用寿命，降低运营维护成本：全面采用电子式地面自动过分相装置后，车上主断路器在列车过分相区时不再动作，可显著延长车载主断路器的使用寿命，同时，电子开关切换过电压水平低，对车上高压电气设备主绝缘无影响，因此，电子式地面自动过分相装置可提高车上高压电气设备的使用寿命，降低运营维护成本。

附图说明

图1所示为本发明的电气图；

图2所示为本发明电子式开关阀组单元的原理图。

各附图标记为：JZU—列车位置信号处理单元，CCU—中央控制器单元，T1、T2、T3、T4—高压晶闸管，QF1、QF2、QF3—电气开关，J1、J1’、J2、J2’、J3、J3’—传感器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

参照图1所示，本发明公开了一种电子式地面自动过分相装置，一种电子式地面自动过分相装置，包括列车方向及位置检测单元、电子式开关阀组单元和中央控制器单元CCU。

所述的列车方向及位置检测单元用于检测列车的行驶方向以及到达的位置，所述的列车方向及位置检测单元包括安装在α相供电臂所属区域的铁轨两边的传感器J1和传感器J1’，安装在中性段所属区域的铁轨两边的传感器J2和传感器J2’以及安装在β相供电臂所属区域的铁轨两边的传感器J3和传感器J3’，传感器J1、J1’、J2、J2’、J3和J3’作为检测单元用来检测列车的行驶方向及到达位置，输出的信号送入列车位置信号处理单元JZU，传感器可以是计轴传感器或其它磁感应传感器，但不局限于何种传感器，可以是满足功能要求的任何传感器。

一对传感器J1（J1’）和一对传感器J2（J2’）之间的距离为L1，一对传感器J2（J2’）和一对传感器J3（J3’）之间的距离为L2，L1和L2的长度由所处铁路最高类车行驶速度和列车的长度进行计算得到，一般由铁路设计单位确定。

参照图2所示，所述的电子式开关阀组单元根据中央控制器单元CCU发出的控制执行开通和关断动作，在合适的时刻给中性段接入不同供电臂电源，所述的电子式开关阀组由T1、T2、T3、T4四个高压晶闸管串联再反向并联设计而成，其中T1和T3并联，T2和T4并联，再串联，所述的电子式开关阀组通过A、B/C、D三个联接点经由电气开关QF1、QF3、QF2分别连接到α相、中性段和β相供电臂，所述的电气开关可以是断路器或上网隔离开关，其中QF1、QF3、QF2一般由牵引变电所或分区所提供，但也可作为装置的一部分进行整体供货，四个高压晶闸管都正常时，T1和T3中只有一个根据需要正常开断，另一个常开并在线备用，T1和T2在线互为备用，T3和T4在线互为备用；T2和T4中只有一个根据需要正常开断，另一个常开并在线备用，可以组合成的运行模式有：（T1，T3）、（T1，T4）、（T2、T3）、（T2、T4）共四种，所有高压晶闸管都正常时，默认（T1，T3）作为主用工作阀组，当T1或T3任一阀组损坏时，通过控制系统的在线识别并切换成备用的组合模式，电子式开关阀组可组成四种组合运行模式，可靠性高，通过中央控制器单元对电子式开关阀组的最优控制，可实现过电压水平低、电流冲击小、中性段换相供电时间间隔短的最优控制，能兼容我国所有的电气化铁路和所有牵引车型。

所述的中央控制器单元CCU通过检测α相、中性段以及β相上的电压，并根据列车位置信号处理单元JZU输出的列车行驶方向以及到达的位置信号，决定高压晶闸管T3（T4）的最优开通时刻，来获得最小的过电压和最小的过电流冲击的效果，发送同步触发开通或关断信号，实现列车地面自动过分相功能。

高压晶闸管T1、T2、T3和T4设计完全一样，可以互相替换。其中T1和T2首位并联，并联点为A、B；T3和T4首位并联，并联点为C、D。将B点和C点联接成一个点B（C），分别将A、B（C）、D联接点通过断路器（或上网隔离开关）QF1、QF3、QF2分别连接到α相供电臂、中性段和β相供电臂，但不局限于通过断路器连接到接触网或供电臂，也可以是隔离开关等设备，上网断路器或隔离开关也不局限于本装置的必须配置，也可以是用户配置设备。四个高压晶闸管都正常时，T1和T3只有一个阀组根据需要正常开断，另一个常开，并在线备用；T2和T4只有一个阀组根据需要正常开断，另一个常开，并在线备用。

电子式开关阀组为了保证可靠工作，还设置有均压电路、过电压吸收电路、驱动电路等辅助电路，但不局限各种辅助电路的具体形式和参数，只要是针对晶闸管器件在高压串联条件下能可靠工作的辅助电路均在本专利的保护范围内。

电子式开关阀组由一定数量高压晶闸管串联压装后再正、反向并联后制成，但不局限器件数量和电压等级，器件的数量根据所选器件的电压等级以及冗余数量来确定，只要满足系统功能要求都在本专利的保护范围内。

列车位置信号处理单元JZU接收列车位置检测传感器检测到的信号进行处理，获得列车的行驶方向和位置到达信号送入中央控制器单元CCU，再由中央控制器单元CCU根据检测到的α相、中性段、β相的电网各电气测量信号综合计算处理后，输出T1、T2、T3、T4的触发信号去控制各电子开关阀组的导通或关闭，完成列车最优自动过分相控制。

同时中央控制器单元CCU还需要检测各开关阀组的反馈信号，确定开关阀组的工作状态，并进行冗余控制以及完成报警、故障、保护、信息上传等功能。

本发明的工作原理如下：

1、装置设计有四套高压晶闸管，可以组合成的运行模式有：（T1，T3）、（T1，T4）、（T2、T3）、（T2、T4）共四种。所有高压晶闸管都正常时，默认（T1，T3）作为主用工作阀组，当T1或T3任一高压晶闸管损坏时，通过控制系统的在线识别并切换成备用的组合模式，这可在不改变任何电气性能及技术指标的条件下继续运行，极大的提高了装置的可靠性。

2、以（T1，T3）组合为例，当列车从α相往β相行驶，到达J1（J1’）位置时，中央控制器单元CCU向高压晶闸管T1发送开通触发信号，当列车行驶到分相关节JY1时，受电弓将α相和中性段短接，中性段与α相供电臂等电位，当受电弓离开JY1即将进入中性段的时刻，α相供电臂电压必将抬升，使得高压晶闸管T1导通，中性段通过T1连接到α相供电臂，列车由中性段供电，此时由于高压晶闸管T1的导通钳位作用，分相关节J1上将不会产生电弧和过电压。

2、当列车达到J2（J2’）位置时，中央控制器单元CCU停止向高压晶闸管T1发送开通触发信号，当流过T1的电流过零时，高压晶闸管T1将自然关断，列车短时失电靠惯性继续滑行。由于是T1是在电流过零时刻关断，因此不会出现关断过电压。

3、在T1关断后，中央控制单元采集中性段上的电压相位和幅值，以及β相电压相位和幅值，决定向T3发送开通触发信号的时刻，当T3开通信号发送后，T3将立即导通，中性段带上β相电压，并向列车继续供电。由于T3是在规定的时间内由中央控制单元进行了最优选相开通，产生的过电压及电流冲击将大大降低，同时不会引起列车掉电时间过长而保护。

4、当列车离开分相关节JY2进入β相时，列车将由β相供电臂供电，流过T3的电流将为0，T3自然关断。

5、当列车完全离开J3（J3’）位置时，中央控制器单元CCU停止向高压晶闸管T3发送开通触发信号，系统恢复到初始状态，等待下一辆列车过分相。

6、当列车反向行驶时，控制逻辑与正向行驶一致，只是将首先触发T1改成首先触发T3。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，以及部分运用的实施例，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种电子式地面自动过分相装置，其特征在于：包括

列车方向及位置检测单元，用于检测列车的行驶方向以及到达的位置，所述的列车方向及位置检测单元包括安装在α相供电臂所属区域的铁轨两边的传感器J1和传感器J1’，安装在中性段所属区域的铁轨两边的传感器J2和传感器J2’以及安装在β相供电臂所属区域的铁轨两边的传感器J3和传感器J3’；

电子式开关阀组单元，根据中央控制器单元（CCU）发出的控制执行开通和关断动作，在合适的时刻给中性段接入不同供电臂电源，所述的电子式开关阀组由T1、T2、T3、T4四个高压晶闸管组成，其中T1和T3并联，T2和T4并联，再串联，电子式开关阀组通过三个联接点经由电气开关分别连接到α相、中性段和β相供电臂；

中央控制器单元（CCU），通过检测α相、中性段以及β相上的电压，并根据列车位置信号处理单元（JZU）输出的列车行驶方向以及到达的位置信号，决定高压晶闸管的最优开通时刻，来获得最小的过电压和最小的过电流冲击的效果，发送同步触发开通或关断信号，实现列车地面自动过分相功能。

2.根据权利要求1所述的一种电子式地面自动过分相装置，其特征在于，所述的电气开关为断路器或上网隔离开关。

3.根据权利要求1所述的一种电子式地面自动过分相装置，其特征在于，所述的传感器为计轴传感器或磁感应传感器。

4.根据权利要求1所述的一种电子式地面自动过分相装置，其特征在于，所述的电子式开关阀组上还设置有辅助电路。

5.根据权利要求4所述的一种电子式地面自动过分相装置，其特征在于，所述的辅助电路包括均压电路、过电压吸收电路以及驱动电路。