CN108621865B - 地面开关过分相弓网电弧抑制方法、抑制装置及过分相装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地面开关过分相弓网电弧抑制方法，在过分相过程中，减小供电臂与受电弓构成的供电回路在受电弓脱离或接触供电臂时的电流以抑制电弧。本发明还公开了一种地面开关过分相弓网电弧抑制装置，包括设置在各供电臂末端的高阻抗接触线，用于在过分相过程中，减小供电臂与受电弓构成的供电回路在受电弓脱离或接触供电臂时的电流以抑制电弧。本发明进一步公开了一种地面开关过分相装置，包括开关组件和如上所述的地面开关过分相弓网电弧抑制装置，所述开关组件用于将中性区分别与接触网两相供电臂连接。本发明的抑制方法、抑制装置以及过分相装置均具有抑制电弧等优点。

Description

地面开关过分相弓网电弧抑制方法、抑制装置及过分相装置

技术领域

本发明主要涉及轨道交通技术领域，特指一种地面开关过分相弓网电弧抑制方法、抑制装置及过分相装置。

背景技术

随着我国电气化铁路的发展，电力机车的普遍应用，牵引供电系统采用交流单相工频换相供电方式，同时为避免异相短路并保证机车能顺利通过电分相，电气化铁路接触网第20～30km就要装设一个电分相装置，随着线路运量和运行速度逐渐提升，电力机车在通过关节式电分相时会出现过电压及电弧，影响到铁路的安全运行。为了解决这一问题，现阶段采用电力电子开关地面自动过分相方案、车载自动断电过分相方案以及柱开关自动断电方案，需要将中性区的无电区通过机械开关或电子开关实现将两个不同供电臂的电源轮流引入中性区，为电力机车取流实现无感知过分相，其中电力电子开关地面自动过分相利用电力电子器件的快速响应、精确控制、长寿命等优点将成为较理想的地面自动过分相装置，但电分相过渡区弓网拉弧一直成为过分相技术的亟待解决的关键问题。

目前在牵引供电系统中设置的过分相区段大多采用五跨、六跨、七跨和八跨等双绝缘锚断构成的关节式电分相方式，常规采用机车降负载、切断主断路器等方式来实现过分相，为实现机车快速过分相、减少司机操作工作量、降低车辆速度损失，利用地面自动过分相装置来快速切换两个供电臂电源至中性区段，实现机车不断电快速通过分相区，切换开关部分可采用断路器和电子开关来实现，但机械断路器开关因其固有的机械寿命有限，不利于长期使用，而电子开关其长寿命，易控制等优点为理想的过分相切换开关装置。如附图1所示，具体过分相的过程为：

当机车进入过分相区域时，通过列车位置检测装置判别机车位置，通过控制系统将电子开关SCR-V1导通，将A相电源引至中性段J0，机车可驶入中性区，并且同时为A相电源；

当机车进入中性段后，通过列车位置检测装置判别机车位置，再通过控制系统在一定时间周期内控制SCR-V1关断与SCR-V2的开通来实现电源的换相，将A相电源断开，同时快速将B相电源引入中性段内，机车可实现不断电或无感知通过分相区；

机车继续前行，进入B相供电接触网，驶离过分相区，并通过列车检测装置反馈列车已离开中性区，控制系统则断开SCR-V2，地面自动过分相装置恢复，为下一次机车过分相做准备。

根据绝缘锚断过分相的接线和布置方式，采用地面开关自动过分相时，中性区接触线与两个供电臂必然存在两个过渡区空气间隙JX1、JX2，与两相接触网绝缘，如附图1中所示，电力机车在通过过分相空气间隙区段时受电弓先逐渐从A(或B)供电臂的牵引网脱离，再与中性区段的接触网接通，此过程中受电弓与接触网之间会有短暂的分断与接通，其过程长短取决于当时的车速，同时受空气介质电离、电流大小、电压高低等多种因素的综合影响将会出现不同程度的电弧，特别是从有电至无电的过渡阶段产生的电弧较大，若不及时消除，严重时会出现烧损或烧断接触线，损坏接触网，造成断电停车等现象。

现阶段在牵引供电系统中针对这种工况下弓网电弧抑制也有很多方法，根据其原理，大致有如下几种：

方法1：在电力机车车载变压器的高压侧并联一个适当大小的电容对抑制弓网电弧产生的过电压，减小电弧的能量损耗都有较好的作用。比如中文分类号(U238)、文章编号为1007-936X(2008)05-0001-04由雷栋等人编写的《高速铁路弓网电弧抑制方法的研究》中就有相关的描述，当受电弓和接触线分离而产生电弧时，由于电容的存在，使得负载两端的电压基本保持不变，受电弓和接触线之间产生的过电压得到很好的抑制，电弧所消耗的能量也相应减少。这种通过并联电容，抑制电弧电压恢复速度，抑制电弧重燃的方法，可避免弓网系统再因热击穿使电弧重燃。但是此种方式因所要并联的电容器容量大，机车变压器室空间狭小，方案只能停留在理论上，不能真实的实现。

方法2：选择较好的受电弓滑板材料，增加抗电弧能力。比如文章DOI:10.3969/j，文章编号为：0254－0150.2014.05.023，由张会杰等编写的《高速铁路弓网电弧的研究现状》一文中就有所描述，在选材方面，目前主要是通过选择导电性好、难侵蚀的接触材料，以降低弓网电弧发生率，常用的弓网滑板材料，如铜基粉末冶金滑板材料、浸金属碳滑板材料和C/C复合材料中，C/C复合材料的抗电弧侵蚀性能最佳。

方法3：在线路中设置RC吸收装置，RC过电压装置是电气化铁路牵供电系统中一种常用的抑制过电压的装置。但此方案中为了抑制系统的过电压，需要引入一个较大容量的电容C，在机车处于制动工况下，可能会引起牵引网的LC谐振，进一步引起谐振过电压的发生，此方案在很多实际项目中并未采用。

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，本发明提供一种可抑制电弧的地面开关过分相弓网电弧抑制方法、抑制装置及过分相装置。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种地面开关过分相弓网电弧抑制方法，在过分相过程中，减小供电臂与受电弓构成的供电回路在受电弓脱离或接触供电臂时的电流以抑制电弧。

作为上述技术方案的进一步改进：

在受电弓驶入过分相区段时，逐渐减小供电臂与受电弓构成的供电回路的电流直至受电弓脱离供电臂。

在受电弓驶入过分相区段时，通过逐步增大供电臂的内阻来逐渐减小供电臂与受电弓构成的供电回路的电流直至受电弓脱离供电臂。

在受电弓接触供电臂时，逐渐增大供电臂与受电弓构成的供电回路的电流直至受电弓驶出过分相区段。

在受电弓接触供电臂时，通过逐步减小供电臂的内阻来逐渐增大供电臂与受电弓构成的供电回路的电流直至受电弓驶出过分相区段。

在供电臂的末端设置有高阻抗接触线来逐渐增大或减小供电臂与受电弓构成的供电回路的内阻，以减小供电臂与受电弓构成的供电回路在受电弓脱离或接触供电臂时的电流。

本发明还公开了一种地面开关过分相弓网电弧抑制装置，包括设置在各供电臂末端的高阻抗接触线，用于在过分相过程中，减小供电臂与受电弓构成的供电回路在受电弓脱离或接触供电臂时的电流以抑制电弧。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述高阻抗接触线机械接驳在供电臂接触线上。

本发明进一步公开了一种地面开关过分相装置，包括开关组件和如上所述的地面开关过分相弓网电弧抑制装置，所述开关组件用于将中性区分别与接触网两相供电臂连接。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述开关组件包括两个电子开关，两个电子开关的一端共同连接至中性区，两个电子开关的另一端分别连接至两相供电臂。

所述开关组件包括两个机械开关，两个机械开关的一端共同连接至中性区，两个机械开关的另一端分别连接至两相供电臂。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明的地面开关过分相弓网电弧抑制方法、抑制装置以及过分相装置，在过分相过程中，通过减小供电臂与受电弓构成的供电回路在受电弓脱离或接触供电臂时的电流以抑制电弧。采用在供电臂的末端接驳高阻抗接触线来逐渐增加或减少供电臂电阻的方式，不仅仅可以保证过分相装置中电子开关的正常压降而顺利导通，也能够减小供电臂与受电弓构成的供电回路的电流以抑制电弧；另外高阻抗接触线也会对过分相过程中开关分流引起电弧电流起到抑制作用，加快电流的衰减时间，减少电弧造成的危害；另外设置高阻抗接触线的方式操作简便、易于实现。

附图说明

图1为现有技术中锚段关节过分相一次电气原理图。

图2为本发明中电子开关自动过分相系统电气原理图。

图3为本发明中过分相锚段关节高阻线设置等效图。

图4为本发明中过分相过程示意图之一。

图5为本发明中过分相过程示意图之二。

图6为本发明中过分相过程示意图之三。

图7为本发明中过分相过程示意图之四。

图8为本发明中过分相过程示意图之五。

图9为本发明中过分相过程示意图之六。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。

如图2至图9所示，本实施例的地面开关过分相弓网电弧抑制方法，在过分相过程中，减小供电臂与受电弓构成的供电回路在受电弓脱离或接触供电臂时的电流以抑制电弧。由于供电臂与受电弓构成的供电回路在受电弓在接触或脱离供电臂时的电流较小，故而可以抑制电弧的产生。具体地，可以增大供电臂末端的内阻来减小供电臂与受电弓构成的供电回路的电流，例如在各供电臂的末端设置高阻抗接触线的方式。由于在供电臂的末端接驳高阻抗接触线的方式，不仅仅可以保证过分相装置中电子开关的正常压降而导通，也能够减小受电弓脱离或接触供电臂时的分电流以抑制电弧(此时电流大部分从过分相装置的开关中经过)；另外高阻抗接触线也会对过分相过程中开关的分流引起电弧到抑制作用，加快电流的衰减时间，减少电弧造成的危害；另外设置高阻抗接触线的方式操作简便、易于实现。当然，在其它实施例中，也可以采用在供电臂串电阻等方式以代替高阻抗接触线。

本实施例中，在受电弓驶入过分相区段时，逐渐减小供电臂与受电弓构成的供电回路的电流直至受电弓脱离供电臂。具体地，可以通过逐步增大供电臂的内阻来逐渐减小供电臂与受电弓构成的供电回路的电流直至受电弓脱离供电臂。同理，在受电弓接触供电臂时，逐渐增大供电臂与受电弓构成的供电回路的电流直至受电弓驶出过分相区段。具体地，通过逐步减小供电臂的内阻来逐渐增大供电臂与受电弓构成的供电回路的电流直至受电弓驶出过分相区段。由于电流变化缓慢，不会形成冲击电流，保证过分相工作的顺利可靠进行。以上增加或减小内阻的具体方式均可采用在供电臂的末端接驳高阻抗接触线来实现。

本发明还相应公开了一种地面开关过分相弓网电弧抑制装置，包括设置在各供电臂末端的高阻抗接触线，用于在过分相过程中，减小供电臂与受电弓构成的供电回路在受电弓脱离或接触供电臂时的电流以抑制电弧；其中高阻抗接触线机械接驳在供电臂上，当然，也可以采用其它形式的过渡方式实现与接触线的续接。高阻抗接触线的内阻较高，具体可采用电阻率较高的材料(如镍)进行制成。

本发明的地面开关过分相弓网电弧抑制装置，结构简单、易于在现有的牵引供电线路上实现；原理简单，减少了复杂的控制与逻辑处理过程，无控制响应时间的要求；而且不会对系统造成LC谐振、不会产生额外的谐波以及谐波放大现象。

本发明进一步公开了一种地面开关过分相装置，包括开关组件和如上所述的地面开关过分相弓网电弧抑制装置，其中开关组件用于将中性区分别与接触网两相供电臂连接。

本实施例中，开关组件包括两个电子开关(如晶闸管)，两个电子开关的一端共同连接至中性区，两个电子开关的另一端分别连接至两相供电臂。通过设置高阻抗接触线适当的电阻值，既可用于为电子开关提供正向导通管压降，也可根据机车电流降低受电弓在供电臂与中性段接触线之间的电压差，抑制电弧的产生。在其它实施例中，开关组件包括两个机械开关，两个机械开关的一端共同连接至中性区，两个机械开关的另一端分别连接至两相供电臂，如图8所示，此时通过设置高阻抗接触线适当的电阻值，同样也可根据机车电流降低受电弓在供电臂与中性段接触线之间的电压差，抑制电弧的产生。

下面结合一实施例对本发明的过分相方法做进一步描述：

其中整个供电网络包括：

牵引供电变压器TB：牵引变压器，通常将220kV或110kV三相电源变换成27.5kV或55kV，为牵引系统供电，常用有V/V、平衡变压器、SCOTT等类型变压器；

J1A相供电臂：A相电源供电线路，也为接触网，电源来自变电所A相绕组，用以提供牵引线的电源及接触网回路，与B相电源幅值相同，但相位不同；

J2B供电臂：B相电源供电线路，也为接触网，电源来自变电所B相绕组，用以提供牵引线B的电源及接触网回路，与A相电源幅值相同，但相位不同；

J0中性区：过分相区段中的无电区段，设置于A相供电臂末端与B相供电臂末端之间。

R1、R2高阻线(高阻抗接触线的简称)：为一段带有内阻的接触线，其通过改变接触线的材料成分构成带有内阻的牵引线，其具有与常规接触线的物理特性相同，同样能为机车受电弓提供电流通路，同时其具有一定的功率，能够承受机车电流在流经电阻时的功率耗散，同时能够承受过渡过程中过电压冲击的能力。如图2、图3所示，采用一种高阻型接触线，设置于接触线过渡区段部分，利用电阻的分压维持电子开关装置的正常压降确保电子开关的正常导通，通过高阻型接触线的限制电流原理来抑制受电弓在滑动的过渡期间产生的电弧，同时通过高阻型接触线为电力机车提供牵引电流，使机车能正常通行。

SCR-V1、SCR-V2电力电子开关装置，通过控制其开通与关断，实现将不同供电臂电源引入中性区段内，其导通需要有最小正向管压降、最小维持电流要求，控制触发信号。

电力机车：供电系统中的一种机车负载，可将供电系统的电力转换成机械力，提供铁路货车、列车的牵引功率，通过车顶的受电弓从接触网取得电流，受电弓与接触网之间为滑动接触。

具体过分相方法如下(以从左至右行车方向为例)：

1、当机车驶入过分相区段时，如图4所示，机车受电弓从供电接触线取流正常行车，驶入过分相区段，此阶段受电弓正常取流，同时通过控制系统控制图4中电子开关导通，通过续流电阻R0为电子开关提供导通回路，确保电子开关的正常导通。

2、当机车逐渐进入过分相区段，如图5所示，到达高阻接触线位置，此时电力机车仍然从供电接触线取流正常行车，但较前一步骤，多了一个R1高阻线的Ra部分，此时高阻线左端部分串入A相接触线，机车电流回路为A相接触线串联高阻线Ra部分再通过受电弓取得，此时高阻线承受机车电流的载流。

3、当机车进入过分相区段，如图6所示，机车受电弓完成J1A相接触线与J0中性段短接并进入过分相过渡区，此阶段中R1高阻线继续加长至Rb(Rb＞Ra)，同样，机车电流回路为A相接触线串联高阻线Rb部分再通过受电弓取得，此时高阻线承受机车电流的载流，其中高阻线的作用有：

(1)因电子开关导通需要正向管压降、维持电流及触发信号，在进入过渡区后，若无R1高阻线Rb部分存在，将会通过受电弓将电子开关两端短接，造成电子开关关断，电流全部由受电弓与中性区接通，这将会产生严重的接触电弧，而引入R1高阻线的Rb部分后，通过机车电流在R1高阻线的Rb部分上产生电压降，为电子开关提供一定的维持电压，可确保电子开关能正常导通，机车通过电子开关形成电流回路可提供导通维持电流，可确保电子开关可靠导通，随着受电弓前行，R1高阻线串入的阻值越来越高，R1高阻线部分的电流慢慢变小，电子开关回路的电流逐渐增大。

(2)抑制受电弓与中性段接触线搭接过渡过程中的电弧：通过R1高阻线Rb部分形成的压降，来平衡因电子开关及线路形成的电压降，使得U_0-1与U_0-2两点间电压相近，或电压差最小，也即图7中所示的U_RL1+U_SCR-V1＝U_RL2+U_Rb，(其中U_RL1为电子开关回路的线路电阻压降，U_SCR-V1为电子开关阀压降，U_RL2为分相区内A相供电臂回路的线路电阻压降，U_Rb为高阻线的压降)，进一步降低电弧起始电压，避免电弧的形成，此过程在电子开关与机械开关构成的过分相装置中均适应，当应用到机械开关时，将U_SCR-V1电子开关阀压降部分替换为机械开关触点压降和线路压降之和，如图8所示，U_RL1+U_QF＝U_RL2+U_Rb，(其中U_QF为机械开关回路及线路电阻压降)。

(3)刚进入阶段通过在电弧回路中串入适当的R1高阻线的Rb部分的阻值，通过增大供电臂与受电弓之间供电回路电阻用以限制电弧电流，可以在已生产电弧情况下进一步加快电弧衰减过程。

4、当机车进一步前行，到达中性区段后，离开A相供电臂，如图8示，在这一过程中，机车受电弓慢慢脱离高阻线，同时与中性段接通，脱离后其电流走势如图9中带箭头的线所示，在受电弓脱离高阻线的瞬间，因高阻线此时电阻最大，使得机车电流基本都从电子开关回路流通，高阻线(即供电臂与受电弓构成的供电回路)只有很小的电流分流，故而可以大大降低在受电弓脱离J1A相供电臂时电弧产生的可能，可有效避免电弧造成的危害。同时，若电流分流情况下，仍有可能引起电弧的产生，此时因高阻线Rb的存在，会对电弧电流起到抑制作用，加快电流的衰减时间，减少电弧造成的危害。

5、当机车从中性区段进入J2B相接触线，其过程与上述过程和机理相同，此处不重复描述。

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 (9)

1.一种地面开关过分相弓网电弧抑制方法，其特征在于，在过分相过程中，减小供电臂与受电弓构成的供电回路在受电弓脱离或接触供电臂时的电流以抑制电弧；在供电臂的末端设置高阻抗接触线来逐渐增大或减小供电臂与受电弓构成的供电回路的内阻，以减小供电臂与受电弓构成的供电回路在受电弓脱离或接触供电臂时的电流；

在受电弓驶入过分相区段时，逐渐减小供电臂与受电弓构成的供电回路的电流直至受电弓脱离供电臂。

2.根据权利要求1所述的地面开关过分相弓网电弧抑制方法，其特征在于，在受电弓驶入过分相区段时，通过逐步增大供电臂的内阻来逐渐减小供电臂与受电弓构成的供电回路的电流直至受电弓脱离供电臂。

3.根据权利要求1或2所述的地面开关过分相弓网电弧抑制方法，其特征在于，在受电弓接触供电臂时，逐渐增大供电臂与受电弓构成的供电回路的电流直至受电弓驶出过分相区段。

4.根据权利要求3所述的地面开关过分相弓网电弧抑制方法，其特征在于，在受电弓接触供电臂时，通过逐步减小供电臂的内阻来逐渐增大供电臂与受电弓构成的供电回路的电流直至受电弓驶出过分相区段。

5.一种地面开关过分相弓网电弧抑制装置，其特征在于，包括设置在各供电臂末端的高阻抗接触线，用于在过分相过程中，减小供电臂与受电弓构成的供电回路在受电弓脱离或接触供电臂时的电流以抑制电弧。

6.根据权利要求5所述的地面开关过分相弓网电弧抑制装置，其特征在于，所述高阻抗接触线机械接驳在供电臂接触线上。

7.一种地面开关过分相装置，其特征在于，包括开关组件和如权利要求5或6所述的地面开关过分相弓网电弧抑制装置，所述开关组件用于将中性区分别与接触网两相供电臂连接。

8.根据权利要求7所述的地面开关过分相装置，其特征在于，所述开关组件包括两个电子开关，两个电子开关的一端共同连接至中性区，两个电子开关的另一端分别连接至两相供电臂。

9.根据权利要求7所述的地面开关过分相装置，其特征在于，所述开关组件包括两个机械开关，两个机械开关的一端共同连接至中性区，两个机械开关的另一端分别连接至两相供电臂。