地面开关自动切换自动过电分相装置的研究

地面开关自动切换自动过电分相装置的研究

正在开采的铁路电网采用了一个单独的供电，电气系统是一个三相制的系统。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,即每隔20km～25km设置一个分相段,相邻分相段由不相同的两相供电,相邻分相区有30m左右的供电死区,这样就存在电力机车如何通过分相区的问题。目前我国绝大部分线路采用的是车上人工转换法,即机车行至分相区时,司机先要退级、关辅助机组、断主断路器,惰行通过分相区后,再逐项恢复。这种人工转换法不仅司机劳动强度大,而且通过无电区时间长,机车速度下降多,司机稍不留神,就会带电通过分相区,造成相间短路。这种过电分相方法不满足现代铁道重载和高速发展的需要,自动过电分相转换装置的研究显得十分紧迫。目前自动过电分相装置的基本技术方案有3种:①地面开关自动切换;②柱上开关自动切换;③车上自动控制断电方法。自动过电分相装置克服了车上人工转换的不足,但也带来了一些新的问题,其中主要是机车过电分相后得电时的过电流和过电压。上述3种自动过电分相方案都要进行主电路的换相开合操作,机车内部过程基本一样。下面以西安科研所研制的地面开关自动切换自动过电分相装置为例来进行分析。如图1所示,机车(下面的分析都是以SS1为例)由A相驶向B相,当机车到达1CG处时,真空断路器1ZK闭合,中性段由A相供电;待机车进入中性段,到3CG处时,1ZK分断,真空断路器2ZK随即迅速闭合,中性段由A相供电转向B相供电,完成相间自动转换。试验表明1ZK断开迅速,无截流现象,也无过电压,问题出现在2ZK合闸时。当2ZK闭合时,主变压器一次侧出现过电压,造成放电间隙击穿不能恢复,引起变电所跳闸;主变压器和辅助电机系统过流继电器动作造成主断路器跳闸。1辅助电机系统残压分析在自动过电分相中,当1ZK断开,2ZK合上之前,测得机车主变压器一次侧电压高达11kV～12kV,我们称其为残压。机车轻载时,残压更高,可接近A相电网电压。残压生成是因为SS1机车辅机系统采用了旋转劈相机供电。在1ZK断开后,变压器辅助绕组和辅助电路异步机群之间仍构成闭合回路,其中有些电机处于发电状态,有的处于电动状态,辅机系统可等效于一个电源,辅助绕组上的电压耦合到主变压器的一次侧,就表现为残压(注:异步机群发电与人们通常认为的异步电机自励发电需要电容的理论是有差别的)。残压衰减速度与机车的所处级位有关,级位越高衰减越快。因为断电时间很短,仅有130ms左右,2ZK合上时残压仍保持很高的幅值。笔者在试验室进行多次模拟试验中证明了这一点。对相控机车或交直交机车,如在无电网供电时封锁整流器触发信号,能量仅在辅机系统内部衰减,衰减速度慢,残压将会一直接近于A相电压。下面的分析可以说明:残压是造成自动过电分相合闸时主电路过电流和过电压、辅助电路过电流的主要原因。过电流使保护动作,主断路器跳闸;过电压使放电间隙击穿,引起变电所跳闸。此外频繁的过电压和过电流冲击,影响牵引变压器、变流器及辅助电机系统的寿命。笔者认为进口自动过分相装置在我国不能很好运行的一个主要原因是:我国的电力机车除8K电力机车之外,辅助电机系统都使用了旋转劈相机供电,过电分相时必然造成残压。国外机车使用的是静止逆变器驱动辅助电机系统,过电分相时,辅助电机系统可以等合闸后再变频启动。这样辅助电机系统被逆变器隔离,不能将电压耦合到机车变压器一次侧形成残压,从而避免了过电压和过电流。2暂态分量z.th真空断路器2ZK闭合前,主变压器有剩磁通ΦS,ΦS可表示为ΦS(t)=∫uT·dt,其中uT为中性段残压;合闸后主变压器的稳态磁通ΦW(t)可近似表示为ΦW(t)=∫ub·dt,其中ub为B相电压。合闸后磁通的暂态分量为ΦZ(tH)=ΦS(tH)-ΦW(tH),合闸时刻tH是随机的,因而ΦZ(tH)的大小也是随机的。暂态分量ΦZ(tH)可能很小,甚至为0;也可能很大,最大幅值为|ΦZmax(tH)|=|ΦSmax|+|ΦZmax|,即剩磁通最大值和稳态磁通最大值之和。合闸后主变压器暂态磁通会使主变压器磁通饱和,导致励磁电流很大。我们知道:单相变压器在电压为零时空载合闸,变压器的暂态磁通为ΦWmax,最大磁通为稳态磁通和暂态磁通之和,因此可达到2ΦWmax。这里也可清楚地看到因为残压的存在,变压器内有剩磁通,合闸时的最大磁通将大于2ΦWmax。如果残压幅值为网压的1/2(大多数情况下在这个范围左右),那么合闸后的最大饱和磁通可达2.5ΦWmax,引起的浪涌励磁电流会大大增加。机车轻载时饱和程度将更大,励磁电流更大。对象牵引变压器这样的大型变压器,暂态磁通要经过几个周期方能衰减为零,这时浪涌励磁电流可能已造成主电路过流保护动作、主断路器跳闸。3阿利克仑的相位差过电分相断电期间,辅助电机系统处于电动和发电状态。合闸后辅助电机系统瞬时等效电路如图2所示,可表示为两个电势和阻抗串联,其中Ef为辅助电机系统发电电势,E1为电网电压折算到辅助绕组的等效电势,Z1为回路等效阻抗。回路的总电势E=E1-Ef,E1的大小和相位基本固定,E的大小取决于El的大小及El与Ef的相位差。正如前面所述,Ef大小和相位与牵引主电路的级位有关,与辅助电机投入的数目有关,具有随机性;Ef的频率也稍有变化,略低于50Hz。为了分析方便,这里不考虑频率变化。当Ef和E1相位差大于90°时,|E|大于|E1|;如果合闸时Ef和E1相位刚好相反,这时|E|为|Ef|和|E1|的代数相加,辅助电机系统的电流将很大,比辅助电机系统直接投入时还要大。根据现场实测到的结果,辅助电机系统过电流达到5490A,大于3800A(辅助电机系统过流保护动作值),会引起辅助电机系统过流保护动作,主断路器跳闸。笔者在试验室模拟试验时发现,Ef和E1不同相位差对电流影响十分明显。如辅助电机系统使用静止逆变器供电,自动过电分相重新得电时,用变频来重新启动辅助电机系统,可消除过电流。4电机电流对ud的影响真空断路器2ZK合闸时,整流器和牵引电机系统电流上升速度和幅度不会很大,其理由如下:(1)主变压器断电时间短,且断电时有残压给整流器和牵引电机系统供电,因而电机转速下降小。(2)机车整流器输出串有大的平波电抗器,抑制了电机电流的上升速度。(3)机车采用串励磁场,磁场随电流而增加,从而对电流上升幅值有很强的抑制作用。电机回路方程为:ud=n·Ce·Φ(id)+Ld·di/dt+id·∑R,其中ud为整流器输出电压,n为电机转速,Ce为电机常数,Φ(id)为电机磁通,Ld为平波电抗电感,∑R为回路总电阻。由此可以看出,合闸时ud增加,大部分由n·Ce·Φ(id)和Ld·di/dt承担,只有一少部分由id·∑R承担,也就是说电流上升少。具体说,合闸时,假设机车速度下降了10%,且Φ(id)与id成线性关系,则id上升的最大幅度比1ZK断开时增加不到10%。这说明从电流看来整流器和牵引电机系统所受影响不大,现场试验也证明,过分相时牵引力的冲击不大。如果是相控机车或交直交机车,可通过电网电压检测机车重新得电时软启动牵引系统,消除电流冲击。5两种因素叠加下放电结果对比2ZK合闸时,残压与合闸电网电压有一瞬态差。合闸后的电压响应是稳态和暂态响应的叠加,当稳态响应与暂态响应正向叠加时就表现出过电压。对过电压的详细分析见文献。过电压曾多次使放电间隙击穿而不能恢复,导致变电所跳闸。过电压的危害还在于:如果过电压感应到变压器的二次侧,可能会击穿整流元件,破坏电机绝缘。6采用静接金属阀取代旋转基肥由上述分析,自动过电分相对整流器和牵引电机系统影响不大,对变压器和辅助电机系统影响较大。机车自动过电分相合闸时主变压器电流浪涌、辅助电机系统过电流、主变压器的一次侧过电压都与残压有关。有效减小这些有害影响的根本手段是减少或消除残压。用静止逆变器取代旋转劈相机是最佳可选方案,也是发展的方向。但从我国电力机车现状看来,要在短期内用静止逆变器取代旋转劈相机是不现实的。理由有二:其一,旋转劈相机供电技术在我国使用多年,技术成熟,数量很大;其二,采用静止逆变器供电,技术上无问题,但可靠性尚有待改进。因