（电力电子与电力传动专业论文）高压晶闸管阀在牵引供电网自动过分相中的应用研究.pdf

a b s t r a c t a l o n g w i t hd e v e l o p m e n to f h e a v yb u r d e ne l e c t r i cr a i l w a ya n dd e v e l o p m e n to f h i g h s p e e de l e c t r i cr a i l w a y , t h ep r o b l e mo f p a s s i n go v e ro f n e u t r a ls e c t i o ni sb e c o m i n g o n e o ft h e p r i n c i p a lp r o b l e m s t h a ts h o u l db es o l v e d u r g e n t l y b a s e do n t h ep r o j e c to f “t h e d e v e l o p i n go fh i g hv o l t a g et h y r i s t o rv a l e f o ra u t o - p a s s i n go v e rn e u t r a l s e c t i o no f t r a c t i o n p o w e rs u p p l ys y s t e m ”，f u n d e db yr a i l w a ym i n i s t r yo fc h i n a ，t h ep a p e r r e s e a r c h e st h ea p p l i c a t i o no f h i g hv o l t a g et h y r i s t o rv a l et oa u t o m a t i cp a s s i n go v e ro f n e u t r a ls e c t i o ne q u i p m e n ta n ds o l v e si t sa p p l i c a t i o nd e s i g na n d c o n t r o l l i n gp r o b l e m ， f i r s t l yt h ep a p e rs u m m a r i z e dt h em e t h o d so f p a s s i n go v e ro f n e u t r a ls e c t i o na n d i t s a p p l i c a t i o ns t a t u sq u o i nt h ed o m e s t i ca n do v e r s e a a st h er e s e a r c ho b j e c to f t h e p a p e r , t h er e a s o no f o v e r - v o l t a g e c a u s e db yt h em e t h o do f g r o u n d t r a n s f e rb yv a c u u mb r e a k e r i sa n a l y z e dt h o u g hs i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a n db a s e do nt h ea n a l y z e ，am e t h o do f a u t o m a t i cp a s s i n go v e ro fn e u t r a ls e c t i o nu s i n gt h y r i s t o rv a l et oc o n t r o l l i n gt h ep h a s e o f e l e c t r i c p o w e r i s p r e s e n t s t h et e c h n i c a ls p e c i f i c a t i o no f h i g hv o l t a g et h y r i s t o rv a l eu s i n g i na u t o m a t i c p a s s i n g o v e ro fn e u t r a ls e c t i o ni s a n a l y z e dt o o b a s e do nt h es p e c i f i c a t i o n ，t h er i g h tp h a s e c o n t r o lt h y r i s t o ri sc h o s e na n dt h es e r i e sn u m b e ro f t h y r i s t o ri sc a l c u l a t e d t h ep a p e r a l s oc a l c u l a t e st h ep o w e rl o s so f t h y r i s t o ru n d e rt h ep u l s i n gl o a d ，c h o o s i n gt h eh e a t s i n ka n df o r e c a s tt h e t e m p e r a t u r er i s i n g t h e p a p e ra n a l y z e dt h ed y n a m i cp r o c e s so f s e r i e st h y r i s t o r i nd e t a i la n d d e s i g n e d t h e s n u b b e rc i r c u i ta n db e dp r o t e c t i n gc i r c u i t a g a i n s to v e r - v o l t a g e f o r t h y r i s t o r a p s p i c es i m u l a t i o nm o d eo fs e r i e st h y r i s t o rb a s e do n d y n a m i cp r o c e s si ss e tu p a n dt h e s i m u l a t i o nv e r i f i e st h e v a l i d i t yo f t h e s n u b b e rc i r c u i t , ai n d i r e c tf i b e r - t r i g g e rs y s t e mi s a d o p t e df o rh i 蘑v o l t a g et h y r i s t o rv a l e ，w h i c h s o l v e st h ep r o b l e mo fh i 蚺v o l t a g ei n s u l a t i o na n di m p r o v e st h ec a p a b i l i t y a g a i n s t i n t e r f e r i n ga n dt h er e l i a b i l i t yo ft h ec o n t r o ls i g n a l t h et h y r i s t o rg a t ee l e c t r o n i c si s a l s od e s i g n e d ar e a l t i m em o n i t o rs y s t e mf o rh i 垂v o l t a g et h y r i s t o rv a l ei s d e v e l o p e d ，w h i c h m o n i t o r st h ef a u l t so f o v e r - c u r r e n t 、o v e r - v o l t a g ei n t h e s y s t e m a n ds i t u a t i o n o f t h y r i s t o r f a i l u r ea n db o da c t i v a t i o n t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo fm o n i t o r s y s t e m i s i l l u m i n a t e d 。 f i n a l l yt h eh i 曲v o l t a g et h y r i s t o rv a l ew a st e s t e di nl a b t h er e s u l t si l l u m i n a t et h e g o o di n s u l m i o ns t r u c t u r e ，r e l i a b l et r i g g e r i n ga n db l o c k i n g ，g o o dv o l t a g ed i v i s i o n o ne a c h t h y r i s t o r , a n dt h a t t h eb o d p r o t e c t i n gc i r c u i ta c t sr a p i d l y i naw o r dt h eh i g hv o l t a g e t h y r i s t o rv a l es a t i s f i e st h ee x p e c t e ds p e c i f i c a t i o ni nt h ea p p l i c a t i o no fa u t o - p a s s i n go v e r n e u t r a ls e c t i o no ft r a c t i o np o w e r s u p p l ys y s t e m k e y w o r d s ：e l e c t r i c a lr a i l w a y ；a u t o m a t i cp a s s i n go v e ro f n e u t r a ls e c t i o n ；h i 曲v o l t a g e t h y r i s t o rv a l e ；f i b e r - t r i g g e rs y s t e m 湖南大学硕士学位论丈高压晶闸管阀在牵引供电网自动过分相中的应用研究 第一章绪论 我国自1 9 6 1 年8 月1 5 日第一条电气化铁道宝风线开始运营，至今已走过了 4 0 年的发展历程。由于电力机车功率大，运输能力强，效率高，运营费用低，并且无 空气污染，满足现代铁路对快速、重载运输的要求，对缓解我国铁路运输能力紧张状况 有重大作用，因而改革开放以来，我国铁路电气化得到了迅速发展。截至2 0 0 1 年底， 我国已建成电气化铁路总里程1 7 4 2 2 6 k m ，电气化率达3 1 2 ，承担铁路总运量的比重 超过4 5 ，已跃居亚洲第一，世界第四。预计到“十五”末期，我国电气化铁路总里程 将达到2 万公里，名列世界前列“1 。 随着繁忙干线高速和重载电气化铁路的陆续兴建和运营，对电力牵引供电系统的 安全性和技术性能提出了更高的要求，提出了一系列急需解决的技术问题，过电分相 就是其中比较突出的一个问题。 1 1 牵引供电网的换相联接及过电分相问题 在我国，电气化铁道牵引网采用工频单相交流制，额定电压为2 5 k v ，由电力系 统供电。一般由l l o k v 电网经电气化铁道沿线设置的牵引变电所降为2 5 k v 后，送到 接触网向电力机车供电。出于电力系统是三相交流制，电气化铁道为单相负荷，为使 电力系统三相尽量平衡，减轻其负序负担，电气化区段的各个牵引变电所实行换相连 接轮换接入电力系统中的不同的相。 三相牵引变电所的换相连接原理如图1 1 所示。按习惯，三相牵引变电所都以变 压器副边的c 相端子接地，其它两个端子分别接入左、右两边供电分区接触网。“。 我们分析变电所s x b 的接线。所示变压器为y 一1 1 接线，对于变电所s x b 的 左边供电分区，副边c 相线圈为重负荷相，牵引网要求b 相，于是原边c 相接至电力 系统的b 相。同样，对于变电所s x b 的右边供电分区，变压器的副边a 相线圈为重负 荷相，牵引网要求a 相，于是将原边a 相接至电力系统的a 相。余下的b 相端子接入 电力系统的c 相。同样确定其余两个变电所的接线，可得图1 1 的换相连接。可见三 个牵引变电所形成一个完整的循环，若各个供电分区负荷相当时电力系统将三相平 衡。但两不同相的供电分区接触网之间将架设分段、分相绝缘装置。 由于接触网存在相分段，需在地面距进入相分段7 0 米位置处设立警告标志和机 车断电标志。电力机车在进入相分段时，由司机根据了望到的地面标志进行手柄退级、 关闭辅助机组和分断机车断路器，惰行通过后再逐项恢复。如牵引网采用的是一般的 湖南大学硕士学位论文高压晶闸管阀在牵引供电网自动过分相中的应用研究 直供供电方式，机车在2 5 0 公里小时的速度时，约每隔5 分钟将过一次电分相装置。 a b c s x bd l sz b i i ba 图1 甄娶 1 牵引变电所的换相连接 很显然，这样紧张而频繁的手动操作将大大耗费司机的精力，增加劳动强度，是 高速铁路一个潜在的不安全因数。另外在高坡重载区段，断电过分相还会引起列车失 速过多，延长区段的通过能力，从而降低了线路的运能。因而，自动过分相技术是电 气化铁道实现高速、重载的关键性技术之一。 1 2 自动过分相的方式 目前，包括电气化铁道发达的国家，只有少数国家研究和采用自动过分相装置， 其技术方案基本上有三种，分别简介如下 3 】【5 】 6 1 。 1 2 1 车上过分相的方式地面感应过分相 以法国、德国、英国铁路为代表。该方案需在线路上埋置磁铁，在机车头部靠近 铁轨处各设一个感应器。当机车通过磁铁时，感应器就接受到信号，再由感应器向机 车控制系统发出预告信号。当机车得到过分相的预告信号后，首先进行确认，然后封 锁牵引电机电流，延时跳开主断路器，使机车惰行通过无电区。通过无电区后，机车 检测到网压，再自动台上主断路器，顺序起动辅助电机，使牵引电机电流按一定的上 升率恢复，从而自动启动机车。 该方案设备投资最低，接触网设备无需改动，最易于实施，但机车仍有失电时间， 其失电时间与机车的速度有关。 1 2 2 网上过分相的方式支柱上自动开关过分相 有瑞士和奥地利等国采用。其构成和基本原理见图1 2 。 在正常情况下，a 、b 组真空开关均为断开位置。当机车运行至a b 之间时，a 2 湖南大学硕士学位论文高压晶闸管阀在牵引供电网自动过分相中的应用研究 组开关装置线圈l 。中有电流通过，磁铁吸合，真空开关闭合，c d 带电；当机车运 行至c d 之阐时，a 组开关装置线圈l 中无电流通过，磁铁释放1 5 m s 后，真空开关 a 断开，d e f g 之间为无电区，列车惰行通过。当电力机车运行至g h 之间时， b 组开关装置线圈l 。中有电流通过，磁铁吸合，b 组真空开关闭合。当机车运行至i 后，b 组丌关线圈k 中无电流通过，b 组真空开关断开，此时开关无电流开断，a 、b 组开关回到初始状念。 列车前进方向 璺夏一2 z k 呈 广 湖南大学硕士学位论文高压晶闸管阀在牵引供电网自动过分相中的应用研究 当机车从a 相驶来到1 c g 处，真空负荷开关1 z k 闭合，中性段接触网由a 相供电， 待机车进入中性段到3 c g 处时，1 z k 分断，2 z k 随即迅速闭合，完成中性段供电的换 相过程。由于此时中性段己由b 相供电，机车可以在不用任何操作，负荷基本不变的 条件下通过相分段。等机车驶离4 c g 后，2 z k 分断，装置回零。 该方案网上设备复杂，需在铁路沿线设立自动转换所，投资最大，但接触网基本 无供电死区，换相时中性段断电时间约0 1 0 1 5 秒，且与行车速度无关，为一常数。 该方案对高坡重载区段压缩列车通过时间，提高运能有非常重要的意义。 1 3 国内自动过分相的应用及研究现状 随着我国电气化铁道的快速发展，近年来，在京沪、京沈、京广这三条干线上陆 续开行了最高时速1 4 0 一1 6 0 公里的旅客列车，广深2 0 0 公里小时的电气化铁路已投 入商业运营，速度在2 0 0 公里小时以上的秦沈、京沪高速电气化铁路的建设已经开 始，电力机车过电分相的技术问题也越来越突出”。 我国鹰厦、京郑线分别引进了瑞士a f 公司的柱上开关自动转换装置。试验发现 过分相后机车电流有很大的冲击，造成机车跳闸，而且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a c 段时，由于真空开关线圈的接入，引起加 到机车上的网压的突跳，产生了电弧。这是该方案不可克服的弊病。因而未能实际投 入使用吲。 我国车上自动过分相方案最早在广深电气化准高速铁路线上运行的s s 8 机车上 得到运用。为了线路上双向行驶的需要，该方案在离分相区两端约6 0 米的线路上， 左右各埋一块磁铁。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1 l o v 电平的预告信号。 机车微机控制系统对预告信号进行确认后，封锁触发脉冲，等待电机电流衰减后再断 开主断路器，随后向感应器发出一个2 0 m s 的l l o v 电平的复位信号，使感应器复位， 预告信号随之消失。机车惰行通过无电区后，机车通过2 5 k v 电压互感器检测到网压 的从无到有的跳变并确认，再合主断路器，顺序启动辅机，使牵引电机的电流按要求 的速率上升，重新启动机车。机车驶离分相区时，感应器也相应动作，机车经过同样 预告信号广 厂 一一 复位信 图1 4 广深线预告和复位信号时序图 4 湖南大学硕士学位论文高压晶闸管阀在牵引供电网自动过分相中的应用研究 的延时后再次使感应器复位，这次动作没有实际意义，只是为了线路上双向行驶的需 要才设爱的。图1 4 是目前广深线预告和复位信号的时序图。 上述方案因其实际使用效果良好，在广深线全线得到采用。该方案技术成熟，可 靠性高，且设备投资小，是我国2 0 0 公里小时一3 0 0 公里d , 时高速电气化铁路自动 过分相技术的主要发展方向。 铁道部于8 7 年开始组织了地面真空开关转换方案的“相分段自动转换装置”的 课题研究，基本参照日本的地面自动过分相方案，首先在宝天线福临堡之西端建立了 试验装置。由于其在高坡重载区段的明显技术优势，得到了我国应用单位的高度重视。 郑州铁路局西安科研所在前期研究工作的基础上进行扩大试验工作，于1 9 9 4 年在陇 海线咸阳西建成我国第一套实用型地面真空开关转换自动过分相装置的试验基地，并 于次年开始进行运行试验。1 9 9 7 年6 月地面真空开关转换方案的“相分段自动转换 装置”通过铁道部的鉴定。 图1 5 为地面自动过分相真空开关转换方案的实际一次主接线图”“，为保证铁 路运输的可靠性，真空开关为1 0 0 的热备用。其中i z k ，2 z k 为主用开关，4 z k ，5 z k 分别为其备用工作开关，当主用开关检修时，备用开关投入工作。3 z k 是1 z k 、5 z k 的在线备用开关，平时处于闭合位，当1 z k 或5 z k 发生拒分故障时，3 z k 迅速分断， 避免再闭合2 z k 时可能造成的相间短路。3 g k 为单极隔离开关，作用是当3 z k 检修时 将其旁路。i g k 为整个装置而设的三极隔离开关。隔离开关2 g k 的作用为万一当装置 切除时发生机车在中性段途停的情况，可闭合2 g k 给中性段l | 缶时供电，使机车驶离中 性段。1 j y 和2 j y 为锚段关节结构的分相绝缘器，以保障机车受电弓滑过时可以均匀 受流。 “要l_ 一 其e 。l h 。( = _ 雠一一一一一一 1 0 k 1 j y ，一 ，_ 一 图1 5 实际一次主接线图 专 湖南大学硕士学位论文高压晶闸管阀在牵引供电网自动过分相中的应用研究 由于地面自动过分相真空开关转换方案可以解决在长大坡道上列车断电通过分 相区时引起的大幅减速、降低线路运能的难题，在地处秦岭的宝成线观音山站建立了 我国第一个地面过分相自动转换所，并于1 9 9 8 年1 1 月正式投入运行嘲。 1 4 项目背景及本文的主要研究工作 然而在地面真空开关转换方案的自动过分相装置的运行中发现，1 z k 开断迅速， 无截流现象，也无过压。但在2 z k 合闸时，会产生超出正常范围的过压，使机车过压 保护间隙( 额定值为6 5 k v ) 击穿，变电所跳闸；同时机车内部辅机( 劈相机异 步机群) 回路在2 z k 合闸时产生的涌流使过流保护动作，机车跳闸。经过多次试验及 仿真分析，现在普遍认为该合闸过压和涌流的产生，主要与1 z k 断开后中性段残留的 残压有关，当2 z k 闭合相电源与中性段的残压相位相反时，将产生比闭合空载负荷大 得多的过电压和涌流。 而采用电力电子器件代替机械开关，可以精确控制合闸相位，抑制合闸过压和涌 流。因而铁道部下达了采用品闸管阀作为闭合开关的“牵引供电系统晶闸管阀自动过 分相装置研制”的科研项目。 本文的研究工作主要基于铁道部“牵引供电系统晶闸管阀自动过分相装置研制” 的科研项目，包括： 1 对地面真空开关转换型的自动过分相方式产生的危害和产生的原因进行 了分析，通过对自动过分相转换装置和机车负载简单模型的仿真分析， 证明了用晶闸管阎作为功率开关，精确控制下一相电源投入的时刻，可 以抑制过电压的产生。 2 对晶闸管阀自动过分相装置的实际工作电路和工作原理进行了介绍，确 定了高压晶闸管阀的主要技术参数。 3 对多个元件串联的高压晶闸管阀进行了设计，包括吸收电路的设计、过 压保护电路的设计以及光纤隔离和触发系统的设计，并对系统控制的硬 件电路和软件结构进行了介绍。 4 最后对高压晶闸管阀的绝缘结构和实验室部分试验进行了介绍，试验结 果验证了所设计的高压晶闸管阀达到了预期的技术要求。 6 湖南大学硕士学位论文高压晶闸管阀在牵引供电网自动过分相中的应用研究 第二章晶闸管阀自动过分相技术原理 2 1 真空开关型自动过分相产生的危害 1 9 9 8 年7 月，地面自动过分相真空开关转换方案的科研单位在垅海线对韶山1 型、韶山4 型和韶l i 6 型电力机车进行了运行试验。试验表明，i z k 开断迅速，无截 流和过压现象；而在2 z k 合闸时却产生了各种问题，主要表现在以下几个方面“： 1 在机车变压器的一次侧产生过电压 该过电压多次造成韶山1 型机车的过压保护间隙( 保护值为6 5 k v ) 击穿，变电 所跳闸。图2 1 为试验时捕捉到的变电所跳闸时的中性段电流波形。该过电压大小与 机车运行的级位和机车投入的辅机数量有关，与真空开关2 z k 闭合时的相位有关，具 有随机性。在多次运行试验中曾记录到的中性段最高过电压约为8 0 k v 。 该过电压除了会使变电所跳闸外，多次的过压冲击会使机车主变压器和电网设备 的绝缘加速老化，如果耦合到机车主变压器的次级，还可能使次级电气设备受到损坏。 3 0 0 0 a a 撇i-1 o i 3 s) 】1s 图2 1 变电所跳闸时的中性段电流波形 2 使机车辅助电机系统过流 电力机车辅助电机系统过流保护动作整定值为3 8 0 0 a ，该值大于辅助电机系统直 接投入时的起动电流峰值。而试验时，2 z k 合闸多次使辅助电机系统的过流达到了5 千多安培，超过了过流保护动作整定值，从而使机车跳闸。辅助电机系统过流跳闸时 的波形见图2 2 。因而真空开关2 z k 的合闸还使机车辅助电机系统遭受电气和机械上 的冲击。 3 使机车牵引回路电流出现超调 对韶山4 型等相控机车进行转换试验时，由于其牵引电流是闭环控制，在机车失 电的0 1 3 秒间，电流调节器将整流器的导通角拉到最大，2 z k 合闸使机车重新得电 湖南大学硕士学位论文高压晶闸管阀在牵引供电网自动过分相中的应用研究 时，必然产生一很大的约o 2 秒超调，其波形见图2 3 。该超调最终使牵引电机承受 一短时的过载，有四次使牵引电机飞弧接地引起机车跳闸。 6 0 a囊断路器跳阐 _ ：翟警要。f 1 人k hhkkhhk “h il l 一”了郅 麓 勉 ，、 i a 一、j 、nn ， 一美少州v 州州vl 1 k 一 i0 。1 2 5 l 。 5 4 9 9 a 图2 2 机车跳闸时辅助电机系统的电流波形 图2 。3 牵引回路超调电流波形 4 使机车主变压器一次侧过流 机车辅助电机系统过流和牵引回路过流都将反映到机车主变压器的一次侧，加上 变压器本身的合闸涌流，可能使机车主变压器的一次侧过流超过其保护动作整定值 4 0 0 a ( s s l 机车) ，使机车跳闸。一次侧过流波形见图2 2 。 针对自动过分相真空开关转换方式产生的这些问题，有关单位对试验运行的机车 进行了一些技术改造，包括将s s i 机车的过压保护放电间隙改为无间隙金属氧化物避 雷器，改善对过压吸收后的恢复性能；分别调整辅助电机系统和主变压器一次侧过流 湖南大学硕士学位论文高压晶闸管阀在牵引供电网自动过分相中的应用研究 保护动作整定值，并加大保护动作的延时，以避开涌流的峰值；在牵引回路电流的控 制环节中加装重新得电后的软起动控制，消除电流超调。上述措施除最后一项能实质 减小过流外，其余措施对减小机车的电气和机械冲击都无实际意义，图2 4 为$ s 1 机 车保护参数重新整定后过分相时其一次侧电流和辅机系统电流的冲击波形。因而自动 过分相真空开关转换方式，具有其机械开关不可避免的弊病。 图2 4 机车过分相时一次侧电流和辅机系统电流的冲击波形 2 2 真空开关闭合产生过电压的机理分析 自动过分相真空开关转换方式在2 z k 合闸时，常常在机车的一次侧产生高达电源 电压2 3 倍的操作过电压，该过电压较电力机车一般合闸操作过电压要大。现在普 遍认为该过电压与1 z k 断开电源后中性段接触网上残余的电压有关，由于该残压的存 在，2 z k 的合闸电压已不仅仅是电源电压，而是电源电压和该残压的向量和，过分相 真空开关转换时一次侧的残压波形见图2 5 。 中性段接触网上残压的存在是因为断电期间，在机车辅助绕组和辅助异步电机群 构成的闭合回路中，仍有电流流通( 见图2 4 ) ，由于机械惯性，辅助异步电机仍然 旋转，这样有的电机为电动机，有的电机为发电机，( 文献 1 2 对于异步电机群发电 的现象有详细的论述) ，这样辅助绕组的电压通过机车主变压器的升压作用，在机车 的一次侧，即中性段上形成很高的残压。图2 6 为机车的等效电路。 9 塑壹垄堂翌主堂堡堕查壹垦苎塑篁塑查主! ! 堡皇苎! 塑苎坌塑竺生旦璺茎l 一 图2 5 过分相真空开关转换时一次侧的残压波形 图2 6 直流电力机车的等效电路图 在2 z k 合闸时，如合闸相电压和残压有瞬态差，合闸后中性段的对地电容、机车 主变压器的对地电容和线路阻抗产生振荡的暂态过程。由电路理论可知，电压响应是 稳态量和暂态分量的迭加，稳态量为5 0 h z ，暂态分量远大于5 0 h z ，当稳态量和暂态 分量同相迭加时就表现出过电压。 文献 1 3 对合闸时s s l 机车一次侧的过电压进行了仿真。仿真电路见图2 7 ，分 为三个部分：( a ) 供电系统；( b ) 辅助电机系统；( c ) 牵引回路。电路中辅机系统的 残压效应用电源v f 代替，牵引系统直流电机的反电动势用e d 等效。 上：f ，三口，： 一主变压器绕组 r ，l 。一辅助绕组等效负载 & 。，r 。：，。三。： 一牵引绕组等效电阻和电感 r ，l 。一牵引回路滤波电感及电枢等效电阻和电感 o 湖南大学硕士学位论文高压晶闸管阀在牵引供电网自动过分相中的应用研究 2 z k 乜r 旺! 喜 | j ii ； 。tl 土“l土c 嵋 rr li ljj 共电电颧 曹0 生变压粕 苷效参数 螋盹铸效参数螋咯肆效軎歉 ： 替散毒癸 c a l 图2 7 仿真等效电路 在不同的时刻闭合2 z k ，在机车一次测的电压仿镇波形见图2 8 ，图2 9 。 仿真结果表明： ( 1 )过电压是因为合闸时电网电压与中性段残压有电压差，引起过渡过程 所致； ( 2 )合闸时电网电压与中性段残压的相位差对过压的影响很大，在同样的 条件下，在电压的峰值处相差1 8 0 度相位合闸，将产生最大过电压， 见图2 8 ；而在瞬态压差为0 时合闸，几乎没有过渡过程，见图2 9 。 ： ： - + -t 一 l _ 一_ 。日 穗： 两怠 穗 如 芦氧 等 蕞 f薏! 蔫 ： ；l ：t ； 一 ! ii l 一 f ：r ! ：f i l i j j 一i 一 ： - l _l_ _ 一j _ 一i j - _ i f l ， + v w 。 1- 一1 寸 一_ 7x 一tl 。 r - 一一 - v 一v 。v v 0 s2 0 m s4 0 m 16 0 t s8 0 m s1 0 嘶f1 2 0 r e s1 4 0 m 11 6 0 m f1 8 0 蛄z o o z 口vc c l 3 ：2 i t 一 图2 ，8 在电压差最大时闭合2 z k 产生的过电压 湖南大学硕士学位论丈高压晶闸管阀在牵引供电网自动过分相中的厘用研究 ： ： ： ： 玲蕉羁 一 一 斟 一_ 斟 _ 一 - ： ； i i ：j主 _ | 。i | ： ! r i 1 ； l 一； ll il _ 。 _ 玲舟羁蕊 一- ： ：= | 二： 、 一_ l - 一 譬i - ；j 。_- 喝 一 - 一 一 - 妄 ： 7：舞 c ： - 7i ：， ；：f | ， 妻 1 正 1 圭 ； 土 ： 篡 _ 7j7 ；： 蔓l 一 l l ：= ；= ： f _ 一 f ； 蕊 - 一_ ： _- ： ； 7 _- 一 ：j 蓦 _ 一2 ； 一一 ， 拳 - 。- ： 一1_ 一 事 一一 f_ 。：署。 ”“”“”“”“”“5 t i t 图2 9 在电压差为零时闭合2 z k 无过度过程 ( 3 ) 同时，过电压的大小与机车的级位及线路上有无其它机车有关。 ( 4 ) 用晶闸管控制电网电压的投入相位，是解决过压问题的根本措施。 2 3 晶闸管阀自动过分相的方案 从技术角度考虑，最佳的方案是用晶闸管阔将真空开关全部代替，即如图2 1 0 所示。但该方案需用两个能够承受相间电压的晶闸管阀，且晶闸管阀要长期承担两相 问的隔离任务。 中性段 图2 1 0 完全晶闸管阀转换方案 从经济和安全性考虑，还用真空开关承担两相间的隔离任务，仅用一个晶闸管阀 完成投入电网电压的相位控制，即得到所谓的晶闸管阀和真空负荷开关混合型方案，其 工作原理如图2 1 1 所示的 机车到达1 c g 时，1 z k 闭合，并给晶闸管阀s c r 发出全导通的触发脉冲，机车从 分相绝缘器1 j y 到达中性段后，晶闸管阀开始导通，中性段由a 相供电。机车到达 2 c g 后，封锁晶闸管阀的触发脉冲，电流过零后晶闸管阀关断，分断1 z k ，闭合2 z k ， 选择合适的相角再次投入晶闸管阀s c r ，完成机车供电由a 相改为b 相供电的转换。 机车越过分相绝缘器2 j y 时，晶闸管阀电流下降到维持电流以下后自然关断。机车到 1 2 咖 蜘 吖 哪 啪 4 2 2 4 湖南大学硕士学位论文高压晶闸管阀在牵引供电网自动过分相中的应用研究 达4 c g 后，分断2 z k ，系统复位，等待f 一次转换。该混合型方案仍由真空开关承担 a 、b 相间的主开关，一则可减少晶闸管阀作为主开关击穿后造成相间短路的风险， ：二则可减少昂贵的晶闸管阀的数量，有较好的经济性。 专_ l y 厂也一 广 图2 i1 晶闸管阀和真空负荷开关混合型方案 由于陔方案线路左右对称，适用于上下行都有行车的线路。但该方案有个缺陷， 在机车还未进入中性段时，给晶闸管阀s c r 发出触发脉冲后，由于没有负载，晶闸管 阀将不会导通，这在中性段和a 相接触网间将造成电压差，机车带电进入中性段的瞬 间会拉弧烧弓。通常要在中性段加装假负载，但这样将增加整个装置的功耗。 i u ：z ：一 1 z k 曲 1 j y ”y 一 ，一 图2 1 2 不对称晶闸管阀自动过分相方案 由于地面自动过分相转换装置对于在长大坡道上坡的机车才有实际意义，故不必 考虑双向来车，可将主回路改为图2 1 2 所示。本文就是按不对称方案对牵引供电系 统自动过分相装置中高压晶闸管阀的应用进行研究。 2 4 小结 本章阐述了自动过分相真空开关转换方案产生的危害和过电压产生的机理，通过 仿真验证了用晶闸管阀代替真空开关以抑制操作过电压的技术可行性，对运用晶闸管 阀的转换方式进行了分析比较，撮后介绍了晶闸管阀和真空负荷开关混合型方案的工作 原理。 湖南大学硕士学位论文高压晶闸管阀在牵引供电网自动过分相中的应用研究 第三章高压晶闸管阀的方案设计 3 1 晶闸管阀的技术条件 按牵引供电系统的技术条件以及晶闸管阀和真空负荷开关混合的技术方案，提出 如下的技术条件： 1 工作电压：晶闸管阀最大将承受相问电压，按铁标t b 2 8 0 5 - - 1 9 9 7 电气化铁道 牵引变电所供电设备绝缘水平，其额定值为2 9 k v ，最大为3 1 5 k v 2 工作电流：按s s l 机车工作电流约2 0 0 a ，持续时间按机车4 5 公里小时通过1 2 0 米中性段约需9 。6 秒，按l o 秒计算。行车密度按高速列车每3 分钟通过一列车。 3 浪涌电流：短路电流视短路点远近而不同，最大6 0 0 0 a ，实测约5 个周波保护动 作。 4 冷却方式：对于短时脉冲性的负载，能够用空气自然冷却是最经济的技术方案。 3 2 晶闸管元件的选择 元件的选用应使其在最恶劣的工作条件下不超过其最大耐受电压，结温不超过 1 2 5 。c 。要承受如此高的额定电压，必须用多个元件串联。目前市场上进入商业应用 的进口晶闸管元件电压等级已到6 5 0 0 v 。经考察，瑞士a b b 公司的高压元件有较高的 可靠性，故选用a b b 公司的6 5 0 0 v 元件。a b b 公司有两款该电压等级的晶闸管元件可 以满足本晶闸管阀2 0 0 a 额定工作电流的要求，其额定平均电流分别为3 5 0 a 和7 6 0 a 。 但考虑需承受6 0 0 0 a 五个周波的浪涌电流后，选用5 s t p0 8 g 6 5 0 0 元件较为合适，其 额定平均电流为7 6 0 a ，l o m s 可承受的浪涌电流为11 6 0 0 a ，五周波可承受浪涌电流约 为6 2 0 0 a ，刚好满足本项目对晶闸管阀的要求。图2 1 l 为该元件的浪涌电流对浪涌 脉冲数的曲线圳。 l ，i 。 i k w q ” = 。霸 吖 蜀 m 、r r l - 1 1 j j t- 。 叶 i 【 _ 、 、 、 嗡一 ： 】t m 、 ， 一 、 e 一 ， 、 5 4 ，一 ， ， _ _ _rr u 图3 1 浪涌电流v si o m s 正弦半波数 1 4 湖南大学硕士学位论文高压晶闸管阀在牵引供电网自动过分相中的应用研究 3 3 晶闸管的串联个数 元件电压的定额远低于系统工作电压，需用多个元件串联构成所谓的晶闸管阀。 由于阀中各元件参数的差异，造成的晶闸管的动、静态特性不一致，将使个别晶闸管 承受额外的过电压。为减轻该过电压应力，必须给元件设计吸收电路。同时为避免极 端情况下个别元件延迟导通或丢失触发脉冲而造成的损坏，将使用具有雪崩特性的正 向转折二极管( b o d ) ，作为每个元件的过压保护措施，暂取b o d 的转折电压为6 0 0 0 v 。 则串联元件数r l s 可由下式计算“： 。：! 塑! 坐生塾生 5 v 日o d k ，一系统最大工作电压： 缸一换相过冲系数，取1 4 ； 七矿一过冲裕度系数，取1 1 ； 詹一绝缘裕度系数，i e c 推荐为1 2 ； 血广一电压不均匀系数，取0 8 5 ； 儿为1 6 1 4 ，取1 7 个元件，还需根据元件失效率采取一定的元件储备，取3 个元 件储备，共2 0 个元件，每5 个串联元件为一组，共分为4 个组件。 3 4 晶闸管的耗散功率计算 元件的功耗p ，。通常包括导通损耗r 、开通损耗和关断损耗p 。三部分。对于 工作在5 0 h z 的频率的晶闸管，开通损耗和关断损耗非常小。 3 4 1 开通损耗 晶闸管的开通损耗与其开通过程有关。晶闸管的导通是从门极开始的，阳极电流 首先在门极附近一个很小的区域导通，此时晶闸管呈现的导通电阻远大于其伏一安特 性上所给出的静态导通电阻。随着硅片中导通区域的扩大，导通压降很快下降，直到 整个硅片都导通，达到静态导通压降。晶闸管开通过程的损耗示意见图3 2 。 可用下式定义开通损耗“4 | ： w o n = m 名q ) 一_ o ) 1 i ( t d t 式中：砜、一每次开通损耗的能量 t s 一达到全部开通所需时间 v a ( t ) 一动态导通压降 v 。( t ) 一静态导通压降 湖南大学硕士学位论文高压晶闸管阀在牵引供电网自动过分相中的应用研究 i ( t ) 通态电流 蜘，v o , v s 、 、 图3 2 晶闸管开通过程中的电流电压波形及功率损耗 w uw “d 训拍i 2 0 ； 1 8 。 体臻：卜l 1 0 - 1 4 = 5 i n s 、 、l 1 z - ，o 膈 、_ 、j 1 一 1 e 、 、。卜、 ， ，一 o e ，、 r o6 ， 。 o 4 。町、 彳 二， 一。： o2 ! 二一_ _ 一 - o 2 j k 嘲 - | 图3 35 s t p0 8 6 6 5 0 0 元件的单次开通损耗曲线( 正弦半波) 州咖埘靼 3 2 l j ：= = ：强蹴匪 z 2 8 _ l m = i 、s 2 4 - ， 2 0 。 、。x ， ， z 1 6 ：吐氏戮7- “，一“鬈一 1 t 2 ，、 o e - p 1 o 4 贮l 黑寰 0 -_ 1 2i v a m 图3 45 s t p0 8 6 6 5 0 0 元件的单次关断损耗曲线 1 6 塑鱼垄兰翌主堂竺堡查壹垦苎塑篁望查主! ! 堡皇旦i 塑兰坌塑主塑生旦塑 5 s t p0 8 6 6 5 0 0 元件的数据清单提供了按上式定义的该元件在不同正弦半波电流 峰值下的开通能耗曲线，如图3 3 。查图可得，在5 0 h z 半波2 8 3 a 的峰值电流( 2 0 0 有效值) 下的开通损耗能量约为0 0 2 w s ，损耗功率为0 0 2 w s x 5 0 h z 2 l w 。 3 4 2 关断损耗p 。， 同样，晶闸管的关断损耗与其反向恢复过程有关。晶闸管关断时要流过相当大的 反向恢复电流，在反向恢复电流达到峰值时开始承受反向电压，从而在元件中产生损 耗。图3 5 为晶闸管关断时的电流、电压及功耗曲线。关断损耗由下式定义： 2j i a 以出 硝 式中，w 。每次关断损耗的能量 图3 5 晶闸管关断时的电流、电压及功耗曲线 t 。一关断时间，i 。( t 。) = o i 。一反向恢复电流 v 。一反向电压 5 s t p0 8 6 6 5 0 0 元件的数据清单也提供了单次关断损耗曲线。如图3 4 。图中i ，。 为5 0 h z 正弦半波电流峰值，v 。为承受的反向电压。在i ，。为2 8 3 a ，v 。为 1 4 1 4 x 3 1 5 k v 1 7 = 2 6 2 k k v ( 考虑最坏情况) 条件下，w 。约为o ，6w s ，5 0 h z 时艮， 为3 0 w 。 塑壹垄堂翌主生堡堕查童堡苎塑笪塑垒主! ! 堡皇璺! 型苎坌塑主塑生旦竺垄 一 3 4 3 导通损耗p - 晶闸管正向导通时产生的管压降引起导通损耗。元件的j 下向伏安特性给出了平均 电流在4 0 0 a 2 0 0 0 a 下的导通压降曲线。将诈向伏安特性线性化，可以得出下面的导 通压降v 、计算模型“： ( ) = 。+ i ，。吩 式中，v ，。一门槛电压 r ，一斜率电阻 v 。和r ，都由厂商提供。在该模型的基础上可用下式计算元件的导通功耗，将元 件的功耗分为一直流分量和一交流分量的叠加： p = y t 。j n v + r t i ；m 式中i 。和i 。分别为电流平均值和有效值。但5 s t p0 8 g 6 5 0 0 元件数据清单中提 供的v ，。和r t 数据仅适用于6 0 0 1 8 0 0 a 电流范围。对于更大电流范围的导通压降计算， 厂商提供了更高精度的4 系数压降计算模型： ( j r ) = a + b j r + c l n u r4 - 1 ) + d j r 式中，a 一2 6 7 6 4 9 5 ，b = o 0 0 1 5 3 0 ，c ：0 9 2 2 0 0 4 ，d 一0 0 9 4 3 5 ，模型在4 0 0 3 0 0 0 a 有效。 由于本项目工作电流很小，不在上述模型的适用范围，可用查表的方法计算功耗。 厂商提供了在最大结温条件下通以不同电流值时测得的导通损耗曲线，见图3 6 。在 通过2 0 0 a 有效值电流时，可查得导通损耗约为2 5 0