CN106740283A - 一种用于电气化铁道的柔性同相供电方法及其装置 - Google Patents

Abstract

一种用于电气化铁道的柔性同相供电方法，在两个相邻的牵引变电所设置分相区且在分相处设置一套柔性相位变换装置，该装置的电源取自其中一侧牵引变电所的供电臂或取自外部电源，柔性相位变换装置的输出向中性段供电；柔性相位变换装置输出与机车的位置有关，在机车进入中性段前，使得中性段的相位与机车后面的接触网供电臂相位一致，当机车进入中性段后，柔性相位变换装置的输出在每个周波增加一个相位角，这样，经过几个周波的变换，逐步使中性段的相位变换成机车前进方向的接触网供电臂的相位。本发明实现了电气化铁道牵引供电系统的同相供电，系统安全可靠，提高了机车过分相时的安全性且占地面积小、工程成本低。

Description

一种用于电气化铁道的柔性同相供电方法及其装置

技术领域

本发明属于电气化铁道牵引供电系统技术领域，特别涉及一种用于电气化铁道的柔性同相供电方法及其装置，该方法及装置用于27.5kV以上50HZ和60HZ单相供电领域的同相供电系统。

背景技术：

传统的电气化铁道采用单相27.5kV牵引供电系统，由变电所经过接触网供电臂向电力机车或动车组供电，两个相邻供电臂往往相位不同，不能连接在一起进行同相供电，因此，必须在两个相邻供电臂之间设置一个分相区，分相区实际上由一段接触网中性段，和中性段两侧的断口组成，两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。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，可以采用同相供电技术，即在牵引变电所设置交-直-交相位固定变换装置，使得其中的一个变电所的相位和相邻变电所的相位一致，也就是说，两个相邻供电臂往往相位不同相同了，这样，就不需要分相区了，该方法原理简单易懂，但由于变电所要向多辆机车供电，容量很大，占地面积大，对现有电气化牵引供电系统的改造大，造价非常昂贵，国外只有德国有低频的固定式同相供电系统。

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，而提供一种可降低工程造价的用于电气化铁道的柔性同相供电方法。

本发明的另一目的是提供上述用于电气化铁道的柔性同相供电方法所用的装置。

如上构思，本发明的技术方案是：一种用于电气化铁道的柔性同相供电方法，其特征在于：在两个相邻的牵引变电所设置分相区且在分相处设置一套柔性相位变换装置，该装置的电源取自其中一侧牵引变电所的供电臂或取自外部电源，柔性相位变换装置的输出向中性段供电；柔性相位变换装置输出与机车的位置有关，在机车进入中性段前，使得中性段的相位与机车后面的接触网供电臂相位一致，当机车进入中性段后，柔性相位变换装置的输出在每个周波增加一个相位角，这样，经过几个周波的变换，逐步使中性段的相位变换成机车前进方向的接触网供电臂的相位。

上述用于电气化铁道的柔性同相供电方法所用的装置，牵引变电所1(1)经馈线断路器(4)向接触网供电臂(6)供电，牵引变电所2(2)经馈线断路器(5)向接触网供电臂(7)供电，接触网供电臂(6)经分段绝缘器(10)与中性段(14)相连，供电臂(7)经分段绝缘器(11)与中性段(14)相连，其特征在于：接触网供电臂(6)上连接监测装置(8)用于监测供电臂(6)的电流和电压信号，接触网供电臂(7)上连接监测装置(9)用于监测供电臂(7)的电流电压信号；柔性相位变换装置(3)经过断路器(12)与接触网供电臂(6)相连并经断路器(13)与中性段(14)相连，中性段(14)连接有一台单相电压传感器(37)用于监测中性段(14)的电压；

所述柔性相位变换装置(3)由输入电流互感器(34)、输入整流变压器(32)、交直交移相模块(31)、电抗型升压输出变压器(33)、电抗器(35)、电阻(30)以及控制装置组成；上述断路器(12)经过输入电流互感器(34)连接至输入整流变压器(32)的原边一端，而输入整流变压器(32)的原边另一端和钢轨(25)连接；所述输入整流变压器(32)的次边连接至交直交移相模块(31)的输入端，交直交移相模块(31)的两个输出端连接至电抗型升压输出变压器(33)原边的两个输入端，电抗型升压输出变压器(33)的次边的一端连接至电抗器(35)的输入端，次边的另一端与钢轨(25)连接；所述电抗器(35)和一台电阻(30)的并联后形成的输出端(B)与断路器(13)输出端连接，可以向中性段(14)的负载供电；

所述控制装置由一套监控单元(22)、一套DSP控制单元(21)和一组功率驱动模块(20)组成，监控单元(22)与DSP控制单元(21)之间通过光纤或双绞线通信，而DSP控制单元(21)与功率驱动模块(20)之间通过光纤通信；功率驱动模块(20)与柔性相位变换装置(3)中的交直交移相模块(31)相连，实现对交直交移相模块(31)的控制；DSP控制单元(21)与监测装置(8)和监测装置(9)中的单向电压互感器(38)的输出端连接、与柔性相位变换装置(3)中的输入电流互感器(34)和单相电压传感器(37)的输出端连接，用于接收被连接设备的电流和电压数据；监控单元(22)与断路器(12)、断路器(13)连接实现柔性相位变换装置(3)的投入与切除。

上述交直交移相模块(31)是由整流桥或全控整流桥(28)、整形回路(29)、全控逆变桥(30)的串接形成的。

上述整形回路(29)是在整流桥(30)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。

上述在输入端侧的接触网供电臂(6)安装一段机车位置监测导线(39)与接触网供电臂(6)平行，监测装置(8)中的单相电压互感器(38)输入端中的一端与这一段接触导线(39)相连，而另一端与钢轨(25)相连。

上述中性段外侧设置一段接触导线(40)。

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PWM或SPWM正弦波调制技术，实现大功率电力电子电源装置，该装置从接触网供电臂上取电，或从外部电源取电，并独立向接触网中性段供电，当电力机车到达中性段时，该装置能够实现柔性移相、电压调整、稳压和限流等功能，使得机车运行到分相区时，逐渐实现相位转换，达到与前进方向的变电所馈线的相位一致。

本发明的优点是：1、实现了电气化铁道牵引供电系统的同相供电。2、柔性控制。过分相时对机车的影响平稳，系统安全可靠，提高了机车过分相时的安全性；3、适应性广。适合各种速度和各种长度的动车、电力机车；4、直接监测机车的受电弓，无需在地面设置计轴装置而监测整列列车。5、由于过分相处只能由一辆机车通过，柔性相位变换装置只向一台通过分相的机车供电。因此，柔性相位变换装置的容量较小，装置更容易制造，占地面积小，对现有电气化牵引供电系统的改造很小，因此，工程成本低。

附图说明：

图1是本发明的架构图。

图2是柔性相位变换装置回路图。

图3是一种机车受电弓位置检测回路图。

具体实施方式：

一种用于电气化铁道的柔性同相供电方法，在两个相邻的牵引变电所设置分相区且在分相处设置一套柔性相位变换装置，该装置的电源取自其中一侧牵引变电所的供电臂或取自外部电源，柔性相位变换装置的输出向中性段供电；柔性相位变换装置输出与机车的位置有关，在机车进入中性段前，使得中性段的相位与机车后面的接触网供电臂相位一致，当机车进入中性段后，柔性相位变换装置的输出在每个周波增加一个相位角，这样，经过几个周波的变换，逐步使中性段的相位变换成机车前进方向的接触网供电臂的相位。

如图1、2所示：上述用于电气化铁道的柔性同相供电方法所用的装置，牵引变电所1(1)经馈线断路器(4)向接触网供电臂(6)供电，牵引变电所2(2)经馈线断路器(5)向接触网供电臂(7)供电，接触网供电臂(6)经分段绝缘器(10)与中性段(14)相连，供电臂(7)经分段绝缘器(11)与中性段(14)相连。接触网供电臂(6)上连接监测装置(8)用于监测供电臂(6)的电流和电压信号，接触网供电臂(7)上连接监测装置(9)用于监测供电臂(7)的电流电压信号；柔性相位变换装置(3)经过断路器(12)与接触网供电臂(6)相连并经断路器(13)与中性段(14)相连，中性段(14)连接有一台单相电压传感器(37)用于监测中性段(14)的电压；

所述柔性相位变换装置(3)由输入电流互感器(34)、输入整流变压器(32)、交直交移相模块(31)、电抗型升压输出变压器(33)、电抗器(35)、电阻(30)以及控制装置组成；上述断路器(12)经过输入电流互感器(34)连接至输入整流变压器(32)的原边一端，而输入整流变压器(32)的原边另一端和钢轨(25)连接；所述输入整流变压器(32)的次边连接至交直交移相模块(31)的输入端，交直交移相模块(31)的两个输出端连接至电抗型升压输出变压器(33)原边的两个输入端，电抗型升压输出变压器(33)的次边的一端连接至电抗器(35)的输入端，次边的另一端与钢轨(25)连接，该电抗器(35)不参与变压器的电磁变换，仅用于输出波形的整理；所述电抗器(35)和一台电阻(30)的并联后形成的输出端(B)与断路器(13)输出端连接，可以向中性段(14)的负载供电；

所述控制装置由一套监控单元(22)、一套DSP控制单元(21)和一组功率驱动模块(20)组成，监控单元(22)与DSP控制单元(21)之间通过光纤或双绞线通信，而DSP控制单元(21)与功率驱动模块(20)之间通过光纤通信；功率驱动模块(20)与柔性相位变换装置(3)中的交直交移相模块(31)通过控制线(26)相连，实现对交直交移相模块(31)的控制；DSP控制单元(21)与监测装置(8)和监测装置(9)中的单向电压互感器(38)的输出端连接、与柔性相位变换装置(3)中的输入电流互感器(34)通过导线(27)连接、与单相电压传感器(37)的输出端连接，用于接收被连接设备的电流和电压数据；监控单元(22)与断路器(12)、断路器(13)连接，实现柔性相位变换装置(3)的投入与切除。

上述交直交移相模块(31)是由整流桥或全控整流桥(28)、整形回路(29)、全控逆变桥(30)的串接形成的。整形回路(29)是在整流桥(30)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。

在牵引变电所1(1)处的接触网有一分段绝缘器(18)，断路器(23)和断路器(4)一端分别接入牵引变电所1(1)的电源，另一端分别与分段绝缘器(18)连接；在牵引变电所2(2)处的接触网有一分段绝缘器(19)，断路器(24)和断路器(5)一端分别接入牵引变电所2(2)的电源，另一端分别与分段绝缘器(19)连接。分段绝缘器(18)与分段绝缘器(19)之间的电气回路是接触网的一个典型的柔性同相供电区间，一条电气化铁道牵引供电系统可以由若干个典型的柔性同相供电区间组成。

一、柔性同相供电系统方法的实施方式:

如图1所示：一种柔性同相供电系统方法，设置柔性相位变换装置(3)，该装置的输入电源取自供电臂(6)，也可以取自外部电源，但不管输入电源取自哪里，都要向中性段(14)输出供电。柔性相位变换装置(3)的输出电压波形、相位随着机车受电弓的位置柔性调整，当前进中的机车位于供电臂(6)时，柔性相位变换装置(3)的输出状态处于初始状态，即其输出给中性段(14)的电压波形、相位和幅值与供电臂(6)的相同，也就是说与变电所(1)的电压波形、相位和幅值相同，形成了柔性相位变换装置(3)与变电所(1)同相供电，同时，中性段(14)也和供电臂(6)电压波形、相位和幅值相同。当机车受电弓进入到中性段(14)后并在离开中性段(14)区域前，柔性相位变换装置(3)按照每一个周波柔性增加一个相位，逐渐调整输出电压的相位，直至与供电臂(7)的相位相同，也就是说，通过多个周波缓慢的过渡，实现了柔性相位变换装置(3)与变电所(2)同相供电。在柔性变换调整过程中，幅值和波形这始终不变，机车电源基本平稳的条件下，顺利通过分相区。在机车通过分相区后，柔性相位变换装置(3)的相位又恢复到了初始状态。

本装置始终接入监测装置(8)和监测装置(9)，监测装置始终监测供电臂(6)和供电臂(7)上的电压和电流数值，输出端连接有一台单相电压传感器(37)，该电压传感器(37)输出连接到功率驱动模块(20)，功率驱动模块(20)始终动态监测着监测装置(8)、监测装置(9)和单相电压传感器(37)的三个点的电压波形、相位和幅值，根据按照上述逻辑，根据机车受电弓的位置，决定着柔性相位变换装置(3)的输出。

二、机车受电弓位置监测的实施方式：

机车受电弓位置的监测，是通过监测装置(8)和输入电流互感器(34)配合实现的。监测装置(8)将电流和电压信号传输到DSP控制单元(21)，输入电流互感器(34)也经过导线(27)将电流信号输入到DSP控制单元(21)。当电力机车(15)按照箭头(16)所指引的方向，从入段断口的分段绝缘器(10)向出段断口的分段绝缘器(11)侧的方向行驶时，有两种方式实现机车受电弓的位置监测：

方式一，如图1和图2所示，当受电弓经过监测装置(8)后但没有到达入段断口的分段绝缘器(10)时，监测装置(8)中的电流互感器监测到电流信号，表明电力机车负载尚未到达中性段(14)，而如果监测装置(8)与输入电流互感器(34)电流值相同时，则表明电力机车的受电弓已经完全进入到了中性段(14)内。

方式二，如图3所示的，在输入端侧的接触网供电臂(6)安装一段机车位置监测导线(39)与接触网供电臂(6)平行，监测装置(8)中的单相电压互感器(38)输入端中的一端与这一段接触导线(39)相连，而另一端与钢轨(25)相连，当电力机车的受电弓(17)在进入中性段(14)前触及到该段接触导线时，受电弓(17)将接触网供电臂(6)和机车位置监测导线(39)连接到一起，因此监测装置(8)中的电压互感器(38)受电，这样也能监测到电力机车的受电弓尚未进入中性段(14)的信号，而当电压互感器(38)没有电压信号，同时输入电流互感器(34)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(15)远离中性段后，因出段断口的分段绝缘器(10)的存在，而使得电压互感器(38)和输入电流互感器(34)没有了电流信号，表明电力机车负载已经不在中性段了。也可以在中性段外侧设置一段接触导线(40)，实现机车位置监测功能。

DSP控制单元的作用：

DSP控制单元(21)的作用是，作用一，接收来自输入端侧的电压互感器(38)的信号，以及输入电流互感器(34)的信号，综合判断，当同时接收到电压互感器(38)和输入电流互感器(34)的电流信号后，DSP控制单元(21)根据程序启动功率驱动模块(20)执行柔性移相程序；该柔性移相程序为，接收装置监测装置(8)、监测装置(9)以及电压互感器(37)的波形信号进行跟踪判断，并通过柔性移相、调压和稳压，通过PWM或SPWM调制变换，使输出端最终的电压波形达到和接触网供电臂(6)中的一致；作用二，当DSP控制单元(21)监测到来自电压互感器(38)和输入电流互感器(34)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(20)发出封锁PWM或SPWM调制信号、关断全控逆变桥(30)、断开断路器(12)和断路器(13)，并通知监控单元(22)等。

本装置的第二种工况是：当DSP控制单元(21)监测到来自电压互感器(38)和输入电流互感器(34)的值超出交直交移相模块(31)允许耐受的范围时，立即向功率驱动模块(20)发出封锁PWM或SPWM调制信号、关断全控逆变桥(30)、断开断路器(12)和断路器(13)，并通知监控单元(22)。监控单元(22)接收到该信息后，经过一段时间，再次命令断路器(12)和断路器(13)，并执行预定好的同样的程序，如果装置再次短路，则监控单元(22)命令DSP控制单元(21)关断全控逆变桥(30)，通过监控单元(22)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，通过监控单元启动越区供电，即断开断路器(5)，并由牵引供电系统设施实现从变电所1到变电所2馈线断路器(5)的线路侧的供电。

Claims (6)

1.一种用于电气化铁道的柔性同相供电方法，其特征在于：在两个相邻的牵引变电所设置分相区且在分相处设置一套柔性相位变换装置，该装置的电源取自其中一侧牵引变电所的供电臂或取自外部电源，柔性相位变换装置的输出向中性段供电；柔性相位变换装置输出与机车的位置有关，在机车进入中性段前，使得中性段的相位与机车后面的接触网供电臂相位一致，当机车进入中性段后，柔性相位变换装置的输出在每个周波增加一个相位角，这样，经过几个周波的变换，逐步使中性段的相位变换成机车前进方向的接触网供电臂的相位。

2.一种根据权利要求1所述的用于电气化铁道的柔性同相供电方法所用的装置，牵引变电所1(1)经馈线断路器(4)向接触网供电臂(6)供电，牵引变电所2(2)经馈线断路器(5)向接触网供电臂(7)供电，接触网供电臂(6)经分段绝缘器(10)与中性段(14)相连，供电臂(7)经分段绝缘器(11)与中性段(14)相连，其特征在于：接触网供电臂(6)上连接监测装置(8)用于监测供电臂(6)的电流和电压信号，接触网供电臂(7)上连接监测装置(9)用于监测供电臂(7)的电流电压信号；柔性相位变换装置(3)经过断路器(12)与接触网供电臂(6)相连并经断路器(13)与中性段(14)相连，中性段(14)连接有一台单相电压传感器(37)用于监测中性段(14)的电压；

所述柔性相位变换装置(3)由输入电流互感器(34)、输入整流变压器(32)、交直交移相模块(31)、电抗型升压输出变压器(33)、电抗器(35)、电阻(30)以及控制装置组成；上述断路器(12)经过输入电流互感器(34)连接至输入整流变压器(32)的原边一端，而输入整流变压器(32)的原边另一端和钢轨(25)连接；所述输入整流变压器(32)的次边连接至交直交移相模块(31)的输入端，交直交移相模块(31)的两个输出端连接至电抗型升压输出变压器(33)原边的两个输入端，电抗型升压输出变压器(33)的次边的一端连接至电抗器(35)的输入端，次边的另一端与钢轨(25)连接；所述电抗器(35)和一台电阻(30)的并联后形成的输出端(B)与断路器(13)输出端连接，可以向中性段(14)的负载供电；

所述控制装置由一套监控单元(22)、一套DSP控制单元(21)和一组功率驱动模块(20)组成，监控单元(22)与DSP控制单元(21)之间通过光纤或双绞线通信，而DSP控制单元(21)与功率驱动模块(20)之间通过光纤通信；功率驱动模块(20)与柔性相位变换装置(3)中的交直交移相模块(31)相连，实现对交直交移相模块(31)的控制；DSP控制单元(21)与监测装置(8)和监测装置(9)中的单向电压互感器(38)的输出端连接、与柔性相位变换装置(3)中的输入电流互感器(34)和单相电压传感器(37)的输出端连接，用于接收被连接设备的电流和电压数据；监控单元(22)与断路器(12)、断路器(13)连接实现柔性相位变换装置(3)的投入与切除。

3.根据权利要求2所述的用于电气化铁道的柔性同相供电方法所用的装置，其特征在于：上述交直交移相模块(31)是由整流桥或全控整流桥(28)、整形回路(29)、全控逆变桥(30)的串接形成的。

4.根据权利要求2所述的用于电气化铁道的柔性同相供电方法所用的装置，其特征在于：上述在接触网供电臂(6)安装一段机车位置监测导线(39)与接触网供电臂(6)平行，监测装置(8)中的单相电压互感器(38)输入端中的一端与这一段接触导线(39)相连，而另一端与钢轨(25)相连。

5.根据权利要求2所述的用于电气化铁道的柔性同相供电方法所用的装置，其特征在于：上述中性段(14)外侧设置一段接触导线(40)。

6.根据权利要求3所述的用于电气化铁道的柔性同相供电方法所用的装置，其特征在于：上述整形回路(29)是在整流桥(30)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。