CN106427673B

CN106427673B - 无断电过分相供电装置

Info

Publication number: CN106427673B
Application number: CN201610879490.6A
Authority: CN
Inventors: 李耀华; 雷鸣; 李子欣; 高范强; 王平
Original assignee: Institute of Electrical Engineering of CAS
Current assignee: Institute of Electrical Engineering of CAS
Priority date: 2016-10-08
Filing date: 2016-10-08
Publication date: 2018-09-25
Anticipated expiration: 2036-10-08
Also published as: CN106427673A

Abstract

一种无断电过分相供电装置，包含两个单相变压器T₁、T₂、一个多绕组变压器T₃、三个共直流母线的AC‑DC变流器C₁、C₂、C₃和多个隔离开关。所述的无断电过分相供电装置与触网中性段、中性段两侧的供电臂及接地线连接。第三变流器C₃控制中性段电压，第一变流器C₁和第二变流器C₂协同控制公共直流母线电压。当任意一侧供电臂发生故障时，第一变流器C₁和第二变流器C₂采取相应的运行策略，所述的无断电过分相供电装置仍可以正常工作，使得机车能够无断电、无电气冲击地经过中性段。

Description

无断电过分相供电装置

技术领域

本发明涉及一种无断电过分相供电装置。

背景技术

目前我国牵引供电系统广泛采用将公共电网的三相工频电变换为单相工频电的方式，为轨道电力机车供电。由于触网内相邻供电臂的电压存在较大差异，相邻供电臂之间需要中性段和电分相装置进行隔离，不能直接相连。机车通过相邻供电臂之间的这一特殊区段时，被称作“过分相”。

由于中性段无电，轨道电力机车在从供电臂进入中性段的过程中，需要进行运行控制模式切换、机车主断路开关断开等操作；轨道电力机车在从中性段返回供电臂的过程中，需要再次进行运行控制模式切换、机车主断路开关闭合等操作。这些操作不但增加了机车控制系统的复杂性、降低了机车运行的可靠性，还会造成暂态断路过压、暂态合闸过压、暂态合闸涌流等电气冲击，威胁机车系统的安全运行、缩短机车系统的使用寿命。此外，由于机车行驶在中性段内时没有外部电力供应，机车的行驶速度将下降，重载时甚至出现机车速度下降过多而停止并滞留于中性段内的情况。总之，传统单相供电方式下的中性段及电分相装置不利于机车的安全可靠高效运行，制约着高速、重载机车的发展。

针对机车过分相存在的问题，国内外学者及工程人员研究并提出了各种解决方法及专利，中国专利CN 102035212 A提出的电力机车无断电过分相-电能质量综合补偿装置是其中的一种。机车通过电分相装置时，该装置将中性段和任意一侧供电臂通过“背靠背”式变流器相连，利用电力电子技术控制中性段电压，实现机车通过中性段时无断电运行。该装置还通过利用多个变压器实现了“背靠背”式变流器装置容量的降低。但是，当“背靠背”式变流器所连接的供电臂发生故障，例如短路故障时，该装置将无法实现机车无断电过分相。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提出一种无断电过分相供电装置。

本发明既可以在触网的供电臂正常时实现机车无断电过分相，在任意一侧供电臂发生故障时仍可以实现机车无断电过分相，避免了传统方式下机车过中性段时的断电及电气冲击问题。本发明利用多绕组变压器，实现了换流器装置容量的降低，从而降低了换流器成本。

取触网中的一个区段为例，供电臂A、供电臂B、中性段之间相互平行且两两之间不相连。供电臂A的起止端为A₁、A₃，供电臂B的起止端为B₁、B₃，中性段的起止端为N₁、N₃。从投影到地面接地线的位置看，中性段的N₁端处在供电臂A的起止端A₁、A₃之间，中性段的N₃端处在供电臂B的起止端B₁、B₃之间。定义供电臂A的A₁端与中性段的N₁端之间为供电区I，中性段的N₁端与供电臂A的A₃端之间为过渡区I，供电臂A的A₃端与供电臂B的B₁端之间为中性区，供电臂B的B₁端与中性段的N₃端之间为过渡区II，中性段的N₃端与供电臂B的B₃端之间为供电区II。

本发明包含两个单相变压器T₁、T₂、一个多绕组变压器T₃、三个共直流母线的AC-DC变流器C₁、C₂、C₃和12个隔离开关K₁、K₂、K₃、K₄、K₅、K₆、K₇、K₈、K₉、K₁₀、K₁₁、K₁₂。

第一单相变压器T₁原边侧绕组的一端与供电臂A相连于连接点A₂，第一单相变压器T₁原边侧绕组的另一端与接地线相连于接地点G₁；第一单相变压器T₁的副边侧绕组与第一变流器C₁的AC交流侧通过隔离开关K₁、K₂相连；第二单相变压器T₂原边侧绕组的一端与供电臂B相连于连接点B₂，第二单相变压器T₂的原边侧绕组的另一端与接地线相连于接地点G₂；第二单相变压器T₂的副边侧绕组与第二变流器C₂的AC交流侧通过隔离开关K₅、K₆相连；多绕组变压器T₃原边侧绕组的一端与中性段N相连于连接点N₂，多绕组变压器T₃原边侧绕组的另一端与接地线相连于接地点G₃；多绕组变压器T₃的副边侧有三个绕组，一个绕组与第一单相变压器T₁的原边侧绕组相连于连接点H₁、H₂，另一个绕组与单相变压器T₂的原边侧绕组相连于连接点H₃、H₄，还有一个绕组与第三变流器C₃的AC交流侧通过隔离开关K₉、K₁₀相连；第一变流器C₁、第二变流器C₂、第三变流器C₃的DC直流侧的正极分别通过隔离开关K₃、K₇、K₁₁相连，第一变流器C₁、第二变流器C₂、第三变流器C₃的DC直流侧的负极分别通过隔离开关K₄、K₈、K₁₂相连。

第三变流器C₃实时控制中性段电压，使其与供电臂A或供电臂B的电压相同，使得机车可以无断电、无电气冲击地经过中性段。以下为方便叙述，假设机车由供电区I驶向供电区II。机车由供电区II驶向供电区I时，第三变流器C₃的工作原理类似。

当机车驶入供电区I时，机车的受电弓从供电臂A取电。在机车驶入过渡区I之前，第三变流器C₃实时控制中性段电压使其与供电臂A的电压相同。当机车驶入过渡区I时，机车的受电弓同时从供电臂A和中性段取电，由于中性段电压与供电臂A电压相同，触网及机车不会出现电气冲击。

当机车驶入中性区时，机车的受电弓从中性段取电。在机车驶入过渡区II之前，第三变流器C₃实时控制中性段电压使其与供电臂B的电压相同。当机车驶入过渡区II时，机车的受电弓同时从中性段和供电臂B取电，由于中性段电压与供电臂B电压相同，触网及机车不会出现电气冲击。当机车驶入供电区II时，机车的受电弓从供电臂B取电。

第一变流器C₁和第二变流器C₂负责控制公共直流母线电压，保证直流母线电压的稳定。在供电臂发生故障的情况下，第一变流器C₁和第二变流器C₂采取不同的运行策略。

机车已驶入中性区且向供电区II方向行驶的过程中，若供电臂A突然发生故障、供电臂B无故障，则将第一变流器C₁停机并隔离，只由第二变流器C₂控制公共直流母线电压。当供电臂A故障消失，第一变流器C₁经过一定的工作流程再次投入运行，之后第一变流器C₁和第二变流器C₂协同控制公共直流母线电压。

机车已驶入中性区且向供电区I方向行驶的过程中，若供电臂B突然发生故障、供电臂A无故障，则第二变流器C₂停机并隔离，只由第一变流器C₁控制公共直流母线电压。当供电臂B故障消失，第二变流器C₂经过一定的工作流程再次投入运行，之后第一变流器C₁和第二变流器C₂协同控制公共直流母线电压。

附图说明

图1为无断电过分相供电装置及触网系统拓扑图；

图2为无断电过分相供电装置与触网接线原理图；

图3为无断电过分相供电装置内部接线原理图；

图4为AC-DC变流器端口图；

图5为多绕组变压器端口图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

如图1、图2、图3所示，本发明无断电过分相供电装置有三个电气端口，第一端口1由一对端子X₁，Y₁组成，第二端口2由一对端子X₂，Y₂组成，第三端口3由一对端子X₃，Y₃组成。

所述的第一端口1的端子X₁与供电臂A相连，连接点为连接点A₂；第一端口1的端子Y₁与接地线相连，连接点为接地点G₁；所述的第二端口2的端子X₂与供电臂B相连，连接点为连接点B₂；第二端口2的端子Y₂与接地线相连，连接点为接地点G₂；所述的第三端口3的端子X₃与中性段相连，连接点为连接点N₂；第三端口3的端子Y₃与接地线相连，连接点为接地点G₃。

本发明无断电过分相供电装置包含两个单相变压器T₁、T₂、一个多绕组变压器T₃、三个共直流母线的AC-DC变流器C₁、C₂、C₃和12个隔离开关K₁、K₂、K₃、K₄、K₅、K₆、K₇、K₈、K₉、K₁₀、K₁₁、K₁₂。

第一单相变压器T₁的原边侧端子P₁、P₂引出，分别作为无断电过分相供电装置第一端口1的端子X₁和端子Y₁；第二单相变压器T₂的原边侧端子P₃、P₄引出，分别作为无断电过分相供电装置第二端口2的端子X₂和端子Y₂。如图5所示，多绕组变压器T₃的原边侧有一个绕组，副边侧有三个绕组。多绕组变压器T₃原边侧绕组端子X₃和端子Y₃分别作为无断电过分相供电装置第三端口3的端子X₃和端子Y₃。多绕组变压器T₃副边侧第一绕组1有两个端子F₁、F₂，副边侧第二绕组2有两个端子F₃、F₄，副边侧第三绕组3有两个端子F₅、F₆。多绕组变压器T₃的副边侧第一绕组1的端子F₁与第一单相变压器T₁的原边侧引线P₁X₁相连于连接点H₁；多绕组变压器T₃的副边侧端子F₂与单相变压器T₁的原边侧引线P₂Y₁相连于连接点H₂；多绕组变压器T₃的副边侧端子F₅与单相变压器T₂的原边侧引线P₃X₂相连于连接点H₃；多绕组变压器T₃的副边侧端子F₆与单相变压器T₂的原边侧引线P₄Y₂相连于连接点H₄。

三个AC-DC变流器C₁、C₂、C₃均有两个电气端口，一个端口为交流端口，另一个端口为直流端口，如图4所示。

第一变流器C₁交流端口的一个端子E₁与隔离开关K₁的一端相连，隔离开关K₁的另一端与第一单相变压器T₁的副边侧端子S₁相连；第一变流器C₁的交流端口的另一个端子E₂与隔离开关K₂的一端相连，隔离开关K₂的另一端与第一单相变压器T₁的另一个副边侧端子S₂相连。第二变流器C₂交流端口的一个端子E₃与隔离开关K₅的一端相连，隔离开关K₅的另一端与第二单相变压器T₂的副边侧端子S₃相连；第二变流器C₂交流端口的另一个端子E₄与隔离开关K₆的一端相连，隔离开关K₆的另一端与第二单相变压器T₂的另一个副边侧端子S₄相连。第三变流器C₃交流端口的一个端子E₅与隔离开关K₉的一端相连，隔离开关K₉的另一端与多绕组变压器T₃的副边侧端子F₃相连；第三变流器C₃的交流端口的另一个端子E₆与隔离开关K₁₀的一端相连，隔离开关K₁₀的另一端与多绕组变压器T₃的副边侧端子F₄相连。

第一变流器C₁直流端口的正极端子D₁与隔离开关K₃的一端相连，第二变流器C₂直流端口的正极端子D₃与隔离开关K₇的一端相连，第三变流器C₃直流端口的正极端子D₅与隔离开关K₁₁的一端相连；隔离开关K₃的另一端、隔离开关K₇的另一端、隔离开关K₁₁的另一端通过引线相连于连接点D₇；变流器C₁的直流端口的负极端子D₂与隔离开关K₄的一端相连，变流器C₂的直流端口的负极端子D₄与隔离开关K₈的一端相连，变流器C₃的直流端口的负极端子D₆与隔离开关K₁₂的一端相连；隔离开关K₄的另一端、隔离开关K₈的另一端、隔离开关K₁₂的另一端通过引线相连于连接点D₈。

第三变流器C₃实时控制中性段的电压，使其与供电臂A或供电臂B的电压相同。当机车由供电区I驶向供电区II时，在驶入过渡区I之前，第三变流器C₃实时控制中性段电压，使其与供电臂A的电压相同；在机车驶入过渡区II之前，第三变流器C₃实时控制中性段电压，使其与供电臂B的电压相同。当机车由供电区II驶向供电区I时，在驶入过渡区II之前，第三变流器C₃实时控制中性段电压，使其与供电臂B的电压相同；在机车驶入过渡区I之前，第三变流器C₃实时控制中性段电压使其与供电臂A的电压相同。

第一变流器C₁和第二变流器C₂负责控制公共直流母线电压。当供电臂A和供电臂B均无故障时，隔离开关K₁、K₂、K₃、K₄、K₅、K₆、K₇、K₈、K₉、K₁₀、K₁₁、K₁₂均闭合。在机车行驶于过渡区I、中性区、过渡区II的过程中，第一变流器C₁和第二变流器C₂协同控制，保证公共直流母线电压的稳定。

当供电臂A或供电臂B其中一个发生故障时，根据不同的故障类型及机车的行驶方向，本发明无断电过分相供电装置分别采取相应的故障控制策略。

机车已驶入中性区且向供电区II方向行驶的过程中，若供电臂A突然发生故障、供电臂B无故障，隔离开关K₅、K₆、K₇、K₈、K₉、K₁₀、K₁₁、K₁₂继续保持闭合状态，隔离开关K₁、K₂、K₃、K₄均断开。在机车行驶于中性区和过渡区II的过程中，第一变流器C₁停机，第二变流器C₂控制公共直流母线电压。当供电臂A故障消失，隔离开关K₁、K₂、K₃、K₄均由断开变为闭合，第一变流器C₁经过一定的工作流程再次投入运行，之后第一变流器C₁和第二变流器C₂协同控制公共直流母线电压。

机车已驶入中性区且向供电区I方向行驶的过程中，若供电臂B突然发生故障，而供电臂A无故障，隔离开关K₁、K₂、K₃、K₄、K₉、K₁₀、K₁₁、K₁₂继续保持闭合状态，隔离开关K₅、K₆、K₇、K₈均断开。在机车行驶于中性区、过渡区I的过程中，第二变流器C₂停机，第一变流器C₁控制公共直流母线电压。当供电臂B故障消失，隔离开关K₅、K₆、K₇、K₈均由断开变为闭合，第二变流器C₂经过一定的工作流程再次投入运行，之后第一变流器C₁和第二变流器C₂协同控制公共直流母线电压。

Claims

1.一种无断电过分相供电装置，其特征在于：所述的无断电过分相供电装置包含两个单相变压器T₁、T₂，一个多绕组变压器T₃，三个共直流母线的AC-DC变流器C₁、C₂、C₃和12个隔离开关K₁、K₂、K₃、K₄、K₅、K₆、K₇、K₈、K₉、K₁₀、K₁₁、K₁₂；第一单相变压器T₁原边侧绕组的一端与供电臂A相连于连接点A₂，第一单相变压器T₁原边侧绕组的另一端与接地线相连于接地点G₁；第一单相变压器T₁的副边侧绕组与第一变流器C₁的AC交流侧通过隔离开关K₁、K₂相连；第二单相变压器T₂原边侧绕组的一端与供电臂B相连于连接点B₂，第二单相变压器T₂的原边侧绕组的另一端与接地线相连于接地点G₂；第二单相变压器T₂的副边侧绕组与第二变流器C₂的AC交流侧通过隔离开关K₅、K₆相连；多绕组变压器T₃原边侧绕组的一端与中性段N相连于连接点N₂，多绕组变压器T₃原边侧绕组的另一端与接地线相连于接地点G₃；多绕组变压器T₃的副边侧有三个绕组，一个绕组与第一单相变压器T₁的原边侧绕组相连于连接点H₁、H₂，另一个绕组与单相变压器T₂的原边侧绕组相连于连接点H₃、H₄，还有一个绕组与第三变流器C₃的AC交流侧通过隔离开关K₉、K₁₀相连；第一变流器C₁、第二变流器C₂、第三变流器C₃的DC直流侧的正极分别通过隔离开关K₃、K₇、K₁₁相连，第一变流器C₁、第二变流器C₂、第三变流器C₃的DC直流侧的负极分别通过隔离开关K₄、K₈、K₁₂相连。

2.如权利要求1所述的无断电过分相供电装置，其特征在于：所述的第三变流器C₃控制中性段电压，第一变流器C₁和第二变流器C₂协同控制公共直流母线电压；当供电臂A或供电臂B其中之一发生故障时，第一变流器C₁和第二变流器C₂采取相应的运行策略，使得机车能够无断电、无电气冲击地经过中性段。

3.如权利要求2所述的无断电过分相供电装置，其特征在于：所述的第三变流器C₃实时控制中性段的电压，使其与供电臂A或供电臂B的电压相同；当机车由供电区I驶向供电区II时，在驶入过渡区I之前，第三变流器C₃实时控制中性段电压，使其与供电臂A的电压相同；在机车驶入过渡区II之前，第三变流器C₃实时控制中性段电压，使其与供电臂B的电压相同；当机车由供电区II驶向供电区I时，在驶入过渡区II之前，第三变流器C₃实时控制中性段电压，使其与供电臂B的电压相同；在机车驶入过渡区I之前，第三变流器C₃实时控制中性段电压使其与供电臂A的电压相同。

4.如权利要求2所述的无断电过分相供电装置，其特征在于：所述的第一变流器C₁和第二变流器C₂负责控制公共直流母线电压；当供电臂A和供电臂B均无故障时，隔离开关K₁、K₂、K₃、K₄、K₅、K₆、K₇、K₈、K₉、K₁₀、K₁₁、K₁₂均闭合；在机车行驶于过渡区I、中性区、过渡区II的过程中，第一变流器C₁和第二变流器C₂协同控制，保证公共直流母线电压的稳定；

当供电臂A或供电臂B其中一个桥臂发生故障时，根据不同的故障类型及机车的行驶方向，所述的无断电过分相供电装置分别采取相应的故障控制策略：

机车已驶入中性区且向供电区II方向行驶的过程中，若供电臂A突然发生故障、供电臂B无故障，隔离开关K₅、K₆、K₇、K₈、K₉、K₁₀、K₁₁、K₁₂继续保持闭合状态，隔离开关K₁、K₂、K₃、K₄均断开；在机车行驶于中性区和过渡区II的过程中，第一变流器C₁停机，第二变流器C₂控制公共直流母线电压；当供电臂A故障消失，隔离开关K₁、K₂、K₃、K₄均由断开变为闭合，第一变流器C₁经过一定的工作流程再次投入运行，之后第一变流器C₁和第二变流器C₂协同控制公共直流母线电压；

机车已驶入中性区且向供电区I方向行驶的过程中，若供电臂B突然发生故障，而供电臂A无故障，隔离开关K₁、K₂、K₃、K₄、K₉、K₁₀、K₁₁、K₁₂继续保持闭合状态，隔离开关K₅、K₆、K₇、K₈均断开；在机车行驶于中性区、过渡区I的过程中，第二变流器C₂停机，第一变流器C₁控制公共直流母线电压；当供电臂B故障消失，隔离开关K₅、K₆、K₇、K₈均由断开变为闭合，第二变流器C₂经过一定的工作流程再次投入运行，之后第一变流器C₁和第二变流器C₂协同控制公共直流母线电压。