（电力系统及其自动化专业论文）电力机车自动过接触网相分段技术的研究及实现.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t t h e r eisac r o s sp o in tb e t w e e nd i f f e r e n tp h a s e si na c c a t e n a t ie sa n dw es e tp h a s es p l i t t i n gd e v ic ei no r d e rt oa v e i d s h o r t c i r c u i ta c c i d e n t sw h e n p a n t o g r a p hs l i p a n ds h o r t d i f f e r e n tp h a s e s u s u a l l y ，w ec a l lp h a s es p l i t t i n ga sp h a s e i n s u l a t o r w h ic his c o l n p o s e d o f t w o g l a s s f i b e rr e in f o r c e d p 1 a s t i e t h es e c t io nw i t h o u tp o w e rb e t w e e nt h et w oin s u l a t o r s isc a l le dn e u t r a ls e c t i o n t h es y m b o ls w h ic ha r em a r k e dw i t h o p e n i n g ，c l o s i n ga n df o r b i d d i n gr is i n gt w op a n t o g r a p h s ，a r e l o c a t e da tt h ee n d so ft h ep h a s es p l i t t e r a n dt h e s es y m b 0 1s p r o m p td r i v e r st ot r i pt h el i n ec i r c u i t - b r e a k e r ，a n dr is eo r l o w e rp a n t o g r a p hw h e na ne 1e c t r icl o c o m o ti v ep a s s e st h ep h a s e s p l i t t in g i t n o t o n l y b o t h e r sd r i v e rsb u ta ls oi n c r e a s e s u n s a f ef a c t o r si fd r i v e r so p e r a t eu n s e a s o n a b l yo rin c o r r e c t l y b e c a u s et h es e r i e so fs t e p sm u s tb ef i n is b e di nas h o r tt i m e a tt h es a m et i m e ，w h e nt h em o t o ris r u n n i n ga t a s t e e ps l o p e ， i tw i l ll o s sag r e a tm u c ho fv e l o c i t y ，a n dp e o p l ei nt h et r a i n w i l l f e e lu n c o m f o r t a b l e ，s oe c or l o m i cp r o f i tw i l lb ea f f e c t e d a tt h iss i t u a t i o n s e v e r a lo fa u t o m a t i c p a s s i n g p h a s e s p l i t t i n gd e v i c e sa r ec o m ein t o b e i n g f i r s t l y ，t h ep a p e rs t u d ie sak i n da u t o m a t i ep a s s i n gp h a s e s p l i t t i n g d e v i c et h a tu s e st h em o d eo f c o m b i n i n g t h e c o n t r o l l i n go nth ee a r t ha n ds w i t c h i n gb r e a k e ro nt h ew i r ep o l e ， a n du t i l iz e st h et e c h n 0 1 0 9 yo fc l os in gt h eb r e a k e ra tt h ed o i n t o fv 0 1 t a g ew a y ec r o s s i n g ；e r ot or e s t r a i nt h eo v e r - v o l t a g ea n d o v e r c u r r e n t t h es e n s o r s y s t e i i lm a k e s u s eo fm ic r o w a v e c o m m u n ic a t i o nte c h n 0 1 0 9 y a n dt h e r eh a v et w os u i t s s y s t e m o n e ism o s ta n d t h eo t h e ris s p a r e t h ism e t h o dd e c r e a s e sf a u l t s a n dw r o n g l y r e p o r tr a t e a tt h es a m e t i m e ，w h e nt h es v s t e i l lis f u n d i n gw r o n g ly ，t h em o d eo fa u t o m a t i cp a s s i n gp h a s es p l i t t i n g w i l lb et r a n s f e r r e dt oo n em a n u a l p a s s i n gp h a s es p l i t t i n gb y 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i i 页 s w i t c h i n g s e v e r a lis o l a t i n gs w i t c h e sa n d p o w e r i n gt h el e d s y m b 0 1 s e c o n d l y ，t h ep a p e ra l s od is c u s s e sp r i t i c i p le so fo c c l j r r i n g o v e r v o l t a g e a n do v e f c u r r er l ta t ；d e t a i1s b ye l i i l i l a t i r i g a n d c o m p u t i n g ，t h ep a p e rp u t sf o r a r dt h ei l l e t h o do fr e s t f a i n i n g t h e o v e f v 0 1 t a g e a n do v e r - c l l r r e n ta tl a s t t h i r d ly ，a c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p leo fc o n t r o la n dp r o t e c t t h e p a p e rp r o g r a m st h e c o n t r 0 1 1 i n gs y s t e mw i t h t h e m u l t i f u n c t i o ne 1e c t r o n ic d e v ic e ( d 2 5 ) a n di t s p r o g r a m m i n g s o f t w a r e ( c o n f i gp r o ) a t 1 a s t ，t h ep a p e ra r i a l y z e s o r l t h e s p o ts u f v e yw a v ea n d d a t a ，a n dd r a w st h ec o n c l u s i o nt h a tt h i sa u t o m a t ic p a ss ir i g p h a s e s p l i t t i n gd e v ic e ise c o n o m i c a l ，s i m p l e ，r e l i a b lea n d a p p lic a b l e i ( e y w o r d s ：a u t o m a t ic p a s s i n gp h a s e i n s u l a t o r ：o v e r v o l t a g e o v e r c , l l r r e r l t ：z e r o v o l t a g ec l o s i n gc o n t r 0 1 一一 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 1 1问题的提出 第1 章绪论 电气化铁道接触网采用单相供电，而电力系统则是三相供电系 统。为了使电气化铁道从电力系统三相电网取流基本对称，电气化 铁道采用了分相分段取流的方法，国内接触网上每隔2 0 2 5 k m 就有 一长约3 0 m 的电分相区“1 。随着高速铁路的发展，列车通过相分段 的时间越来越短。例如由b t 供电，供电臂长2 0 k m ，车速为1 6 0 k m h 时，每7 5 m i n 就要通过一个相分段：由a t 供电，供电臂长4 0 k m ， 车速为3 0 0 k m h 时，也每8 m in 就要通过一个相分段。 传统的电力机车过分相技术是车上手动切换，即为了避免拖带 电弧损坏供电设备，电力机车通过分相区时，司机必须按照线路上 设置的断合标志进行操作。接近分相区时，先将机车操纵手柄回零， 也称降流过程，再断开主断路器，通过分相区后，再以相反的顺序 操作。这样受电弓是在无电流情况下进出分相区的，从而保证了受 电弓和接触网的寿命。但这种手动操作通过分相区的主要问题是：一 方面影响了行车速度，另一方面不仅耗费司机精力，增加劳动强度， 而且过多地分散了司机行车的注意力，行车安全完全依赖于机车司 机的注意力和技术水平，没有技术设备保障，对行车安全极为不利， 稍有疏忽操作不当或了望不及就会拉电弧烧损分相绝缘器甚至造成 断线，直接危及设备及行车安全。对高坡重载区段，手动过分相会 引起列车大幅降速，延长咽喉区段的运行时间，降低线路运营能力。 因此，传统的手动切换方式己无法适应我国电气化铁路的发展，尤 其无法满足高速电气化铁路的需要所以发展自动过分相技术势在 必行。 1 2国内外研究现状 我国自八十年代就开始研究相分段自动切换装置，由于受当时 设备功能的限制，直到1 9 9 4 年底，才在咸阳西建成第一套实用型相 分段地面开关自动切换装置，次年开始运行试验。1 9 9 8 年1 1 月我国 第一个相分段自动切换所在宝成线观音山站建成并投入正式运行。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 随后兰州铁路局选择瑞士a f 公司的思路，进行了柱上开关自动切换 装置的研究和改进，取得了实质性的进展。2 0 0 1 年，广铁集团公司 在广深准高速铁路建设中，整区段采用了车上自动切换方式。 目前，世界上的自动过分相技术可分为车上方式和地面方式两 种，自动过分相装置主要有以下几种”“”1 ： 1 ) 以日立公司为代表的地面开关自动切换型。 2 ) 以瑞士a f 公司为代表的柱上开关自动切换方案。 3 ) 以香港和我国广深线使用的车上自动断载为代表的方案。 l 、地面开关自动切换方案 这种方案以日本为代表，解决了新干线上高速列车自动过分相 的难题。这种方案的工作原理见图卜1 。在接触网分相处嵌入一个中 性段，其两端分别由绝缘器j y l 、j y 2 实现接触网绝缘。2 台真空负 荷开关q f l 、q f 2 分别跨接在j y l 、j y 2 上，在线路边设置4 台机车 位置传感器c g l c g 4 。无车通过时，2 台真空负荷开关均断开，中 性段无电。当机车从a 相驶来达到c g l 处时，真空负荷开关q f l 闭 合，中性段接触网由a 相供电。待机车进入中性段到c g 3 处时，q f l 分断，q f 2 随即迅速闭合，完成中性段的换向过程。由于此时中性段 已由b 相供电，机车可以在不用任何附加操纵、负荷基本不变的条 件下通过相分段。待机车驶离c g 4 处后，q f 2 分断、装置恢复到没有 列车状态。反向来车时，由控制系统自动识别，控制2 台真空负荷 开关以相反顺序轮流闭合，采用这种方法过分相，断电时间约为 0 15 s 。 这种方案的优点是： 接触网无供电死区，无须司机操作，机车上主断路器无须动作， 自动换相时接触网中性段瞬间断电时间很短，且此时间与行车速度 无关，可适用于o 3 5 0 k m h 速度范围，对行车中可能出现的限速、 一度停车等情况均能正常工作。 这种方案的缺点是： ( 1 ) 真空负荷开关带负荷分断，因而必须考虑在线备份及检修备 份。 ( 2 ) 中性段的长度难于确定。对于只有1 个受电弓的列车或是双 机重联、2 台机车紧靠的列车，中性段的长度可以按双机长度来确定。 对于双机重联，机车分布在首尾的列车或是多弓动力分散型列车， 西南交通大学硕士研究生学位论文 第3 页 中藤压i 矛污恽雨西磊百丽酉丽孬五丽两再丽中性段要按整个列车长度来考虑。中性段的长度必绶弓愿卒区段匹 行模式的多样性， ( 3 ) 过分相区后合闸时的电流冲击比较大，如果机车上不采取措 施限制合闸冲击电流，有可能造成电机环火，同时列车冲动也使乘 客难于忍受。解决合闸时的电流冲击，可在机车上采取措施，即机 车上检测到连续6 0 m s 无网压时，把司机给定拉回到0 ，延时0 5 s ， 然后再重新启动机车。司机给定由0 到最高值约延时6 s 。 ( 4 ) 投资巨大，要建分区所，需要有一批管理和操作维护人员， 而且后续的管理维护费用相对也较大。 q f lo f 2 j y lj y 2 a 相 ， b 相 白蚍段， c g lc g 2c g 3c g 4 图卜1 地面自动切换型原理图 2 、柱上开关自动切换方案 这种方案以瑞士a f 公司为代表。其工作原理见图卜2 。a 、b 两 组真空断路器在正常状态下均处于分断位置。当电力机车运行至a b 之间时，a 组开关装置线圈有电流通过，磁铁吸合，真空断路器在 l m s 时间内闭合使c d 段有电。当电力机车运行至c d 之间时，a 组开关的线圈中无电流通过，磁铁释放，1 5 m s 时间内a 组真空断路 器断开，使d e f g 为无电区，机车惰行。当电力机车运行至g h 之间时，b 组开关装置线圈有电流通过，同理b 组真空断路器闭合： 当机车驶离i 点后，b 组开关线圈失电使b 组开关断开，但此时该开 关不起分断电流作用。这样a 、b 两组开关回到初始状态。 这种方案的优点是： 比第1 种方案来得简单，无须设立分区所，相应投资要少些， 西南交通大学硕士研究生学位论文 第4 页 供电死区( d e f g 或c d e f ) 比现有的分相区来得短，无需 司机操作，机车上的主断路器不需分断。 这种方案的缺点是： ( 1 ) 真空断路器带负荷分断，需要经常维护，由于是柱式安装， 难于实现备份。 ( 2 ) 该方案运行的可靠性与机车通过分相区时的速度有关，即通 过速度必须在一定范围内。如果机车速度太低，机车尚未到达d 点 就过早地断电，靠惯性闯过供电死区时的速度损失很大，严重时甚 至接近停车：如果机车速度太高，机车通过a c 段的时间太短，a 组 开关线圈得电时间太短，导致a 组开关不能正常闭合。所以这种方 案难于适应临时限速、一度停车等特殊情况。 ( 3 ) 过分相后机车电流有很大的冲击，造成机车主断路器跳闸， 如果机车上未采取措施，势必造成机车冲动，使乘客感到不舒适。 这点与第l 方案类似。 ( 4 ) 试验中发现在靠近分相两端产生了一些明显的电弧。这主要 是机车进入分相区c 段时，由于真空断路器线圈的接入，引起加到 机车上的网压突降，产生了电弧。这是本方案不可克服的弊病。 ( 5 ) 分相区中接触网分段比较多，接触网结构复杂。 ( 6 ) 当机车向一个方向行驶时，a 、b 两组开关中只有一组开关动 作是必要的，另一组开关动作是多余的。 ( 7 ) 难于适应多弓运行的列车，一列车过分相会造成真空断路器 多次动作，且与弓的位置有关。 ( 8 ) 存在着一定长度的供电死区，因而断电时间比第1 种方案长， 且与速度有关。这种方案由于其本身的缺陷，特别是难于适应不同 的通过速度，再加上对过分相后的电流冲击未采取相应措施，因而 未能实际投入使用。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第5 页 图卜2 柱上开关切换型原理图 3 、车上自动控制断电方案 该方案的工作原理是在离分相区两端约6 0 m 处的线路上，左、 右各埋设l 块磁铁，一个分相区需要4 块磁铁。机车头部靠近铁轨 处左右各设一个感应器，当机车通过磁铁时，感应器就接收到信号， 再由感应器向机车微机控制系统发送l l0 v 电平的预告信号。当机车 得到过分相预告信号后，首先进行确认，然后封锁触发脉冲，延时 断开主断路器，使机车惰行通过无电区。在通过无电区后，由机车 自动检测网压从无到有的跳变并确认，再合主断路器，顺序启动辅 机，然后限制电流上升率，启动机车。该方案中，除分相预告信号 与地面设施有关外，其余一切操作都由机车自动完成，无需人工干 预。广深线全线都采用这一方案自动过分相。 该方案的优点是： ( 1 ) 投资低，仅需解决过分相的预告信号问题。 ( 2 ) 过分相区后能自动控制电流上升率，不会有冲击电流，对列 车造成的冲动也比较小，提高了乘客的舒适度。 ( 3 ) 过分相的自动控制与列车速度无关，可适应低速、常速、准 高速和高速的要求。 该方案的缺点是： 机车上有一段时间是断电的，且断电时间比第l 方案长，而断 电时间的长短与通过速度有关，无法适应各种速度的机车通过分相 区。机车过完分相、主断路器合后的情况，不论采用哪一方案都是 相同的。电机电流上升到额定电流约需4 s 。 相对于4 s 而言，第3 方案比第l 方案断电时间长的缺点，在高 速时影响甚微，而在低速时影响比较明显。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 1 。3 本文研究的主要内容、目标与方法 首先，针对接触网传统和既有电分相存在的技术缺陷，作者参与 设计了一套具有“无失压、过电压低”等特点的自动过分楣装置， 这套装置采用柱上开关和地面装置相结合的方式，使用开关零电压 合闸控制投切技术，克服了拉弧烧线、失压损速、高过电压烧设备 等综合技术缺陷。 其次，论文指出在整个自动过分相过程中，能否有效的抑制住 过电压和涌流，关系到整个系统的成败，并在第3 章详细地分析了 自动过分相过程中过电压和涌流产生的机理，然后在 m a t l a b s i m u l i n k 仿真计算和真空断路器模拟试验的基础上，提出了 系统抑制过电压和涌流的措施。 然后，根据系统的控制要求和保护原理，使用g eh a r r is 的多 功能电子设备d 2 5 及其编程软件c o n f l 6p r o 进行了控制系统设计。 最后，作者在电气化铁道j ij 黔线凉风垭至新场段进行了现场试 验，采集了电力机车自动过分相时机车上和接触网一次侧的电压和 电流波形，并在论文最后对实录波形进行了分析。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第7 页 第2 章自动过分相方案设计 2 1 系统构成 自动过分相系统由机车自动检测系统、地面控制系统、柱上开 关系统、恢复人工过分相系统和接触网系统组成。 自动过分相系统结构图见附录1 。 第一部分为机车自动检测系统，由传感器s s l s s 3 及相应的数 据采集、逻辑控制装置组成。传感器( 微波天线) 埋设于轨道间， 具有微波发射和接收功能，在每台电力机车底部均装设有两个标志 牌，当有电力机车通过时，标志牌接收到传感器信号后反射给传感 器，经数据采集装置处理后，发给逻辑控制装置，由其判断电力机 车的位置和列车运行方向并将相应控制信号传送给控制系统。 第二部分为地面控制系统，由控制电源、控制微机系统、户外 柜体组成。控制系统主要完成对真空断路器( q f l 、q f 2 、q f 3 ) 、电 动隔离开关( q s 4 、q s 5 ) 、机车检测信号( g 1 、g 2 、g 3 、g 4 ) 、恢复 人工过分相断合标志( l e d l 、l e d 2 、l e d 3 、l e d 4 ) 等开关量信号采 集、控制以及对电压互感器( p t l 、p t 2 、p t 3 ) 、电流互感器( t a l 、 t a 2 ) 等模拟量的数据采集，并根据机车位置和运行方向进行开关投 切操作，并在系统故障时进行恢复人工过分相的自动切换和保护跳 闸。电源系统负责整个系统的供电，其两路电源分别取至2 7 5 k v 和 1 0 k v 电源系统，电源柜具有双电源切换、稳压、隔离、防雷和滤波 功能，为整个系统提供可靠、优质的电源环境。 第三部分为柱上开关，由真空断路器( q f l 、q f 2 、q f 3 ) 及相应 的电流互感器( t a l 、t a 2 ) 、电压互感器( p t l 、p t 2 、p t 3 ) 、手动隔 离开关( q s l 、q s 2 、q s 3 ) 组成。其中两台真空断路器( q f l 、q f 2 ) 具有零电压合闸控制器，用于正常时机车过分相的自动切换开关， 其仅用于切换负荷电流；另一台( q f 3 ) 为保护用，主要用于切断两 相短路时的故障电流。电压互感器用于检测网压，电流互感器用于 检测两相电流，当两相同时有流时说明两台真空断路器( q f l 、q f 2 ) 己同时合上，控制系统应立即分开保护断路器。隔离开关用于整个 系统检修时同接触网系统脱离时使用。 亘查窒夔盔堂堕堑窒竺堂垡迨皇 要= _ = = _ 第四部分为恢复人工过分相系统主要由切换电动隔离开关 ( q s 4 、q s 5 ) 和可变断合标志( l e d l l e d 4 ) 组成。在自动过分相装 置发生故障时，由控制系统发命令将隔离开关q s 5 合上、q s 4 打开， 使中性段缩短为电分段至四跨绝缘锚段关节间的约3 0 m 的无电区， 同时将恢复人工过分相可变断合标志点亮，当司乘人员观察到地面 标志时可按传统的手动断电过分相操作。 第五部分为接触网系统，主要由两个四跨绝缘锚段关节和之间 的中性段组成，为便于在自动过分相装置故障时缩短无电区的长度， 在靠近一个绝缘锚段关节处设置电分段装置一套，在正常时应用电 动隔离开关将电分段器短接，故障时隔离开关打开，由电分段、四 跨绝缘锚段关节、可变断合标志共同组成常规电分相装景。 2 2 系统功能 2 2 1 控制系统 自动过分相装置原理接线图如图2 1 。正常时由两个四跨绝缘锚 段关节及其间的中性段组成电分相，q f l 、q f 2 处于分闸位置，q f 3 处于合闸位置，q s 4 处于合闸位置，q s 5 处于分闸位置，中性段不带 电。当有电力机车驶过电分相时，假设机车由传感器l 向传感器3 方向行驶，其首先到达传感器l 位置，检测到机车位置信号后，控 制系统发命令在电力机车进入四跨绝缘锚段关节前合上q f l ，使中性 段带上a 相电压；当机车驶入中性段到达传感器2 位置时，检测到 机车位置信号后，控制系统发命令分开q f l 同时用q f l 的位置反馈 信号触发q f 2 合闸，使中性段带上b 相电压；当机车驶出中性段到 达传感器3 时，检测到机车位置信号后，控制系统发命令分开q f 2 ， 实现电力机车在过分相时的不停电通过，并等待下一列车到来。当 机车由传感器3 向传感器1 方向行驶，其首先到达传感器3 位置， 检测到机车位置信号后，控制系统发命令在电力机车进入四跨绝缘 锚段关节前合上q f 2 ，使中性段带上b 相电压：当机车驶入中性段到 达传感器2 位置时，检测到机车位置信号后，控制系统发命令分开 q f 2 同时经过短时延时后合上时q f l ，使中性段带上a 相电压：当机 车驶出中性段到达传感器1 时，检测到机车位置信号后，控制系统 发命令分开q f l ，完成一次机车不停电过分相。 亘查窒亟查堂塑塑窒竺堂垡堡窒 蔓! 耍 ，一一- 在所有的断路器( q f l 、q f 2 ) 合闸操作中。开关的合闸均在待 合相电压过零点时合闸，可有效的抑制过电压，在本论文的第三章将 进行详细的讨论。 当自动过分相装置故障时，控制系统将自动切换至人工过分相 状态，控制系统将打开q s 4 、合上q s 5 ，使得无电区缩短，并同时将 可变“合”、“分”标志点亮，此时机车可按一般过电分相的程序断 电通过。 当发生传感器信号丢失时，控制系统首先进行故障处理、完成 本次机车自动过分相并报警、恢复人工过分相，然后检测系统硬件 是否良好，若下一列车运行良好则认为是偶然丢失，否则维持人工 过分相状态。 当发生断路器故障时，若产生两相短路故障，控制系统在检测 到两电流互感器( t a l 、t a 2 ) 同时有电流时，分断真空断路器q f 3 。 - l v 、翘”4 。叫7 - 弋里n 士 幛 占、 户节 一却m l l 卜j 审( m 七邮 血 国“ 、帆 弋。 专 1 孤 图2 1 自动过分相主电路原理图 2 2 2 机车检测系统 机车检测系统是自动过分相装置的信息传感系统，其功能和工 作原理如下： 亘查窒夔盔堂塑堑窒皇堂堡造窒 蔓! 壁夏 电子标签存储电力机车的信息( 车型、车号等) 并安装于机车 底部的前后位置，传感器分别安装于自动过分相段的两端和中部的 股道中间，如图所示。 传感器 月 月旗备 传感器 占b 热备 倍感器 c c 热备 图2 2 机车检测系统原理图 理单元 当机车到达传感器位置时传感器接收到电子标签的机车信息， 通过信息处理单元对标签信息进行识别，当确认为电力机车时，将 控制信号送给逻辑控制单元，由逻辑控制单元控制触发继电器( g 1 、 g 2 、g 3 、g 4 ) 的工作状态，然后通过一定的编码形式传输给控制系统， 详细编码表见第4 章控制系统设计。 机车检测系统的工作过程说明如下： 当自动分相区没有电力机车通过时，各触发继电器的工作状态 为：g 1 、g 2 为断开状态，g 3 、g 4 为吸合状态。 假设由传感器a 到传感器c 的方向为正方向。 当有机车到达a 传感器位置，a 传感器检测到机车信息，信息处 理单元a 将控制信号送给逻辑控制单元，逻辑控制电路使g l 触发继 电器吸合，g 2 触发继电器保持断开，g 3 触发继电器断开，g 4 触发继 电器保持吸合。 当机车到达b 传感器位置时，b 传感器检测到机车信息，信息处 理单元b 将控制信号送给逻辑控制单元，逻辑控制单元使g 2 触发继 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 电器吸起，g i 触发继电器断开。 当机车到达c 传感器位置时，c 传感器检测到机车信息，信息处 理单元c 将控制信号送到逻辑控制单元，逻辑控制单元使g 2 触发继 电器断开，g 3 触发继电器吸合。 当列车反向运行时，则反向重复上面的过程。 当两个或三个电力机车同时位于编组的前部时，传感器根据通 过机车数量向逻辑控制单元输出相应的控制信号，由于机车信号同 时只来自一个传感器，因此逻辑控制单元只向继电器发出一个状态 控制信号，其过程与一个机车牵引的过程一样。 当一台机车位于列车的前部，另一台机车位于列车的尾部时， 如果前部机车全部通过自动分相区，尾部机车才进入自动分相区时， 其工作过程与一个机车通过自动分相区的过程一样。 当前部机车通过分相区中部而没有通过分相区尾部的c 传感器 位置时，尾部机车已经进入分相区的a 传感器位置时，逻辑控制单 元将把尾部机车的信号封掉，只以前部机车信息作为控制信号。因 此在列车编组中，不允许距前部第一台机车尾部7 0 m 至3 0 0 m 之内的 机车张弓通过。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 第3 章过电压及涌流 电力机车是由多种电气设备组成的复杂的动力设备。运行中 各种电气设备除承受正常的工作电压和电流外，还会遭受过电压和 涌流的作用，致使电气部件绝缘损伤，寿命缩短，最终影响机车正 常运行”3 。因此，在设计机车电路时，采用了多种继电保护措施，如 过流保护、过压保护等。 在设计自动过分相系统时能否有效的抑制过电压和涌流，关 系到整个系统的成败，因此，下面的章节将对可能产生的过电压及 涌流的进行讨论。 3 1 过电压 电力机车过接触网电分相时，所面临的过电压主要有以下两种： 1 ) 截流过电压 2 ) 合闸过电压 一、截流过电压 当电力机车在下坡或轻载自动过分相时，真空断路器q f l 突然 甩去负荷，将发生类似于切除空载变压器的暂态过程，即有可 能产生截流过电压。q f i 切除电力机车负荷的等值电路如图3 1 。 e ( t ) l 图3 一i 真空断路器切除电力机车负荷等值电路 其中l 。为电源等值电感，c 。为母线对地杂散电容，l 。为母线至 机车主变连线的电感，k 为真空断路器，l 为机车主变激磁电感，c 西南交通大学硕士研究生学位论文篁! ! 重 为机车主变等值对地电容。 在真空断路器开断机车主变之前，回路受工频电压作用，流过c 的电流远小于流过l 中的电流，所以可忽略c 的存在。流过断路器k 的电流就是电感电流i 。 切除机车负载的操作是通过断路器k 完成的，电流的切断过程 显然与断路器的灭弧能力有关。在使用灭弧能力与电流大小有关的 断路器( 如一般油断路器) 时，由于在切断小电流熄弧能力较弱， 不会产生在电流过零前熄弧的现象。在使用灭弧能力与电流大小关 系不大的高压断路器( 如压缩空气断路器、压油式少油断路器等) 时，由于断路器的灭弧能力是按切断大电流设计的，当用这种断路 器切断较小的激磁电流时，可能在激磁电流到达零点之前发生强制 熄灭( 如果激磁电流很小，甚至可在电流接近最大值时突然截断) ， 这就是断路器的截流现象。由于断路器的截流，使回路中电流变化 率_ d i 甚大，电感上的压降u 。：三譬甚大，形成过电压，也可以从能量 a t a t 的观点阐述，截流瞬间，在绕组中储有磁场能量 珥，在电容c 中 z 1 储有电场能量妾c 诉，接着，这些储存的能量必然在一c 回路中振荡， 上 由于c 值一般很小，所以当全部电能都转化成电场能的瞬间。在电 容c 上将出现很高的过电压。 截流可发生在工频电流的上升部分，也可发生在下降部分。设 i = ，。= i ，s i n o t 时截流，此时电容上的电压为u o = 以c o s o ! ，e m 为电源 电势8 ( f ) 的幅值。截流前一瞬间，电感和电容的储能分别为 1 r 、 a = 去珥= _ l 。i 。2s i n2 口i ? z 一 ( 3 一1 ) 1ri 一一 b 。= 寺c w = 詈e c o s 2 口 二二 j 截流后，当回路总能量全部转化为电能时，如果电容c 上的电 11 压为u ，则有a 。+ a c = 寺l 曙+ 寺c u ；= 寺c 啦，所以 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 乩= 厨虿= 压忑碡五 于是，截流后产生过电压的倍数k 。为 耻鲁：擘2 22 l s n 2 a 将。- - 2 e 班m ，五= i c o o = 乙写瑟代入上式得 k = 乒a + s i n 2 a ( 3 2 ) ( 3 3 ) ( 3 4 ) 考虑到有铁芯电感元件的回路里，磁能转化为电能的高频振荡 中必然有损耗，如铁芯的磁滞、涡流损耗，导线的铜耗等，而式( 3 - 4 ) 根号内的 争 2 s i n 2 口项表示的是磁能，它不会。地转化为电能， 需加以修正，引入转化系数r 。0 7 。 1 ) ，于是式( 3 - 5 ) 改写成 k 。=厣万 一般情况下r 。 0 5 。 ( 3 5 ) 显然，当励磁电流在幅值，处被截断，即口= 9 0 。时，过电压达 最大值 k n = 五冬 j ( 3 6 ) 回路的自振荡频率五与变压器的额定电压、容量和其结构形式 有关，也与外部联线及电气设备的杂散电容有关，一般为工频的十 倍“。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 目前，限制截流过电压的主要措施是采用阀式避雷器。因截流 过电压虽然幅值较高，但能量不大，故可用避雷器限制过电压。 另一种限制截流过电压的措施是在断路器内装置高阻值电阻r 和相应的辅助触头。分闸时，投入r ，不使绕组中的电流突然降到零 值，从而限制过电压。 二、合闸过电压 当电力机车到达中间传感器时，用真空断路器q f l 分闸位置辅 助信号触发q f 2 合闸，由于机车过分相的断电期间，在机车辅助绕组 和异步辅助机群构成的闭合回路中，仍有电流流通，辅助系统仍有 转速。这样，有的电机为电动机，有的则为发电机，使得中性段带 有残压，残压的大小和相位与机车运行的级位以及投入的辅机数目 有关，因而其大小和相位具有随机性。q f 2 合闸时，如合闸相电压和 残压有瞬态压差，合闸后中性段对地电容、牵引变压器的对地分布电 容与线路阻抗产生一个振荡的暂态过程。在暂态过程中，电路上各 点的响应是稳态量和暂态分量的迭加，稳态量为5 0 h z ，暂态分量为 电路的固有频率，远远大于5 0 h z 。当暂态响应和稳态响应同相迭加 时，就产生了过电压“。 以图3 2 简单模型分析合闸产生过电压的物理过程。设电源电 压为p ( f ) ，为简化分析，接触网线路图用t 型图来等值，三，、g 分别 为线路总的电感、电容，电源电感为，五为机车主变激磁电感，忽 略线路及电源电阻。 e ( t ) 3 - 2 合闸过电压产生示意图 l 线路上有残余电荷，相当于电容上g 有初始电压，可得到电容 要堂皇堕盔堂塑雯塞皇堂垡堡銮 蔓! ! 夏 上电压的表达式为 “。o ) = u 。c o s 一心c o s a j o t ) ( 3 - 7 ) 式中：一一为电源频率； 一一为等值回路自振荡频率，2 志； 吣奇； a o = i - u u 。f 。，4 在。2 之间；u 。为重合闸线路上的残余电荷在 若远大于电源频率，在电源电压到达峰值时合闸，可认为在 振荡初期电源电压u 。保持不变，在这种情况下，线路过电压的最大 值可达3 u 。，若计算损耗，则低于此值。 合闸时，产生过电压的根本原因是电容、电感的振荡，其振荡 电压叠加在工频稳态电压上所致。 合闸过电压的大小与合闸相位、开关性能、残余电荷的极性和 大小等因素有关，并且各因素相互影响，较为复杂，下面简要述之。 一是合闸相位，前面讨论的是最严重的合闸情况，这与断路器 合闸过程中的预击穿特性及断路器合闸速度有关。 二是残余电荷，线路上残余电荷( 残压) u 。的极性和大小，对 合闸过电压幅值影响较大，这是重合闸过电压的重要特点。残余电 荷将通过线路泄漏电限入地。另外，线路上若有电磁式电压互感器， 可泄残余电荷：线路若装设并联电抗器，对重合闸而言，当断路器 断开之后，线路电容和电抗器形成衰减振荡回路，不但会影响残压 电荷的幅值，而且会影响残余电荷的极性。 亘壹窒堕查堂亟主堕塞皇堂垡迨窒 篁! ! 夏 限制合闸过电压的措施有以下几种： 一是消除线路残余电荷，在线路侧接电磁式电压互感器，可在 几个工频周期内，将全部残余电荷通过互感器泄放掉。 二是断路器装设合闸电阻，这是目前限制合闸过电压的主要措 施。将线路合闸分两个阶段进行，第一阶段带电阻r 合闸，即将r 与辅助触头串连。由于r 对振荡回路起阻尼作用，使过渡过程中的 过电压降低。大约经过8 1 5 m s ，主触头闭合，将r 短接，电源直接 与线路相连，完成合闸操作，这是合闸的第二各阶段。断路器合闸 的两个阶段中，为降低过电压，对r 值的选取是有矛盾的。合闸的 第一阶段，要求r 值较大，使阻尼效果较好。而在第二阶段则要求r 值较小，使短接时，回路振荡程度较弱。 三是采用同步关合技术，同步关合技术是指控制断路器的动、 静触头在电力系统电压波形的指定相角处合闸，一般使开关主触头 在零电压时关合。近年来，对研究投切并联电容器组过电压时得出 结论：只有同步关合技术才能从根本上解决这一问题。同步关合的 技术关键是振动精度，其控制精度要到达微妙级。传统的操作机构 是难以实现的，只有依赖电子操动才有可能。近年来国内外研制开 发的永磁操动机构由于运动部件较少，采用电子操动，大大减小了动 作时间的分散性，为同步关合技术创造了物质条件。 四是装设避雷器，当出现较高的过电压时，避雷器能可靠动作， 将过电压限制在允许的范围内。 3 2 涌流 在电力机车自动过分相时，真空断路器q f l 、q f 2 切换不仅要产 生合闸过电压，同时还会产生涌流。 合闸过程主要表现为电力机车主变压器磁通变化的过渡过程。 当铁心没有剩磁时，如果合闸瞬间电压为最大值，磁通超前电压9 0 。， 所以磁通为零。此时与合闸前铁心中无磁通一样磁通不突变就不 会发生过渡过程。如果合闸瞬间电压为零，则磁通为最大值，为使 合闸瞬时磁通仍为零，铁心内必形成一个反磁通( 直流分量磁通) 抵 消该瞬时的磁通( 稳态磁通) ，而且大小相等方向相反。这样，合闸 瞬时合成磁通就为零了但在半波后合成磁通则为稳态磁通的2 倍， 如图3 3 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文差! ! 重 椰囊嗵_ 随葺睁啪 一 勰弦哦啼i j 三y p 鬯。j 图3 3 变压器合闸磁通过渡过程 这2 倍的磁通值使铁心大为饱和，由于铁心磁化曲线是非线性 的，所以励磁电流很大，就成为涌流了“”“”“，如图3 4 所示。 图3 4励磁涌流曲线 而且，机车通过无电区的时间较短，在真空断路器切换过程中， 辅助异步机组仍有转速，这样有的电机为发电机，有的则为电动机， 这种异步机群发电现象对机车变压器的剩磁造成较大的影响“”“。 作为发电机运行的异步辅机带有剩余电势，剩余电势在辅助机组之 间构成的闭合回路产生电流，该电流流过主变二次侧时产生感应磁 势致使主变带有剩磁。当铁心有剩磁，且与第一个半波的磁通方 向一致时，则瞬时磁通将增加至2 0 。+ o ，励磁涌流将更大。这个涌 流的大小，决定于投入变压器时线路电压的相位以及铁心剩磁通的 状态。 亘妻窑塑盔堂堕圭堑塞竺堂垡迨塞 蔓! ! 夏 变电所1 图3 5 电力机车过电分相示意图 变电所2 在分析自动过分相过程中的涌流时，首先假设机顺序车以q f l 到q f 2 的方向行驶，然后分成三个阶段来考虑。第一阶段是初始状 态，机车在a 供电臂上经过长时间行驶，系统处于稳态：第二阶段 是真空断路器q f l 分闸，这时，无电区无电源供电，接触网上仅有 机车的反送电压，& 口残压，由于此无电时间很短，因此，可理想地 认为残压不变化“；第三阶段是真空断路器q f 2 合闸，无电区由b 供电臂供电。第二、三阶段为机车过分相的暂态过程，论文将对这 三个阶段分别进行分析。示意图参见图3 5 。 l 、机车在q 供电臂稳态运行 设变电所1 的电源电势 e l = , f i e s i n ( 耐+ 口) ( 3 8 ) 式中：e 。一一机车变电所1 供电臂时电压有效值。 用机车主变压器的磁通表示为： e ：堕( 3 9 ) 疵 式中：n 一一机车主变原边绕组匝数： 氟一一机车主变稳态磁通。 将式( 3 - 9 ) 代入式( 3 - 8 ) 后积分可得机车主变稳态磁通为： 破= 抽lc o s ( 耐+ 口) + c 式中：。，一一常数，巾。= 急。 式( 3 一l0 ) 的磁通表达式中有一常数分量c由于机车在变电所 查童窒夔查堂塑堡窒皇兰焦笙皇 蔓! ! 垂 l 供电臂正常运行时主变压器没有直流磁化电流，所以c = 0 。，则机 车断开q f l 之前的磁通为： 办= _ 中lc o s ( o 嘣+ 口) 2 、q f l 分闸时刻 q f l 分闸后，无电区上的残压是一个衰减的波形，但由于机车失 电时间很短，可忽略电压衰减，认为残压也是一个正弦波。残压的 幅值和相角受多种因素的影响，具有一定的随机性。因此，可假设 残压电势为： p 2 = 4 7 e 2s i n ( o ) t + y ) 此时，用机车主变压的磁通表示则为 已：盟 以 将式( 3 13 ) 代入式( 3 1 2 ) 后积分可得机车主变稳态磁通为 戎= 一4 2 2c o s ( 0 9 1 + ，) + c 1 若q f l 在t = 0 时刻分闸，则 l ，：o = 0 , 1 ，；o = 一4 7 1c o s a 庐：。= 如j ，：。= 一4 7 ：c o s y + c 1 式中：。：一一常数，中：= 急。 由于磁通不能突变，有： 识m 。：一 联立式( 3 15 ) 、( 3 1 6 ) 和( 3 1 7 ) 可得 c l 一4 7 ic o s o + 面2 c o s y 因此，o f l 分闸后机车主变的磁通为 2 = 一4 7 2c o s ( ( g c + y ) 一4 7 1c o s g e + 面2c o s y ( 3 1 7 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 3 、q f 2 合闸时刻 假设变电所2 的电源电势为 8 ) = , 2 e ，s i n ( 倒+ 卢) ( 3 - 2 0 ) 式中：e ，一