CN109318758A - 一种柔性地面自动过分相装置、系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柔性地面自动过分相装置、系统及方法，装置包括：两套过分相设备，所述过分相设备包括主变压器、交直交变流器和副变压器；所述主变压器的高压侧输入端与供电臂连接，所述主变压器的低压侧包括第一绕组和第二绕组，第一绕组与所述交直交变流器的一个交流端连接，第二绕组与所述副变压器的一侧串联，第二绕组的输出端用于与供电网中性段连接；所述交直交变流器的另一交流端与所述副变压器的另一侧连接。本发明具有可显著降低变流器容量、显著降低成本、显著提高可靠性等优点。

Description

一种柔性地面自动过分相装置、系统及方法

技术领域

本发明涉及列车过分相技术领域，尤其涉及一种柔性地面自动过分相装置、系统及方法。

背景技术

电气化铁路是国家关键基础设施和重要基础产业，对我国经济社会发展具有不可替代的全局性支撑作用。电气化铁路牵引供电系统是保证列车安全、稳定、高效运行的重要基础。我国传统单相交流牵引供电系统采用轮换相序、分相分区供电制式，该供电方式存在列车过分相问题，如图1所示。当列车带载直接通过接触网电分相时，受电弓划过相邻两相的绝缘区段时会产生拉弧现象，可能烧毁牵引网相关设备，造成重大事故，因此必须采用一定的技术措施确保列车安全通过电分相。目前，列车过电分相技术主要包含三类：车载自动过分相，地面开关自动过分相、柔性地面自动过分相。

车载自动过分相通过列车与地面传感器信号的配合，按预定控制逻辑进行相关操作，实现列车自动断电惰行通过分相区。在通过分相区后，列车依据网压检测结果，闭合主断路器，顺序启动辅机，并限制电流上升率，再次启动列车。

地面开关自动过分相原理如图2所示。JY1、JY2为电分相锚段关节，可确保受电弓过分相关节时连续受流。两台开关QF1、QF2分别跨接在JY1、JY2上，使两端供电臂能通过真空开关向中性段供电。CG1-CG3是列车位置传感器，CG1和CG3分别安装在距离中性段一定距离的轨道旁。当列车从A供电臂驶到CG1处时，开关QF1闭合，中性段接触网由A供电臂供电，待列车进入中性段到达CG2处时，QF1断开、QF2迅速闭合，中性段接触网由B供电臂供电，待列车驶离CG3处时QF2断开，装置恢复初始状态。列车反向行驶时，由控制系统控制两个开关以相反顺序断开与闭合。

无论是车载自动过分相，还是地面开关自动过分相，均需频繁分合断路器，开关寿命及可靠性均面临严峻考验。列车过分相时需经历一个从有电到无电，再到有电的过程。这一系列“断电-复电”操作，将引起列车供电系统出现不同程度与类型的过电压及涌流等暂态过程，严重时将造成列车保护动作、变电所保护跳闸、辅机过流等故障，影响电气化铁路的安全稳定运行。

为解决现有车载自动过分相与地面开关自动过分相的不足，研究人员提出了柔性过分相方案。柔性自动过分相原理如图3所示。当列车到达位置传感器CG1时，柔性过分相装置启动，利用变流器VSC-A与变压器T1输出中性段电压，且电压幅值、相位与A相供电臂电压完全一致。当列车到达位置传感器CG2时，柔性供电装置控制中性段电压开始逐渐接近B相供电臂电压，当列车过分相JY2时，中性段电压与B相供电臂电压完全一致。当列车到达位置传感器CG3时，变流器停止工作，等待下一趟列车过分相。在过分相期间，列车无断电时间，可高速平滑通过电分相。

现有柔性地面过分相系统在列车过分相期间对牵引网电能进行连续精确控制，可实现列车无断电高速平滑通过电分相。列车通过电分相期间无需分合车载主断路器、无拉弧、无截流过电压、谐振过电压、合闸过电压，主变压器和辅助绕组均无涌流，无牵引力及速度损失。但柔性过分相系统在实际应用中仍存在突出问题：

1、成本高：列车处于中性段时，过分相装置变流器需满足列车最大功率需求，由此会造成柔性过分相装置成本过高，限制其推广应用。

2、可靠性低：尽管柔性过分相装置可以采用变流器多重化方式提升装置的故障冗余运行能力，但其可靠性仍然不高。牵引负荷属于一级负荷，对牵引供电系统来说，安全供电是首要目标，因此牵引变电所变压器均采用“一主一备”运行方式。当现有柔性过分相装置采用“一主一备”运行方式时，其成本很难被接受。

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，本发明提供一种低成本、高可靠的柔性地面自动过分相设备、系统及方法。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：一种柔性地面自动过分相装置，包括：两套过分相设备，所述过分相设备包括主变压器、交直交变流器和副变压器；所述主变压器的高压侧输入端与供电臂连接，所述主变压器的低压侧包括第一绕组和第二绕组，第一绕组与所述交直交变流器的一个交流端连接，第二绕组与所述副变压器的一侧串联，第二绕组的输出端用于与供电网中性段连接；所述交直交变流器的另一交流端与所述副变压器的另一侧连接。

作为本发明的进一步改进，所述过分相设备的主变压器的低压侧的第二绕组为带中间抽头的绕组，两套过分相设备中的所述中间抽头通过高压开关连接。

作为本发明的进一步改进，所述中间抽头将所述第二绕组两等分。

作为本发明的进一步改进，所述两套过分相设备的主变压器的高压侧输出端之间通过高压开关连接。

作为本发明的进一步改进，所述过分相设备的主变压器高压侧输入端通过断路器与供电臂连接；所述主变压器低压侧第二绕组的输出端通过断路器与中性段连接。

作为本发明的进一步改进，所述过分相设备还包括启动装置，所述启动装置串联在所述交直交变流器与所述第一绕组之间。

作为本发明的进一步改进，还包括控制保护设备，所述控制保护设备分别与两套过分相设备的交直交变流器连接。

一种柔性地面自动过分相系统，包括列车位置识别子系统和如上所述的过分相装置；

所述列车位置识别子系统用于获取列车的位置信息；

所述过分相装置中的主变压器的第二绕组的输出端均与供电网中同一中性段连接，主变压器的高压侧输入端分别与所述中性段相邻的两个不同的供电臂连接，并根据所述位置信息向所述中性段输出电能。

一种柔性地面自动过分相控制方法，包括大相位差工作模式：过分相装置中两套过分相设备的主变压器的高压侧输入端分别与两条供电臂连接(QF1和QF4导通)，所述两套过分相设备的主变压器的高压侧输入端之间断开(QF5断开)，任选一套过分相设备的主变压器的低压侧第二绕组的输出端与中性段导通(QF2或QF3导通)，另一套过分相设备的主变压器的低压侧第二绕组的输出端与中性段断开(QF3或QF2断开)，所述两套过分相设备的中间抽头连接(QF6导通)；所述大相位差指两条供电臂之间的电压相位之差大于预设的第一相位值。

作为本发明的进一步改进，还包括小相位差工作模式：过分相装置中任选一套过分相设备的主变压器的高压侧输入端与供电臂导通(QF1或QF4导通)，另一套过分相设备的主变压器的高压侧输入端与供电臂断开(QF4或QF1断开)；两套过分相设备的主变压器的高压侧输入端之间导通(QF5导通)，

两套过分相设备的主变压器的低压侧第二绕组的输出端与中性段导通(QF2和QF3均导通)，所述两套过分相设备的中间抽头断开(QF6断开)；

所述小相位差指两条供电臂之间的电压相位之差大于预设的第二相位值，且小于等于所述第一相位值。

作为本发明的进一步改进，还包括等相位差工作模式：过分相装置中两套过分相设备的主变压器的高压侧输入端分别与两条供电臂连接(QF1和QF4导通)，两套过分相设备的主变压器的低压侧第二绕组的输出端与中性段导通(QF2和QF3均导通)，所述两套过分相设备的中间抽头断开(QF6断开)，

所述两套过分相设备的主变压器的高压侧输入端之间断开(QF5断开)；

所述等相位差是指两条供电臂之间的电压相位之差小于等预设的第二相位值。

作为本发明的进一步改进，调节中性段电能的步骤包括：

在列车驶入中性段之前，由过分相装置调节使得中性段的电压与第一供电臂的电压一致；

在列车驶入第一过渡区时，由过分相装置调节向中性段输出电流，并且在列车驶出第一过渡区之前使得过分相装置向中性段输出的电流等于列车电流；

在列车驶出第一过渡区后，且驶入第二过渡区之前，由过分相装置调节中性区的电压与第二供电臂一致；

在列车驶入第二过渡区之后，由过分相装置调节向中性段输出电流，并且在列车驶出第二过渡区之前使得过分相装置向中性段输出的电流等于零。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明通过将变压器与逆变器交流侧串联输出电压至中性段，可显著降低变流器容量。当两边供电臂电压基本同相(相位差≤15°)时，柔性过分相系统只需使用一套过分相设备(另一套过分相设备处于热备用状态)，变流器容量约为列车最大容量的17％，因此可显著降低系统成本。

2、本发明在某些工况下，两供电臂电压相位差可能为60°、90°或120°。当两边供电臂电压相位差为60°时，柔性过分相系统中的两套过分相设备并联运行，可满足列车过分相时的容量需求。当两边供电臂电压相位差为90°或120°时，柔性过分相系统处于大相位差运行模式，仍然可通过小容量变流器实现列车满容量安全平滑通过电分相。

3、由于在大部分情况下分相区两端供电臂电压相位差很小(相位差≤15°)，所以柔性过分相系统在大部分工况下均处于“一主一备”运行模式，可显著提高系统可靠性。

附图说明

图1为交流牵引供电系统示意图。

图2为地面自动过分相示意图。

图3为现有技术的柔性自动过分相示意图。

图4为本发明具体实施例柔性自动过分相示意图。

图5为本发明具体实施例电压合成矢量图。

图6为本发明具体实施例中性段与过分相装置电流变化趋势图。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

如图4所示，本实施例的柔性地面自动过分相装置，包括：两套过分相设备，过分相设备包括主变压器(T1A，T1B)、交直交变流器(U1A-U2A，U1B-U2B)和副变压器(T2A，T2B)；主变压器(T1A，T1B)的高压侧输入端与供电臂连接，主变压器(T1A，T1B)的低压侧包括第一绕组(W1A，W1B)和第二绕组(W2A，W2B)，第一绕组(W1A，W1B)与交直交变流器的一个交流端(U1A，U1B)连接，第二绕组(W2A，W2B)与副变压器(T2A，T2B)的一侧串联，第二绕组(W2A，W2B)的输出端用于与供电网中性段连接；交直交变流器(U1A-U2A，U1B-U2B)的另一交流端(U2A，U2B)与副变压器(T2A，T2B)的另一侧连接。在本实施例中，主变压器(T1A，T1B)的高压侧的另一端接地。副变压器(T2A，T2B)与第二绕组(W2A，W2B)串联一侧的另一端接地。主变压器(T1A，T1B)和副变压器(T2A，T2B)均为单相变压器。

在本实施例中，过分相设备的主变压器(T1A，T1B)的低压侧的第二绕组(W2A，W2B)为带中间抽头的绕组，两套过分相设备中的中间抽头通过高压开关(QF6)连接。中间抽头将第二绕组两等分。

在本实施例中，两套过分相设备的主变压器(T1A，T1B)的高压侧输出端之间通过高压开关(QF5)连接。

过分相设备的主变压器(T1A，T1B)高压侧输入端通过断路器(QF1、QF4)与供电臂连接；主变压器(T1A，T1B)低压侧第二绕组(W2A，W2B)的输出端通过断路器(QF2、QF3)与中性段连接。过分相设备还包括启动装置，启动装置串联在交直交变流器与第一绕组(W1A，W1B)之间。

在本实施例中，还包括控制保护设备，控制保护设备分别与两套过分相设备的交直交变流器(U1A-U2A，U1B-U2B)连接。用于对两套交直交变流器(U1A-U2A，U1B-U2B)的控制与保护。在本实施例中，还包括散热设备，以对交直交变流器进行散热，保证设备的运行安全、稳定。

在本实施例中，还包括多个电流互感器(CT1、CT2、CT3、CT4、CTA、CTB)和电压互感器(PT1、PT2、PT3、PTA、PTB)，用于获取电流、电压数据。

在本实施例中，两套过分相设备的主变压器(T1A，T1B)的第二绕组(W2A，W2B)的输出端均用于与同一中性段连接；两套过分相设备的主变压器(T1A，T1B)的高压侧输入端用于分别与不同的供电臂连接。

在本实施例中，列车运行包括上行和下行两条线路，本实施例的过分相装置可以通过断路器与上行或/或下行的两条线路的对应供电臂、中性段连接，通过一套过分相装置即可实现对上行、下行两条路线的柔性过分相。

如图4所示，本实施例的柔性地面自动过分相系统，包括列车位置识别子系统和如上所述的过分相装置；列车位置识别子系统用于获取列车的位置信息；过分相装置中的主变压器的第二绕组的输出端均与供电网中同一中性段连接，主变压器的高压侧输入端分别与中性段相邻的两个不同的供电臂连接，并根据位置信息向中性段输出电能。列车位置识别子系统包括多个位置识别传感器，如图1中所示的CG1、CG2、CG3。

本实施例的柔性地面自动过分相控制方法，包括大相位差工作模式：过分相装置中两套过分相设备的主变压器的高压侧输入端分别与两条供电臂连接(QF1和QF4导通)，两套过分相设备的主变压器的高压侧输入端之间断开(QF5断开)，任选一套过分相设备的主变压器的低压侧第二绕组的输出端与中性段导通(QF2或QF3导通)，另一套过分相设备的主变压器的低压侧第二绕组的输出端与中性段断开(QF3或QF2断开)，两套过分相设备的中间抽头连接(QF6导通)；大相位差指两条供电臂之间的电压相位之差大于预设的第一相位值。在本实施例中，第一相位值取60°，在实际应用中，当两条供电臂之间的相位差为90°、120°时，过分相装置工作在大相位差工作模式下。

在本实施例中，还包括小相位差工作模式：过分相装置中任选一套过分相设备的主变压器的高压侧输入端与供电臂导通(QF1或QF4导通)，另一套过分相设备的主变压器的高压侧输入端与供电臂断开(QF4或QF1断开)；两套过分相设备的主变压器的高压侧输入端之间导通(QF5导通)，两套过分相设备的主变压器的低压侧第二绕组的输出端与中性段导通(QF2和QF3均导通)，所述两套过分相设备的中间抽头断开(QF6断开)；小相位差指两条供电臂之间的电压相位之差大于预设的第二相位值，且小于等于第一相位值。在本实施例中，当两条供电臂之间的相位差为60°时，过分相装置工作在小相位差工作模式下。

在本实施例中，还包括等相位差工作模式：过分相装置中两套过分相设备的主变压器的高压侧输入端分别与两条供电臂连接(QF1和QF4导通)，两套过分相设备的主变压器的低压侧第二绕组的输出端与中性段导通(QF2和QF3均导通)，两套过分相设备的中间抽头断开(QF6断开)，两套过分相设备的主变压器的高压侧输入端之间断开(QF5断开)；等相位差是指两条供电臂之间的电压相位之差小于等预设的第二相位值。

在本实施例中，第二相位值取15°，在实际应用中，当两条供电臂之间的相位差小于等于15°时，过分相装置工作在等相位差工作模式下。

在本实施例中，调节中性段电能的步骤包括：在列车驶入中性段之前，由过分相装置调节使得中性段的电压与第一供电臂的电压一致；在列车驶入第一过渡区时，由过分相装置调节向中性段输出电流，并且在列车驶出第一过渡区之前使得过分相装置向中性段输出的电流等于列车电流；在列车驶出第一过渡区后，且驶入第二过渡区之前，由过分相装置调节中性区的电压与第二供电臂一致；在列车驶入第二过渡区之后，由过分相装置调节向中性段输出电流，并且在列车驶出第二过渡区之前使得过分相装置向中性段输出的电流等于零。

在本实施例中，图5(a)表示供电臂两端电压相位差较大(90°/120°)工况下的电压合成矢量图。此时，柔性过分相装置处于大相位差运行模式。在大相位差运行模式下，柔性过分相装置通过高压开关QF6联接变压器中间抽头，并断开高压开关QF2或QF3。当断开高压开关QF2，闭合高压开关QF3时，中性段电压由变压器T2A(变流器U2A)、绕组W2A及W2B共同合成；当断开高压开关QF3，闭合高压开关QF2时，中性段电压由变压器T2B(变流器U2B)、绕组W2A及W2B共同合成。图5中，U_a表示供电臂TA的电压，U_b表示供电臂TB的电压，U_r表示副变压器T2A或T2B高压侧电压，也即变流器U2A或U2B通过副变压器(T2A或T2B)升压后的输出电压，图4中分别用U_ra和U_rb表示，U_i为中性段区电压，U^* _a表示主变压器T1A的低压侧第二绕组W2A两端的电压，U^* _b表示主变压器T1B的低压侧第二绕组W2B两端的电压，θ表示相位差。以图5a为例，此电压矢量图表示过分相装置处于大相位差运行模式，QF6一直处于闭合状态，如果QF2断开，QF3闭合。绕组W2A及W2B共同合成的电压为：变压器T2A(变流器U2A)输出电压为U_r。中性段电压U_i由变压器T2A(变流器U2A)电压、绕组W2A及W2B电压共同合成：

图5(b)、图5(c)表示供电臂两端电压相差为60°或同相时的电压合成矢量图。图5(b)表示列车由供电臂TA驶向供电臂TB，图5(c)表示列车由供电臂TB驶向供电臂TA。当供电臂两端电压相位差为60°时，柔性过分相系统高压开关QF5闭合，并断开高压开关QF1或QF4，两套柔性过分相装置工作于并联运行模式。当供电臂两端电压同相时，QF5与QF6均断开，两套过分相装置采用“一主一备”工作模式，装置之间互为热备用，提升系统可靠性；当同一时刻列车相向而行经过中性段时，即上行和下行方向同时有列车经过时，两套过分相装置采用协同工作模式，分别负责不同方向的列车实现安全平滑通过电分相。

在本实施例中，无论柔性够分相装置工作于何种模式，其中性段输出电压调幅移相时序基本相同。以列车由供电臂TA向供电臂TB行驶为例，如图4、图5，过分相装置输出电压调幅移相时序为：

1)当检测到列车到达A点位置时，柔性过分相装置输出电压Ui＝Ua；

2)当列车到达B点位置，柔性过分相装置开始输出电流，列车电流逐步转移由柔性过分相装置提供，电压相位保持不变；

3)列车到达C点位置之前，柔性过分相装置输出电流等于列车电流，列车电流全部由柔性过分相装置提供，电压相位保持不变；

4)当检测到列车到达D点位置时，柔性过分相装置以Ub为控制目标渐进调幅移相；

5)列车到达E点位置之前，柔性过分相装置已完成移相，中性线电压Ui＝Ub，同时柔性过分相装置输出电流开始逐步减小；

6)列车到达F点位置之前，柔性过分相装置输出电流减小至零，列车全部由B相供电臂提供电流；

7)当检测到列车到达G点位置时，柔性过分相装置回到待机状态。

列车处于过渡区时，供电臂电流与柔性过分相装置电流变化趋势如图6所示(以过渡区A为例)。图6中，I_A为供电臂电流，I_o为过分相装置电流。

上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (12)

1.一种柔性地面自动过分相装置，其特征在于，包括：两套过分相设备，所述过分相设备包括主变压器、交直交变流器和副变压器；所述主变压器的高压侧输入端与供电臂连接，所述主变压器的低压侧包括第一绕组和第二绕组，第一绕组与所述交直交变流器的一个交流端连接，第二绕组与所述副变压器的一侧串联，第二绕组的输出端用于与供电网中性段连接；所述交直交变流器的另一交流端与所述副变压器的另一侧连接。

2.根据权利要求1所述的柔性地面自动过分相装置，其特征在于：所述过分相设备的主变压器的低压侧的第二绕组为带中间抽头的绕组，两套过分相设备中的所述中间抽头通过高压开关连接。

3.根据权利要求2所述的柔性地面自动过分相装置，其特征在于：所述中间抽头将所述第二绕组两等分。

4.根据权利要求2所述的柔性地面自动过分相装置，其特征在于：所述两套过分相设备的主变压器的高压侧输出端之间通过高压开关连接。

5.根据权利要求4所述的柔性地面自动过分相装置，其特征在于：所述过分相设备的主变压器高压侧输入端通过断路器与供电臂连接；所述主变压器低压侧第二绕组的输出端通过断路器与中性段连接。

6.根据权利要求5所述的柔性地面自动过分相装置，其特征在于：所述过分相设备还包括启动装置，所述启动装置串联在所述交直交变流器与所述第一绕组之间。

7.根据权利要求6所述的柔性地面自动过分相装置，其特征在于：还包括控制保护设备，所述控制保护设备分别与两套过分相设备的交直交变流器连接。

8.一种柔性地面自动过分相系统，其特征在于：包括列车位置识别子系统和如权利要求1至7任一项所述的过分相装置；

所述列车位置识别子系统用于获取列车的位置信息；

所述过分相装置中的主变压器的第二绕组的输出端均与供电网中同一中性段连接，主变压器的高压侧输入端分别与所述中性段相邻的两个不同的供电臂连接，并根据所述位置信息向所述中性段输出电能。

9.一种柔性地面自动过分相控制方法，其特征在于，包括大相位差工作模式：过分相装置中两套过分相设备的主变压器的高压侧输入端分别与两条供电臂连接，所述两套过分相设备的主变压器的高压侧输入端之间断开，任选一套过分相设备的主变压器的低压侧第二绕组的输出端与中性段导通，另一套过分相设备的主变压器的低压侧第二绕组的输出端与中性段断开，所述两套过分相设备的中间抽头连接；所述大相位差指两条供电臂之间的电压相位之差大于预设的第一相位值。

10.根据权利要求9所述的柔性地面自动过分相控制方法，其特征在于：还包括小相位差工作模式：过分相装置中任选一套过分相设备的主变压器的高压侧输入端与供电臂导通，另一套过分相设备的主变压器的高压侧输入端与供电臂断开；两套过分相设备的主变压器的高压侧输入端之间导通，两套过分相设备的主变压器的低压侧第二绕组的输出端与中性段导通，所述两套过分相设备的中间抽头断开；

所述小相位差指两条供电臂之间的电压相位之差大于预设的第二相位值，且小于等于所述第一相位值。

11.根据权利要求9所述的柔性地面自动过分相控制方法，其特征在于：还包括等相位差工作模式：过分相装置中两套过分相设备的主变压器的高压侧输入端分别与两条供电臂连接，两套过分相设备的主变压器的低压侧第二绕组的输出端与中性段导通，所述两套过分相设备的中间抽头断开；

所述两套过分相设备的主变压器的高压侧输入端之间断开；

所述等相位差是指两条供电臂之间的电压相位之差小于等预设的第二相位值。

12.根据权利要求9至11任一项所述的柔性地面自动过分相控制方法，其特征在于，调节中性段电能的步骤包括：

在列车驶入中性段之前，由过分相装置调节使得中性段的电压与第一供电臂的电压一致；

在列车驶入第一过渡区时，由过分相装置调节向中性段输出电流，并且在列车驶出第一过渡区之前使得过分相装置向中性段输出的电流等于列车电流；

在列车驶出第一过渡区后，且驶入第二过渡区之前，由过分相装置调节中性区的电压与第二供电臂一致；

在列车驶入第二过渡区之后，由过分相装置调节向中性段输出电流，并且在列车驶出第二过渡区之前使得过分相装置向中性段输出的电流等于零。