第３２卷第４期 ２Ｏ１２年８月 铁道机车车辆 ＲＡＩＬＷＡＹ ＬＯＣＯＭＯＴＩＶＥ＆ＣＡＲ Ｖｏｌ＿３２ Ｎｏ．４ Ａｕｇ． ２０ｌ２ 文章编号：１００８—７８４２（２０１２）Ｏ４一Ｏ１２Ｏ一０７ 亟 地面自动过分相系统应用于重载列车的研究 马浩宇，郑琼林，冉旺 （北京交通大学 电气工程学院，北京１０００４４） 摘要 比较了常见的３种自动过分相方式，在此基础上提出了利用晶闸管代替真空负荷开关作为开关器件的地 面自动过分相系统。为验证新型地面自动过分相系统的正确性，搭建了地面自动过分相系统以及电力机车的仿真 模型。对电力机车通过分相区的暂态瞬间进行仿真，得出合理的晶闸管开关切换时间。 关键词 自动过分相；ＨＸ。３型电力机车；Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真 中图分类号：Ｕ２２３．６ 文献标志码：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００８ ７８４２．２０１２．０４．３１ 电气化铁路在我国铁路中所占的比例逐步增大。目 前常用的１２１动过分相方式中，车载自动过分相和柱上开 关自动过分相不适合陡坡、重载铁路的要求，在重载、长 大坡道的情况下容易发生停车事故。而现有的地面自动 开关过分相系统中开关器件普遍为真空负荷开关，由于 机车断电后存在残压，合闸时会产生较大的过电压和过 Ｕｓ＝＝＝ ｂ＋（ｊｗＬｓ－＋－Ｒｓ）Ｊ 根据文献［３１可知，四象限整流器交流侧电感为 ｒ △ Ｕ三 ｄ ≤Ｌ。≤ Ｉ ～。、 叫 Ｃ ２５ ｋＶ 电流。特别是重载列车，由于电流较大，如果过分相时发 生冲击，会造成比普通列车更大的危害。所以本文提出 一种用晶闸管代替真空负荷开关的地面自动过分相方 案，目的在于降低开关切换时的过电压和过电流。 ｌ 交流电力机车建模 现有的文献中，大多将地面１２１动过分相系统中的机 车等效成一个阻感负载，这样做简化了仿真模型，但可 能会和真实情况有所差别。本文将单独搭建交流电力 机车的模型，以求真实反映在机车过分相过程中的各个 暂态过程，并讨论在列车通过分相区的过程中，机车四 象限整流器的各种暂态过程。以ＨＸ。３型交流电力机 车为参考，搭建并仿真交流电力机车的模型。 冈ｌ为ＨＸ ３型交流电力机车交一直一交系统主 电路的原理图。在地面过分相系统的仿真与分析中，电 力机车对外表现的特性主要是主变压器和四象限整流 器的特性。为减小系统的复杂性，可以将牵引电传动系 统和辅助电气系统的模型进行简化，用可控电流源代替 中间直流环节以后的部分。 表２ Ｉ－ＩＸｏ３型交流电力机车交一直一交系统四象限 整流器主要参数 图１ Ｉ－ＩＸｏ３型交流电力机车交一直一交系统 主电路原理图 表１ Ｉ－ＩＸｎ３型交流电力机车主变压器参数 根据文献［２３中提供的资料，ＨＸ。３型交流电力机 车主变压器、四象限整流器的参数如表１、表２所示。 四象限整流器简化后的原理图如图２所示，对于电 网的基波电压和基波电流，有： 码浩宇（１ ９８８）男（回族），昌吉人，硕士研究生（收稿日期：２０１２－－０１—１７） 第４期 地面自动过分相系统应用于重载列车的研究 １２１ 四象限整流器交流侧电感为１．５ ｍＨ，直流侧支撑电容 为９ ｍＦ，直流侧等效电流源为５００ Ａ；辅助电气系统四 象限整流器交流侧电感为０．７ ｍＨ，直流侧支撑电容为 ３ １ １ ３ ３ ｌ １ ２６ ｍＦ，直流侧等效电流源为４０４ Ａ。 四象限整流器采用瞬态电流控制，控制模块模型如 图２ 四象限整流器简化后的原理图 咖 ㈣ 啪咖 咖 图３所示。 直流侧支撑电容为 Ｃｄ≥ ｒｖＵｊ 图４为牵引电传动系统仿真波形图，从上往下依 次是四象限整流器交流侧电压、交流侧电流和直流侧电 压。图中可以看出，由于有预充电电阻，启动时交流侧 电流没有太大波动，直流侧电压平稳上升，且迅速稳定 根据以上公式及参数，可计算得到牵引电传动系统 图３ 四象限整流器瞬态电流控制系统模型图 ７、¨ ／ｆ＼／、ｎ＼ 厂、 ＼ 一１／ １／ ～Ｗ＼／ Ｕ Ｖ ＾ ‘一 １） ｆ＼ 厂 ． ．．， ＼ 脚 时间／ｓ 图４ Ｈｘ。３型交流电力机车牵引系统仿真波形图 ５０ ０００ ３０ ０００ ＞ 苗１０ ０００ 脚一１０ ０００ ３０ ０００ ５０ ０００ －１５０ ＼ 煺 八 ．八 八Ａ 八． 八 八辛 ｌ２２ 铁道机车车辆 第３２卷 在２ ８００ Ｖ。辅助电气系统与牵引电传动系统类似，在 此不作赘述。图５为ＨＸ。３型电力机车整体仿真波形 图，从上往下依次是机车主变压器一次侧电压、电流，从 图中可以看出，机车启动后，电流波形稳定。图６为机 车起动以及额定工况运行时的功率因数，可以看出除起 动过程外，机车功率因数接近１。所以搭建的电力机车 模型基本符合真实情况。 触网对大地的等效电容；Ｋ 和Ｋ 分别为代替真空负 荷开关的两个晶闸管开关模型；ＣＧ 、ＣＧｚ、ＣＧ３、ＣＧ 为 机车位置传感器；模型上部的矩形框为过分相系统的控 制模块；下部为ＨＸ。３型交流电力机车模型。 过分相模型基本原理如下：在０．３ Ｓ之前，机车模型 通过接触器与ａ相接触网相连，ａ相接触网给机车供电， 此时晶闸管开关 闭合，中性段由ａ相接触网供电；在 ０．３ ｓ时，第１个接触器断开，第２个接触器闭合，模拟机 车运行至中性段，此时是ａ相通过中性段向机车供电；在 ０．３ Ｓ之后的某个时问，过分相控制系统断开晶闸管开关 Ｋ 、闭合晶闸管开关Ｋ ，完成两相电网的切换，此时ｂ相 通过中性段向机车供电；在２ Ｓ时，第２个接触器断开，第 ３个接触器闭合，模拟机车驶离中性段。 参照文献［４］的计算方法，中性线、接触网以及牵引 时间／ｓ 变压器各项参数计算如下： 表３各项参数计算 中性线对 大地电容 Ｃｓ一——— —一一２．３×１０ （Ｆ／ｍ） １．８１ｎ ×１ ０ 川 图６ Ｉ－ＩＸ。３型电力机车起动与额定工况 运行时的功率因数波形图 ２过分相系统分相区的接触网建模 图７和图８分别为地面过分相系统的原理图和仿 真模型。模型包含中性段与接触网等效电路、晶闸管模 型、过分相控制系统以及ＨＸ。３型电力机车模型。其 中，左边和右边的电压源Ｕ 、Ｕ 以及Ｒ。、Ｌ 为接触网 变电所的等效模型，Ｌ， 、Ｕ 互差一定的电角度，Ｒ 、Ｌ 中性 电感 ，巫Ｙ－ｃｑ＋ ｌ８（ｎ Ｌ ２一 ～ Ｒ ２一 ２ 一１．１４６×１ｏ （Ｈ） 一 －ｏ－１７９ Ｘ ０．２—０．０３５ ｓ ｃｎ 为变压器的等效阻抗；Ｚ 和ｚ 分别为两段接触网简化 后的等效阻抗，接触网长２５ ｋｍ；Ｃ 、Ｃ 分别为两段接 接触 电感 ．一 ｓ ＋ －＝。．ｚ Ｑ ｍ， Ｌ生 ２Ⅱ ｚ一～ 一ｏ’ ‘。ｏ１９ ３５（Ｈ） … ．触网与分相区中性段之间的电容；Ｚ 、Ｚ 分别为中 性段等效阻抗的一半，中性段长２００ｍ；Ｃ为中性段接 Ｋａ Ｋｂ 一６．１７９ Ｘ ２５—４．４７５（，ｔ１） × ％一 一３．９７０ ｓ ｃｎ 鬻 器电感 图７地面过分相简化后的原理图 器电阻 … ２Ⅱｌ厂 ２一 × ５０ 一０．０１２ｓ…… ， Ｒｓ一 １ ０００Ｓ ；＿ １ ０００ ２０ 一０．２４９ｓ ｃｎ × … 图８地面过分相仿真模型图 第４期 地面自动过分相系统应用于重载列车的研究 １２３ ３机车通过分相区暂态瞬间仿真 ３．１ 开关分断过程仿真 晶闸管做另外的控制，只用在需要关断的时刻停止晶闸 管的触发脉冲，到下一个电流过零的时刻，晶闸管会自 行关断，不会产生真空负荷开关关断时产生的过电压。 图９为普通开关作为分断器件的关断暂态过程，图 中从上往下依次为电压和电流，从图中可以看到，普通开 关关断时，由于电压电流不为零，电压出现很大的波动。 对于使用真空负荷开关作为开关器件的地面过分 相系统，突然关断真空负荷开关，将会发生类似于切除 空载变压器的暂态过程。电流的切断过程中，ｄｉ／ｄｔ很 大，很容易产生截流过电压。 要想减少截流过电压，就要尽量在电流过零点分断 电流，用晶闸管代替真空负荷开关是最理想的方法。晶 闸管的一个特性就是电流减小到维持电流以下时，晶闸 管关断，并且关断时不会产生任何截流过电压。以此来 图１Ｏ为用过零开关作为分断器件的关断暂态过 程，用以模拟真空负荷开关。从图中可以看出当开关关 断后，会有很长的振荡过程，如果在振荡未结束的时候 合闸，将会产生很大的过电压和过电流。 图１１为用品闸管作为分断器件的关断暂态过程， ● Ｉ Ｉ ｛ ｌ看，晶闸管是地面过分相系统理想的开关器件，不用对 ４０ ０００ ２０ ０００ ＞ 苗０ ２０ ０００ ４０ ０００ １５０ 山 一．．一． ‘ｈ ＾一一 一…一，—、 ｌ『Ｉ ｌ … 一一 １００ ≤ 煺５０ ０ ５０ １００ ｌ５０ 图９普通开关关断过程 ＼ 图１０过零开关关断过程 １５０ １００ ＼ ５０ ０ －煺 脚 ５０ １００ １５０ Ｏ 图儿 晶闸管关断过程 １２４ 铁道机车车辆 第３２卷 从图中可以看出，在电流小于维持电流后，晶闸管自然 关断，不会产生截流过电压。对比３个图可以得出结 优于其他两种。 ３．２开关导通过程仿真 产生振荡。响应为５０ Ｈｚ的稳态量和大于５０ Ｈｚ的暂 态量的叠加，当稳态量和暂态量同相时，就会产生合闸 净＼出脚卅 ＼ 脚 ０ 过电压。 论，在关断瞬间的暂态过程，用晶闸管作为开关器件要 净＼幽脚罂 导 从合闸过电压的产生机理看，减少合闸过电压的关 键就是减小晶闸管开关Ｋ 导通瞬间中性段和ｂ相电 压的瞬态压差。在本文中，采用的方法是实时检测中性 在晶闸管开关Ｋ 关断后，ａ相停止对中性段供电， 机车此时处于断电状态。在无电状态下，辅助电气系统 的异步电动机与变压器二次侧绕组仍然构成回路，有的 段和ｂ相的电压值，当过分相系统发出导通指令后，并 不立即触发晶闸管开关Ｋ ，而是等到中性段的电压和 异步电动机处于发电机状态，会在主变压器一次侧耦合 ｂ相的电压之差小于一个给定的阈值后，再触发晶闸管 开关Ｋ 导通，以此减小中性段和ｂ相的瞬态压差。 出一个电压，使中性段产生残压。如果此时晶闸管开关 Ｋ 导通，中性段残压会和后一相接触网的电压叠加并 牵引变电所的牵引变压器有不同的结线形式，对应 ｌ５０ １ＯＯ ＼ 煺 卅 毫 ５０ ０ ５Ｏ １００ １５Ｏ 图１２ ｂ相电压滞后ａ相６０。时过分相系统换相过程 １５Ｏ 《ｌＯＯ 器 ： 婪 －５： １５Ｏ 图１３ ｂ相电压超前ａ相６０。时过分相系统换相过程 第４期 地面自动过分相系统应用于重载列车的研究 ｌ２５ 分相区两边接触网不同的相位差。比如三相ＹＮ，ｄ１１ 结线的牵引变电所，分相区两边接触网的相位差为 波形和ｂ相电压波形，第２、３行分别为机车的电压和电 流波形（下同）。从图中可以看出，中性段电压由ａ相切 ＼幽 罂 换到ｂ相，平滑过渡，没有出现过电压，切换后的下一个 周波，电流有微小的过冲，断电时间为４３．３ ｍｓ。 ６Ｏ。，而斯科特结线的牵引变电所，分相区两边接触网的 相位差为９Ｏ。。 （１）ｂ相电压滞后ａ相６Ｏ。 如果Ｋ 关断后，在中性段电压与ｂ相电压差值满足 条件的时刻立即导通Ｋ ，实际应用中有可能会出现Ｋ 没有关断而Ｋ 导通的情况，引发相间短路，所以电压差 满足条件后，延迟导通Ｋ 。图１２为滞后６Ｏ。时换相过程 （２）ｂ相超前ａ相６０。 图１３为超前６Ｏ。时延迟一个周波触发的仿真波形 图。从图中可以看到，此时断电时间为３６．７ ｍｓ，且没 有出现较大的过电流。 （３）ｂ相滞后、超前ａ相９Ｏ。 此种情况与前两种情况相同，在此不作赘述，只给 的波形图。在中性段电压与ｂ相电压的差值小于５００ Ｖ 后，延时触发晶闸管开关Ｋ 。图中第１行为中性段电压 出仿真波形图。 １５ｏ 《ｌＯＯ 器 ： 奘 －５ １５ｏ Ｏ 图１４ ｂ相电压滞后ａ相９Ｏ。时过分相系统换相过程 １５Ｏ ｌＯＯ ＼ 耀 锄 讲 舞 ５０ ９ ５０ ｌＯＯ １５Ｏ 图１５ ｂ相电压超前ａ相９０。时过分相系统换相过程 １ ２６ 铁道机车车辆 第３２卷 ４ 结束语 ［２］ 张曙光．ＨＸ。３型电力机车［Ｍ］．北京，中国铁道出版社，２０Ｏ９． 综上所述，在过分相系统换相的暂态过程中，晶闸 管开关的关断不需要特别的控制，在停止晶闸管开关的 触发脉冲后的下一个电流过零点，晶闸管会自行关断， 且 会出现过电压。晶闸管导通的条件是中性段电压 ［３］ 唐丽丽，郑琼林．单相ＰＷＭ整流器主电路参数选择探讨 ［Ｊ］．北方交通大学学报，２０００，２４（４）：９８—１０２． Ｅ４］ 潘卫国．电气化铁道牵引网地面开关式自动过分相装置 与ｂ相电压之差满足阈值，且经过一个周波左右的延 时。根据仿真结果可知，利用品闸管代替真空负荷开关 暂态过程分析［Ｄ］．成都：西南交通大学，２００８． 谢［５］ 罗文骥，冰．电气化铁道地面带电自动过分相系统技 术的研究与应用［Ｊ］．铁道机车车辆，２００８，２８（ｓ）：２７—３３． ［６］ Ｈａｎ Ｚｈｅｎｇｑｉｎｇ，Ｌｉｕ Ｓｈｕｐｉｎｇ，Ｇａｏ Ｓｈｉｂｉｎ．Ａｎ Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｃｈｉｎａ Ｈｉｇｈ——ｓｐｅｅｄ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｕｎｉｔ Ｔｒａｉｎ Ｒｕｎ— 后，在地面自动过分相系统换相瞬间，不会出现严重的 过电压与过电流，达到了消除过电压与过电流的目的， 克服了地面自动过分相的缺点，避免经常更换分断器 件，提高了系统的稳定性。 参考文献 ［１］严云升．电力机车自动过分相方案的探讨ＥＪ］．机车电传 动，ｌ９９９，（６）：１ ３，７． ｎｉｎｇ Ｔｈｒｏｕｇｈ Ｎｅｕｔｒａｌ Ｓｅｃｔｉｏｎ ｗｉｔｈ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｌｏａｄ［Ｊ］． Ｐｏｗｅｒ ａｎｄ Ｅｎｅｒｇｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ（ＡＰＰＥＥＣ）， ２Ｏ１０ Ａｓｉａ Ｐａｃｉｆｉｃ，２Ｏ１０：１ ３． Ｅ７］ 董昭德．接触网［Ｍ］．北京，中国铁道出版社，２０１０． Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｎｅｕｔｒａｌ—ｓｅｃｔｉｏｎ Ｐａｓｓｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ Ｈｅａｖｙ Ｈａｕｌ Ｔｒａｉｎ ＭＡ Ｈａｏ ｙｕ，ＺＨＥＮＧ Ｑｌｏｎｇ—ｌｉｎ，ＲＡＮ Ｗａｎｇ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｊｉａｏ Ｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００４４，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ａ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ｔｈｒｅｅ ｋｉｎｄｓ ｏｆ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｎｅｕｔｒａｌ—ｓｅｃｔｉｏｎ ｐａｓｓｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｉｓ ｐａｓｓａｇｅ ｐｒｏｐｏｓｅｓ ａ ｎｅｗ ｓｙｓｔｅｍ ｗｈｉｃｈ ｕｓｅｓ ｔｈｅ ｔｈｙｒｉｓｔｏｒ ｔｏ ｒｅｐｌａｃｅ ｔｈｅ ｖａｃｕｕｍ ｌｏａｄ ｓｗｉｔｃｈ．Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｓｓａｇｅ，ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｌｏｃｏｍｏｔｉｖｅ ａｎｄ ｇｒｏｕｎｄ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｃｏｎ— ｖｅＴｌ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｂｕｉｌｔ ａｎｄ ｔｈｅ ｐａｓｓｉｎｇ ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｏ１ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｌｏｃｏｍｏｔｉｖｅ ｉｓ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｐａｓｓａｇｅ ｏｂｔａｉｎｓ ｔｈｅ ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｔｉｍｅ Ｏｆ ｔｈｙｒｉｓｔｏｒ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｎｅｕｔｒａｌ ｓｅｃｔｉｏｎ ｐａｓｓｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ；ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｌｏｃｏｍｏｔｉｖｅ ｏｆ ＨＸＤ ３；Ｓｉｎｍｌｉｋ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｛ 专 葛 主 苕 苕 主 三 芬 葛 寥 葛 暑 （卜‘接第１１４页） Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｏｆ Ｔｒａｃｋｓｉｄｅ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ ＷＡＮＧ Ｄｅ—ｍｉｎｇ ，ＸＩＡ０ Ｊｉｎｇ—ｂｏ （１ Ｖｅｈｉｃｌｅ Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｓｈｅｎｙａｎｇ Ｒａｉｌｗａｙ Ｂｕｒｅａｕ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ １ １ ０００ ｌ Ｉ ｉａｏｎｉｎｇ，Ｃｈｉｎａ： ２ Ｖｅｈｉｃｌｅｓ Ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｓｈｅｎｙａｎｇ Ｒａｉｌｗａｙ Ｂｕｒｅａｕ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ ｌ１０００１ Ｌｉａｏｎｉｎｇ，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ａｒｔｉｃｌｅ ｄｅｓｃｒｉｂｅｓ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄｓ，ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ ｏｆ ｓａｆｅｔｙ ｔｅｓｔｉｎｇ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｏｆ Ｃｈｉｎａ’Ｓ ｒａｉｌ ｖｅｈｉｃｌｅ ｓｅｃｔｏｒ，ａｎｄ ｇｉｖｅｓ ｔｈｅ ａｃｔｕｒａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ｅｎｈａｎｃｅ ｔｈｅ ｕｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｋｅｙ ｆａｃｔｏｒｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｒｏｌｌｅｒ ｈｅａｒｉｎｇ；ｅａｒｌｙ ｍａｌｆｕｎｃｔｉｏｎ；ａｃｏｕｓｔｉｃ ｄｉａｇｎｏｓｅｓ；ａｄｍｉｎｉｓｔｅｒ ａｎｄ ａｐｐｌｙ
