CN112776679A - 一种适用于电力机车过分相的选相控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于电力机车过分相的选相控制系统及控制方法，选相控制系统包括A相电压电流采集模块、B相电压电流采集模块、位置信号感应模块、地面控制台、主控模块和GTO双向开关模块；选相控制方法使用该选相控制系统，当电力机车进行过分相时，从A相供电臂经中性段进入到B相供电臂，会依次经过一号地面位置传感器和二号地面位置传感器；当电力机车经过一号地面位置传感器时，选相控制系统进行分闸操作；当电力机车经过二号地面位置传感器时，选相控制系统进行合闸操作。本发明能减小甚至消除电力机车在过分相时产生的过电压和过电流，避免电力机车中的电气设备损坏、绝缘击穿、继电保护装置误动作。

Description

一种适用于电力机车过分相的选相控制系统及控制方法

技术领域

本发明属于电气化轨道交通领域，具体涉及一种适用于电力机车过分相的选相控制系统及控制方法。

背景技术

在我国，电气化铁路供电方式广泛采用的是27.5KV单相工频交流电。由于电力机车属于单相负荷，会对电力系统的三相平衡度产生不良的影响，为了缓解此问题，电气化铁路采用了分段取流、换相连接的方式。不同相连接处的过渡区域称为电分相区。

在电力机车自动过分相的过程中，电力机车通过关合开关来实现两相电切换，以顺利通过电分相区，电力机车关合开关将激起电磁振荡，例如分闸过电压、合闸励磁涌流和开关拉弧等，可能导致电力设备损坏、继电保护装置误动作等危害，严重影响电气化铁路的安全运营。

电力机车过分相时，通过车载开关闭合使电力机车通过中性区时断电惰行，驶出中性区后，车载开关进行闭合以完成电力机车和牵引网之间的电气连接。在该过程中，开关通断引起的电磁暂态可以看作是投切电力机车引起的电磁暂态过程。因此，通过对机车过分相时的电磁暂态过程的分析可知，分闸过电压主要取决于开关分闸前线路电流的相位，合闸励磁涌流主要取决于开关合闸前的线路电压相位。针对上述分析，利用选相控制技术来控制开关闭合时线路电压或电流的相位，使得合闸时线路电压的相位恰好使得线路电压为0，以减小甚至消除电力机车因过分相所产生的分闸过电压及合闸励磁涌流，提高电力机车运行的稳定性、安全性，延长电器设备的使用寿命。

目前，中国车载自动过分相装置采用机械开关作为为切换装置，以真空断路器为代表。随着电力电子技术的发展，电力电子开关的性能越来越优良，相较于传统的机械开关，它具有开关时间更短、使用寿命更长且开关次数不受限制等优点。但是，由于电力电子开关的耐压问题，限制了它在电气化铁路上的应用。

发明内容

为解决电力机车过分相产生的分闸过电压、合闸励磁涌流和开关拉弧，以及如何将电力电子开关应用于电力机车过分相等问题。本发明提供了一种适用于电力机车过分相的选相控制系统及控制方法。

本发明的一种适用于电力机车过分相的选相控制系统，包括A相电压电流采集模块、B相电压电流采集模块、位置信号感应模块、地面控制台、主控模块和GTO双向开关模块。

A相电压电流采集模块包括车载电压互感器和车载电流互感器，均安装于列车内部，将采集信号处理后直接传送给主控模块；B相电压电流采集模块包括采集B相电压的电压互感器和采集B相电流的电流互感器，均安装于B相牵引网上，将采集信号处理后通过无线通讯的方式发送到主控模块。

位置信号感应模块中的车载位置感应器安装在列车内部，一号地面位置传感器和二号地面位置传感器依次安装在铁轨上，地面位置传感器中集成了位置传感器和信号处理装置。

牵引网电流经过车载降压变压器降压接入GTO双向开关模块，再为列车供电。

GTO双向开关模块由一组正向开关并联反向开关组成：正向开关为正向开关电容器、正向门极可关断晶闸管GTO和正向开关反并联二极管并联，然后再串联正向开关电感器；反向开关为反向开关电容器、反向门极可关断晶闸管GTO和反向开关反并联二极管并联，然后再串联反向开关电感器。

主控模块通过通信模块连接地面控制台。

进一步的，车载降压变压器原副边变比为10：1。

本发明的一种适用于电力机车过分相的选相控制方法，使用上述的选相控制系统，具体为：

当电力机车进行过分相时，其要从A相供电臂经中性段进入到B相供电臂，会依次经过铁轨上的一号地面位置传感器和二号地面位置传感器；当电力机车经过一号地面位置传感器时，选相控制系统进行分闸操作；当电力机车经过二号地面位置传感器时，选相控制系统进行合闸操作。

分闸操作过程：

车载位置感应器监测到一号地面位置传感器时，发送信号给主控模块；主控模块接收到该信号后随即进行分闸指令的前期信息采集，即主控模块向车载的A相电压电流采集模块发出采集牵引电压的指令，采集到的电压信号经滤波处理和AD转换传给选相控制系统的主控模块；主控模块在接收该信号后，通过判断电压的正负分析出正在导通的晶体管是正向晶体管还是反向晶体管，即分析出下半周期本该导通的是正向晶体管或反向晶体管，再发出分闸指令驱动GTO双向开关模块动作；GTO双向开关模块在接收分闸指令后由驱动电路停止向GTO双向开关模块的门极供应电流，即在下一个牵引电压过零点，上半周期导通的晶体管因承受反压而关断，下半周期本该导通的晶体管因无触发脉冲而关断；从而使电力机车与A相供电臂断开电气连接，惰行驶入中性区，选相分闸操作完成。

合闸操作过程：

车载位置感应器监测到二号地面位置传感器时，发送信号给主控模块；主控模块接收到该信号后随即进行分闸指令的前期信息采集，即主控模块向车载的B相电压电流采集模块发出采集牵引电压的指令，采集到的电压信号经滤波处理和AD转换，再通过无线通讯的方式传给选相控制系统的主控模块；主控模块在接收该信号后，通过判断电压的正负分析出下半周期可导通的晶体管是正向晶体管还是反向晶体管，并且经过处理，得出满足相位条件的合闸延时时间并发出合闸指令驱动GTO双向开关模块动作；GTO双向开关模块在接收合闸指令后经过延时时间后由驱动电路给与可导通的晶体管触发脉冲，即下一个牵引电压过零点，该晶体管门级的电压为正且收到了触发脉冲，所以该晶体管导通，从而使电力机车与B相供电臂形成电气连接，电力机车正常向供电臂取电，选相合闸操作完成。

本发明的有益技术效果为：

1、通过降压变压器，把GTO运用于电力机车过分相中，用GTO双向开关代替传统机械开关，改善了传统的机械开关在开关时间较长、使用寿命较短且开关次数受限制的不足。

2、在电力机车过分相时，对GTO车载换相开关采用选相控制技术，极大减小甚至消除了因开关随即分合闸产生的分闸过电压、合闸涌流等严重电磁振荡，提高了电气化铁路运营的安全性。

3、设置了GTO双向开关的自适应调节功能，在分合闸时若主控模板发出的闭锁或触发指令延时，或者GTO双向开关模块短暂故障时，会导致机车过分相时分合闸失败。自适应功能可自发调节，直到分合闸成功，极大提高了电力机车过分相时的可靠性和稳定性。

4、在GTO开关部件中引入了电力电子软开关技术，即可降低GTO电力电子开关损耗以减少电能的浪费，并且软开关技术可以降低GTO电力电子开关噪声，提高了电力机车的乘坐舒适性。

5、设置人机交互功能，工作人员可实时监控电气化铁路的各个选相控制系统，增强电气化铁路运营的安全性和可靠性。

附图说明

图1为本发明电力机车选相控制系统整体结构示意图；

图2为本发明电力机车选相控制系统拓扑结构示意图；

图3为本发明选相控制方法流程图；

图4为分闸选相控制时序图；

图5为合闸选相控制时序图。

图中标号释义：1-A相供电臂、2-受电弓、3-过分相的中性段、4-采集B相电压的电压互感器、5-采集B相电流的电流互感器、6-B相供电臂、7-避雷器、8-车载电压互感器、9-车载电流互感器、10-车载降压变压器、11-正向开关电容器、12-正向门极可关断晶闸管GTO、13-正向开关电感器、14-正向开关反并联二极管、15-反向开关反并联二极管、16-反向门极可关断晶闸管GTO、17-反向开关电感器、18-反向开关电容器、19-用于反向开关断开时剩余电流的续流二极管、20-用于正向开关断开时剩余电流正向开关续流二极管、21-一号地面位置传感器、22-二号地面位置传感器、23-铁轨、24-A相电压电流采集模块、25-B相电压电流采集模块、26-位置信号感应模块、27-地面控制台、28-主控模块、29-GTO双向开关模块。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方法对本发明做进一步详细说明。

本发明的一种适用于电力机车过分相的选相控制系统如图1、图2所示：包括A相电压电流采集模块24、B相电压电流采集模块25、位置信号感应模块26、地面控制台27、主控模块28和GTO双向开关模块29。

A相电压电流采集模块24包括车载电压互感器8和车载电流互感器9，均安装于列车内部，将采集信号处理后直接传送给主控模块28；B相电压电流采集模块25包括采集B相电压的电压互感器4和采集B相电流的电流互感器5，均安装于B相牵引网上，将采集信号处理后通过无线通讯的方式发送到主控模块28。

位置信号感应模块26中的车载位置感应器安装在列车内部，一号地面位置传感器21和二号地面位置传感器22依次安装在铁轨23上，地面位置传感器中集成了位置传感器和信号处理装置。

牵引网电流经过车载降压变压器10降压接入GTO双向开关模块29，再为列车供电。

GTO双向开关模块29由一组正向开关并联反向开关组成：正向开关为正向开关电容器11、正向门极可关断晶闸管GTO12和正向开关反并联二极管14并联，然后再串联正向开关电感器13；反向开关为反向开关电容器18、反向门极可关断晶闸管GTO16和反向开关反并联二极管15并联，然后再串联反向开关电感器17。

主控模块28通过通信模块连接地面控制台27。

进一步的，车载降压变压器10原副边变比为10：1。可将牵引网中27.5KV高电压等级的电压转换为GTO双向开关可承受的电压等级，使GTO双向开关安全接入牵引网中。由于该降压降压变压器的存在，接入列车主变压器的原边电压将降低，所以为了保证列车上的其他用电设备在原来的电压等级上运行，主变的原副边的变比需要根据列车车型进行相应的调整。

本发明的一种适用于电力机车过分相的选相控制方法如图3所示，使用上述的选相控制系统，具体为：

当电力机车正常行驶时，选相控制系统依次按照工频50Hz在每个牵引电压过零点给与两个GTO晶体管触发脉冲，两个GTO晶体管交替循环导通使电力机车能够正常从接触网上取电。

当电力机车进行过分相时，其要从A相供电臂1经中性段3进入到B相供电臂6，会依次经过铁轨23上的一号地面位置传感器21和二号地面位置传感器22；当电力机车经过一号地面位置传感器21时，选相控制系统进行分闸操作，即完成电力机车断电惰行驶过中性区3。

当电力机车经过二号地面位置传感器22时，选相控制系统进行合闸操作，电力机车与B相供电臂6形成电气连接，即完成电力机车驶出中性区后的正常取电。

分闸操作过程：

车载位置感应器监测到一号地面位置传感器21时，发送信号给主控模块28；主控模块28接收到该信号后随即进行分闸指令的前期信息采集，即主控模块28向车载的A相电压电流采集模块24发出采集牵引电压的指令，由于采集到的电压除基波分量外还存在部分谐波分量，这将影响选相控制的精度，因此设置滤波环节减少该电路的谐波分量，经处理后，随即将该电压输送给AD转换模块。在AD转换模块中，将处理所得的线路电压模拟信号转化为相应数字信号，并随即传给选相控制系统的主控模块28；主控模块28在接收该信号后，通过判断电压的正负分析出正在导通的晶体管是正向晶体管还是反向晶体管，即分析出下半周期本该导通的是正向晶体管或反向晶体管，再发出分闸指令驱动GTO双向开关模块29动作；GTO双向开关模块29在接收分闸指令后由驱动电路停止向GTO双向开关模块29的门极供应电流，所以如图4所示的t₂时刻，即在下一个牵引电压过零点，上半周期导通的晶体管因承受反压而关断，下半周期本该导通的晶体管因无触发脉冲而关断；从而使电力机车与A相供电臂1断开电气连接，惰行驶入中性区3，选相分闸操作完成。

分闸选相控制方法：

分闸选相控制方法时序如图4所示，分闸选相控制可分为三个步骤。1、t₁时刻，一号地面位置传感器21感应到电力机车行驶至选相开关需要进行分闸的位置时，一号地面位置传感器21发出相应的信号并传给车载选相控制系统的主控模板28。2、[t₁-t₂]选相控制系统的主控模块28响应位置传感器的信号，采集电压信息，通过分析电压的正负，判断下半个周期本该导通的是哪一只晶体管，闭锁该晶体管的触发脉冲。3、[t₂-t₃]时间段为自然延时时间，延时到t₂时刻，此时刻为电压过零点，在此刻，上一时刻导通的晶体管因承受反压而关断，下一时刻本该导通的晶体管因没有收到触发脉冲也关断，选相分闸完成。

合闸操作过程：

车载位置感应器监测到二号地面位置传感器22时，发送信号给主控模块28；主控模块28接收到该信号后随即进行分闸指令的前期信息采集，即主控模块28向车载的B相电压电流采集模块25发出采集牵引电压的指令，由于该电压除基波分量外还存在部分谐波分量，这将影响选相控制的精度，因此设置滤波环节减少该电路的谐波分量，经处理后，随即将该电压传给AD转换模块。在AD转换模块中，将处理所得的线路电压模拟信号转化为相应数字信号，并且由于此时电力机车处于惰行工况，与B相接触网6并无电气连接，所以通过无线通讯的方式传给选相控制系统的主控模块28；主控模块28在接收该信号后，通过判断电压的正负分析出下半周期可导通的晶体管是正向晶体管还是反向晶体管，并且经过处理，得出满足相位条件的合闸延时时间并发出合闸指令驱动GTO双向开关模块29动作；GTO双向开关模块29在接收合闸指令后经过延时时间后由驱动电路给与可导通的晶体管触发脉冲，所以在如图5所示的t₃时刻，即下一个牵引电压过零点，该晶体管门级的电压为正且收到了触发脉冲，所以该晶体管导通，从而使电力机车与B相供电臂6形成电气连接，电力机车正常向供电臂取电，选相合闸操作完成。

合闸选相控制方法：

合闸选相控制方法时序如图5所示，合闸选相控制方法可分为四个步骤。1、t₁时刻，二号地面位置传感器22感应到电力机车行驶至选相开关需要进行合闸的位置时，二号地面位置传感器22发出相应的信号并传给车载选相控制器。2、[t₁-t₂]为选相控制系统的主控模块28响应位置传感器的信号，采集电压信息，进行处理得出目标电压的参考零点，通过电压值的大小与0进行比较可计算出该时刻距离电压过零点的延时时间，并综合考虑GTO晶体管的开通时间等延迟后，计算出主控模块的一次延时时间；3、[t₂-t₃]为主控模块28控制一次延时时间，在t₂时刻，GTO驱动模块给与GTO触发脉冲。4、[t₃-t₄]时间段为GTO晶体管导通的延时时间，t₃时刻GTO晶体管导通，选相合闸完成。

本发明中，电力电子开关自适应开关功能说明如下。

在分合闸时若主控模板28发出的闭锁或触发指令延时，或者GTO双向开关模块29短暂故障时，会导致机车过分相时分合闸失败。为增强本发明的一种运用电力电子开关作为车载换相开关的电力机车过分相的选相控制系统的可靠性，增设电力电子开关自适应开关调节功能。在电力机车驶入中性区分闸过程中，在主控模块28向选GTO双向开关模块29发出分闸指令的同时，主控模块28会触发延时处理装置，在延时牵引网电压的半个周期后，主控模块28会再次调取车载电压互感器8的数值，再对数值大小进行判断，若电压大小等于0，则说明选相分闸成功，若电压大小不等0，则说明分闸失败，则重复选相分闸的步骤，再一次进行分闸操作，直到延时后检测电压为0，即选相分闸成功。在电力机车驶出中性区合闸过程中，在主控模块28向GTO双向开关模块29发出合闸指令的同时，主控模块28会触发延时处理装置，在延时牵引网电压的半个周期后，主控模块28会再次调取车载电压互感器8的数值，再对数值大小进行判断，若电压大小不等于0，则说明选相合闸成功，若电压大小等0，则说明合闸失败，则重复选相合闸的步骤，再一次进行合闸操作，直到延时后检测电压不为0，即选相合闸成功。

本发明中，选相控制系统人机交互功能说明如下。

为保证选相控制系统的可靠性和实用性，设置人机交互功能，该功能由通信模块和主控模块28中的键盘模块和LCD显示模块组成，如图2的系统结构图所示。为了工作人员能够实时的对控制系统进行检测和保护，设置了LCD显示模块，该模块能够实时显示选相控制器的工作状态和选相控制系统各设备的运行状态。为了防止选相控制系统故障时开关无法动作，设置了键盘模块，工作人员可直接通过键盘模块手动发出指令关合选相开关。设置远程通信模块，相关地面工作人员可实时监控电气化铁路的各个选相控制系统，增强电气化铁路运营的安全性。

总之，本发明通过运用电力电子开关作为车载换相开关，减小甚至消除电力机车在过分相时产生的过电压和过电流，避免电力机车中的电气设备损坏、绝缘击穿、继电保护装置误动作，以及由车体瞬态过电压等问题的发生。

Claims (3)

1.一种适用于电力机车过分相的选相控制系统，其特征在于，包括A相电压电流采集模块(24)、B相电压电流采集模块(25)、位置信号感应模块(26)、地面控制台(27)、主控模块(28)和GTO双向开关模块(29)；

A相电压电流采集模块(24)包括车载电压互感器(8)和车载电流互感器(9)，均安装于列车内部，将采集信号处理后直接传送给主控模块(28)；B相电压电流采集模块(25)包括采集B相电压的电压互感器(4)和采集B相电流的电流互感器(5)，均安装于B相牵引网上，将采集信号处理后通过无线通讯的方式发送到主控模块(28)；

位置信号感应模块(26)中的车载位置感应器安装在列车内部，一号地面位置传感器(21)和二号地面位置传感器(22)依次安装在铁轨(23)上，地面位置传感器中集成了位置传感器和信号处理装置；

牵引网电流经过车载降压变压器(10)降压接入GTO双向开关模块(29)，再为列车供电；

GTO双向开关模块(29)由一组正向开关并联反向开关组成：正向开关为正向开关电容器(11)、正向门极可关断晶闸管GTO(12)和正向开关反并联二极管(14)并联，然后再串联正向开关电感器(13)；反向开关为反向开关电容器(18)、反向门极可关断晶闸管GTO(16)和反向开关反并联二极管(15)并联，然后再串联反向开关电感器(17)；

主控模块(28)通过通信模块连接地面控制台(27)。

2.根据权利要求1所述的一种适用于电力机车过分相的选相控制系统，其特征在于，所述车载降压变压器(10)原副边变比为10：1。

3.一种适用于电力机车过分相的选相控制方法，其特征在于，使用如权利要求1所述的选相控制系统，具体为：

当电力机车进行过分相时，其要从A相供电臂(1)经中性段(3)进入到B相供电臂(6)，会依次经过铁轨(23)上的一号地面位置传感器(21)和二号地面位置传感器(22)；当电力机车经过一号地面位置传感器(21)时，选相控制系统进行分闸操作；当电力机车经过二号地面位置传感器(22)时，选相控制系统进行合闸操作；

分闸操作过程：

车载位置感应器监测到一号地面位置传感器(21)时，发送信号给主控模块(28)；主控模块(28)接收到该信号后随即进行分闸指令的前期信息采集，即主控模块(28)向车载的A相电压电流采集模块(24)发出采集牵引电压的指令，采集到的电压信号经滤波处理和AD转换传给选相控制系统的主控模块(28)；主控模块(28)在接收该信号后，通过判断电压的正负分析出正在导通的晶体管是正向晶体管还是反向晶体管，即分析出下半周期本该导通的是正向晶体管或反向晶体管，再发出分闸指令驱动GTO双向开关模块(29)动作；GTO双向开关模块(29)在接收分闸指令后由驱动电路停止向GTO双向开关模块(29)的门极供应电流，即在下一个牵引电压过零点，上半周期导通的晶体管因承受反压而关断，下半周期本该导通的晶体管因无触发脉冲而关断；从而使电力机车与A相供电臂(1)断开电气连接，惰行驶入中性区(3)，选相分闸操作完成；

合闸操作过程：

车载位置感应器监测到二号地面位置传感器(22)时，发送信号给主控模块(28)；主控模块(28)接收到该信号后随即进行分闸指令的前期信息采集，即主控模块(28)向车载的B相电压电流采集模块(25)发出采集牵引电压的指令，采集到的电压信号经滤波处理和AD转换，再通过无线通讯的方式传给选相控制系统的主控模块(28)；主控模块(28)在接收该信号后，通过判断电压的正负分析出下半周期可导通的晶体管是正向晶体管还是反向晶体管，并且经过处理，得出满足相位条件的合闸延时时间并发出合闸指令驱动GTO双向开关模块(29)动作；GTO双向开关模块(29)在接收合闸指令后经过延时时间后由驱动电路给与可导通的晶体管触发脉冲，即下一个牵引电压过零点，该晶体管门级的电压为正且收到了触发脉冲，所以该晶体管导通，从而使电力机车与B相供电臂(6)形成电气连接，电力机车正常向供电臂取电，选相合闸操作完成。

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