一种地面自动过分相装置及其控制方法与流程

本发明涉及列车过分相技术领域，尤其涉及一种地面自动过分相装置及其控制方法。

背景技术：

我国电气化铁路牵引供电系统是采用27.5kV单相供电方式，牵引变电所将电力系统提供的110kV或220kV三相电转换成27.5kV的单相交流电给牵引供电网，但是单相供电容易在电网中产生负序电流，而负序电流对电网中的设备、输电线路、继电保护等会产生很大影响。为平衡电力系统的A、B、C三相电流，牵引变电所对接触网实行换相轮流供电方式；为防止相间短路，接触网各相间采用绝缘物分割，即为“电分相”，因此在变电所出口处及两牵引变电所之间(供电臂末端)必须设置电分相装置。目前国内交流电气化铁路上，一般每隔20～30km即会设置一个电分相区。

根据列车在经过分相区时列车的主断路器是否断开，主要分为断电过分相和带电过分相两大类，其中断电过分相存在列车降牵引、速度损失大等问题，特别是在在大坡道低速行驶时，因过分相断电和合闸相距时间较长，因而列车速度损失大、牵引力丢失严重，且不能避免过电压冲击；带电自动过分相分为柱上式自动过分相和地面装置自动过分相两种方式，其中柱上自动过分相方式断电死区较长(约100ms)，列车程序需要特殊处理，且过电压冲击和涌流大，容易造成列车主断路器跳闸，真空开关带负荷分断，也需要经常维护，同时难以适用于临时限速和一度停车等特殊情况以及多弓列车中。

地面自动过分相作为带电过分相方式，是通过安装在地面的装备给中性段供电，列车运行在分相区时也可以获得电能，因此不需断开列车的主断路器、列车牵引力损失小。目前的地面自动过分相通常是采用机械式真空断路器控制实现，机械开关的寿命低(通常在5万次以下)，响应时间慢，不能实现精确的合闸控制，控制通常只能精确达到士0.5ms(50Hz交流电的4.5°)，而且要达到该指标其控制很复杂，另外基于真空断路器还会产生过电压及涌流等。有从业者提出利用晶闸管控制实现地面自动过分相方案，但该类方案实现通常较为复杂，所需成本高，且晶闸管切换时由于无法准确判别晶闸管的关断点，因而中性区断电死区通常较长。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种所需成本低、能够实现列车不断电自动过分相、可靠性高、运行稳定且中性区断电死区极小的地面自动过分相装置及其控制方法。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种地面自动过分相装置，包括依次连接的用于识别列车行驶位置、方向的列车识别单元、逻辑控制系统、阀控制单元、由两个晶闸管阀组串联构成的晶闸管阀组单元以及用于检测晶闸管阀组电流的电流检测单元，所述晶闸管阀组单元分别与接触网两相供电臂以及中性区连接，所述逻辑控制系统根据所述列车识别单元识别到的所述列车行驶位置、方向控制接入一个所述晶闸管阀组进行供电，以及需要换相时根据所述电流检测单元检测到的晶闸管电流的状态，控制切换接入另一个所述晶闸管阀组。

作为本发明装置的进一步改进：每个所述晶闸管阀组的输入端均设置有接入断路器；每个所述晶闸管阀组的两端还并联连接有旁路断路器。

作为本发明装置的进一步改进：所述晶闸管阀组包括由反并联晶闸管构成的晶闸管元件单元、触发单元、用于提供电源的取能单元以及用于抑制晶闸管关断时的过电压的RC吸收单元、用于对晶闸管进行静态均压以及防止晶闸管过电压的BOD保护单元。

作为本发明装置的进一步改进：所述电流检测单元包括分别设置在两个所述晶闸管阀组侧的两个电流互感器，所述晶闸管阀组通过对应的所述电流互感器连接接触网供电臂。

作为本发明装置的进一步改进：所述装置集成于一箱体内，所述箱体上设有分别连接接触网两相供电臂以及中性区的连接接口，所述晶闸管阀组单元通过所述连接接口分别与接触网两相供电臂以及中性区连接；所述箱体包括第一箱体、第二箱体，所述逻辑控制系统、阀控制单元以及一个所述晶闸管阀组集成至所述第一箱体中，另一个所述晶闸管阀组、所述列车识别单元中含有列车行驶状态信息的列车识别系统集成至所述第二箱体中。

作为本发明装置的进一步改进：所述第一箱体、第二箱体内均依次分隔设置有低压控制室、中间腔室以及开关室，所述逻辑控制系统、阀控制柜设置于所述第一箱体的低压控制室内，所述列车识别单元设置于所述第二箱体的低压控制室内，两个所述晶闸管阀组分别设置于所述第一箱体、第二箱体的开关室内，所述第一箱体、第二箱体的中间腔室用于设置所述装置中断路器。

作为本发明装置的进一步改进：所述晶闸管阀组由多个晶闸管阀组串联构成，各个串联的所述晶闸管阀组依次重叠布置于所述箱体中；所述晶闸管阀组通过阀固定横梁、阀固定纵梁以及安装座固定安装于所述箱体中。

作为本发明装置的进一步改进：所述第一箱体、第二箱体内还集成有散热装置以及辅助设备；所述第一箱体、第二箱体的内壁上还设置有保温层。

作为本发明装置的进一步改进：所述列车识别单元包括含有列车行驶状态信息的列车识别系统，以及布置在分相处两边铁轨上的计轴检测传感器，所述计轴检测传感器实时检测列车行驶位置、方向信号，发送给所述逻辑控制单元；所述逻辑控制单元根据所述列车识别系统的列车行驶状态信息，识别列车行驶位置以及方向；所述列车识别系统具体集成于所述第二箱体内。

本发明进一步提供上述地面自动过分相装置的控制方法，其特征在于步骤包括：

1)当识别到列车到达第一位置时，将与所述第一位置对应的晶闸管阀组作为目标晶闸管阀组，控制目标晶闸管阀组导通以对列车进行供电；

2)当识别到列车到达需要换相的第二位置时，在电压过零点封锁已导通的目标晶闸管阀组的脉冲信号并检测目标晶闸管阀组的电流过零点，当检测到电流过零点时转入执行步骤3)；

3)立即开通另一组所述晶闸管阀组的触发脉冲。

与现有技术相比，本发明地面自动过分相装置的优点在于：

1)本发明地面自动过分相装置，通过控制晶闸管阀实现列车带电过分相，列车在分相区无需减速通过，能够大大缩短列车通过分相区的时间，且列车主断路器在经过分相区时无需动作，可显著提高列车主断路器的使有寿命，同时基于晶闸管阀开关能够实现柔性自动过分相，晶闸管的保护功能完善，可靠性高、运行稳定，可以精确控制合闸相位、抑制合闸涌流，且过电压水平低，能够实现过零关断，从而对车上的高压设备的主绝缘无影响，能够提高列车上高压设备的使用寿命，降低运营维护成本；

2)本发明地面自动过分相装置，通过电流检测单元检测晶闸管电流，在需要换相时，逻辑控制系统根据晶闸管阀组电流的状态控制切换晶闸管阀组，能够基于晶闸管阀组电流的状态控制晶闸管阀组的开通、关断，提高换相控制的精度以及效率，有效减小中性区断电死区；

3)本发明地面自动过分相装置进一步基于集装箱式，占地面积小、成本低且投切方便，可在分相区直接挂网运行，防护等级能够达到IP54；基于集装箱式结构还可以预先调试好装置，从而减小装置的在现场调试时间，具有极高的经济性和实用性；

4)本发明地面自动过分相装置箱体进一步依次分隔设置有低压控制室、中间腔室以及开关室，以将装置的高低压区分开布置，实现高低压隔离，且方便调试操作及停电检修等。

与现有技术相比，本发明地面自动过分相装置的控制方法的优点在于：本发明地面自动过分相装置的控制方法，通过实时检测晶闸管阀组的过零关断时间，能够精确、快速的控制另外一个晶闸管阀组的开通，有效减少了断电死区时间，使得中性区断电死区极小，接触网基本可以达到无供电死区，从而使换相时中性段无断电。

附图说明

图1是本实施例地面自动过分相装置的结构示意图。

图2是本实施例地面自动过分相装置实现过分相的工作原理示意图。

图3是本实施例地面自动过分相装置实现过分相的工作时序示意图。

图4是本实施例第一箱体的具体结构示意图。

图5是本实施例第一箱体的A-A剖视图。

图6是本实施例第一箱体的侧视图。

图7是本实施例所采用的晶闸管阀组的结构示意图。

图例说明：1、箱体，2、逻辑控制单元；3、阀控制单元；4、接入断路器、5、旁路断路器；6、穿墙套管；7、晶闸管阀组；8、低压供电变压器；9、低压电抗器；10、风机架；11阀固定横梁；12、阀固定纵梁；13、安装座。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

如图1所示，本实施例地面自动过分相装置包括用于识别列车行驶位置、方向的列车识别单元、逻辑控制系统2(LK)、阀控制单元3、由两个晶闸管阀组7(SCR1、SCR2)串联构成的晶闸管阀组单元以及用于检测晶闸管阀组7电流的电流检测单元，晶闸管阀组单元分别与接触网两相(A、B相)供电臂以及中性区连接，逻辑控制系统2根据列车识别单元识别到的列车行驶位置、方向控制接入一个晶闸管阀组7进行中性区供电，以及需要换相时根据电流检测单元检测到的晶闸管电流的状态，控制切换接入另一个晶闸管阀组7。

本实施例在接触网的分相处嵌入一中性段，上述地面自动过分相装置跨接在中性区绝缘器(JY1、JY2)的两端。电流检测单元具体包括分别设置在两个晶闸管阀组7侧的两个电流互感器(TA1、TA2)，晶闸管阀组7通过对应的电流互感器(TA1/TA2)连接接触网A、B相供电臂。本实施例阀控制单元3具体为阀控制柜FK，所采用的晶闸管阀组7能够接收阀组控制柜FK的触发信号实现对中性区的导通供电，且关断时能承受两供电臂之间的电压差，保证两相电源之间的电气绝缘。

本实施例通过控制晶闸管阀实现列车带电过分相，列车在分相区无需减速通过，能够大大缩短列车通过分相区的时间，且列车主断路器在经过分相区时无需动作，可显著提高列车主断路器的使有寿命，同时基于晶闸管阀开关能够实现柔性自动过分相，晶闸管的保护功能完善，可靠性高、运行稳定，可以精确控制合闸相位、抑制合闸涌流，且过电压水平低，能够实现过零关断，从而对车上的高压设备的主绝缘无影响，能够提高列车上高压设备的使用寿命，降低运营维护成本。

本实施例中，每个晶闸管阀组7的输入端均设置有接入断路器4(QF1、QF2)；每个晶闸管阀组7的两端还并联连接有旁路断路器5(QF3、QF4)，控制将晶闸管阀组7进行旁路，在晶闸管阀组7故障时闭合旁路断路器5，保证装置的正常运行，待晶闸管阀组7正常后再断开旁路断路器5以重新投入晶闸管阀组7。

本实施例中，晶闸管阀组7包括由反并联晶闸管构成的晶闸管元件单元14、触发单元17、用于提供电源的取能单元18以及用于抑制晶闸管关断时的过电压的RC吸收单元15、用于对晶闸管进行静态均压以及防止晶闸管过电压的BOD保护单元16。触发单元17通过接收阀控制单元3发送的触发信号，以及监测晶闸管的导通状态反馈给阀控制单元3。本实施例取能单元18具体采用低压取能方式，通过隔离变压器、高压电缆实现高、低压电位的隔离，利用电流互感器耦合将能量传递至晶闸管阀组7的电路板，实现为阀组电路板提供电源。

本实施例中，列车识别单元包括含有列车行驶状态信息的列车识别系统SK，以及布置在分相处两边铁轨上的计轴检测传感器，计轴检测传感器实时检测列车行驶的位置、方向信号，发送给逻辑控制单元2；逻辑控制单元2根据列车识别系统SK的列车行驶状态信息，识别列车行驶位置以及方向。本实施例具体布置三个计轴检测传感器(CG1、CG2、CG3)，由CG1、CG3布置在中性区两端的检测位置，用于检测两个行驶方向上列车是否即将进入中性区；CG2布置在中性区检测点位置，用于检测是否需要换相。

上述地面自动过分相装置工作时，计轴检测传感器CG1、CG2、CG3检测列车行驶的方向和位置，并将信号传给逻辑控制单元2；逻辑控制单元2采集列车识别控制系统的信息识别是否有列车通行，如果识别到有，通过阀控制单元3发送光纤发触发脉冲给一个晶闸管阀组7的触发单元，控制晶闸管阀组7开通或关断，且计轴检测传感器检测到需要换相时，根据电流互感器TA1/TA2检测到的晶闸管电流的状态，控制切换另一个晶闸管阀组7，实现两供电臂对中性区的轮流供电切换。

本实施例中，上述地面自动过分相装置的控制方法步骤包括：

1)当识别到列车到达第一位置时，将与第一位置对应的晶闸管阀组7作为目标晶闸管阀组，控制目标晶闸管阀组导通以对列车进行供电；

2)当识别到列车到达需要换相的第二位置时，在电压过零点封锁已导通的目标晶闸管阀组的脉冲信号并检测目标晶闸管阀组的电流过零点，当检测到电流过零点时转入执行步骤3)；

3)立即开通另一组晶闸管阀组7的触发脉冲。

本实施例通过实时检测晶闸管阀组7的过零关断时间，能够精确、快速的控制另外一个晶闸管阀组7的开通，有效减少了断电死区时间，使得中性区断电死区极小，基本可以达到接触网无供电死区，从而使换相时中性段无断电。

如图2所示，本实施例当列车从A相驶来到CG1处时，通过传感器检CG1检测机车的位置，在即将进入中性区(CG1位置)前，由逻辑控制系统2下达导通指令给阀组控制柜FK，阀组控制柜FK随即发送触发信号给晶闸管阀组SCR1，晶闸管阀组SCR1导通，接入A相供电，保障机车带电进入中性区；当机车进入中性区检测点(CG2位置)后，逻辑控制系统LK下达阀组关断命令给阀组控制柜FK，由阀组控制柜FK封锁晶闸管阀组SCR1的触发脉冲，晶闸管阀组SCR1关断；之后当检测到晶闸管阀组SCR1电流CT信号为过零关断时，立即下达B相对应的晶闸管阀组SCR2导通命令给阀组控制系统FK，阀组控制系统FK触发晶闸管阀组SCR2导通，完成中性区电源供电切换；待机车完全驶离中性区(CG3位置)后再由逻辑控制系统LK下达关断命令给阀组控制柜FK，阀组控制柜FK停止发送触发信号，实现晶闸管阀组SCR2关断，完成全部过分相过程。反向行驶时，逻辑控制系统LK控制两个晶闸管阀组SCR1、晶闸管阀组SCR2以相反顺序按照上述步骤轮流断开与闭合。当晶闸管阀组SCR或阀组控制柜FK故障时，逻辑控制系统LK启动并联的旁路断路器QF3/QF4。

如图3所示，本实施例上述控制方法具体包含以下时序，其中两条曲线分别表示晶闸管阀组SCR1的电压、电流信号：

①当检测到机车到达CG1位置时(t1时刻)，晶闸管阀组SCR1导通，中性区电压与A臂电压相等；

②当检测到机车到达中性区CG2位置时(t2时刻)，在电压过零点即图中A点关闭晶闸管阀组SCR1的触发脉冲(SCR-F1)，晶闸管阀组SCR1实际在电流过零点B(t3时刻)完全关断；

③通过检测CT信号过零关断后，立即开通晶闸管阀组SCR2的触发脉冲(SCR-F2)，晶闸管阀组SCR2立即在C点(t4时刻)导通。

采用上述控制方法，控制系统检测CT信号时延具体小于1ms，控制系统发出触发脉冲到元件导通的延时小于1ms，因此总延时时间小于2ms，即上述控制方法实现过分相时的延时小。

本实施例中，上述地面自动过分相装置具体集成于一箱体1内，箱体1上设有分别连接接触网两相供电臂以及中性区的连接接口，晶闸管阀组单元通过连接接口分别与接触网两相供电臂以及中性区连接。本实施例箱体1具体包括第一箱体(集装箱JZX-A)、第二箱体(集装箱JZX-B)，即由两台集装箱集成组成，逻辑控制系统2、阀控制单元3以及一个晶闸管阀组7集成至第一箱体(集装箱JZX-A)中，另一个晶闸管阀组7、列车识别系统SK集成至第二箱体(集装箱JZX-B)中。

本实施例上述地面自动过分相装置基于集装箱式，占地面积小、成本低且投切方便，可在分相区直接挂网运行，分区变电站不用报建审批，且能够实现完全密闭，风沙、粉尘等均无法进入，防护等级能够达到IP54；另外基于集装箱式结构，上述地面自动过分相装置还可以预先调试好，从而减小装置的在现场调试时间，具有极高的经济性和实用性。

本实施例中，第一箱体、第二箱体内均依次分隔设置有低压控制室、中间腔室以及开关室，以将装置的高低压区分开布置，其中逻辑控制系统2、阀控制柜3设置于第一箱体的低压控制室内，列车识别单元设置于第二箱体的低压控制室内，在低压控制室的前后设置有门以便于检修维护；两个晶闸管阀组7分别设置于第一箱体、第二箱体的开关室内，第一箱体、第二箱体的中间腔室用于设置对应的接入断路器4、旁路断路器5。本实施例开关室与中间腔室通过围栏隔开，实现高低压隔离，方便调试操作及停电检修。第一箱体结构具体如图4、5以及6所示，箱体内还集成有低压供电变压器8、低压电抗器9以及用于布置连接A/B相或中性点接口的穿墙套管6。第二箱体的结构与第一箱体的结构基本相同，不同在于第一箱体中用于布置逻辑控制系统2的位置，在第二箱体中布置为列车识别系统SK。

本实施例中，晶闸管阀组7由多个晶闸管阀组串联构成，各个串联的晶闸管阀组依次重叠布置于箱体1(第一箱体/第二箱体)中。如图4～7所示，本实施例晶闸管阀组7通过阀固定横梁11、阀固定纵梁12以及安装座13固定安装于箱体1中。本实施例晶闸管阀组7具体由4台晶闸管阀组串联叠放而成，4台晶闸管阀组7由阀固定横梁11、阀固定纵梁12、安装座13分别与箱体1的顶梁及底板固定，防止阀在运输过程中由于阀重心偏高而引起的摇晃，同时阀组叠放有利于减小箱体1的长度，进而减小装置的体积，减小占地面积、降低成本，同时便于运输。

本实施例中，第一箱体、第二箱体内还集成有散热装置以及辅助设备，散热装置包括空调，对晶闸管阀组7进行通风冷却，晶闸管阀组7的正下方位置安装有风机架10，以提高通风冷却性能；辅助设备包括加热器、照明灯(本实施例具体采用三防灯)、温度检测装置、烟雾报警器、插座等，确保内部设备安全及方便检修，其中加热器用于低温环境下加热箱体内部空气，使内部环境温度达到过分相装置及控制系统启动的工作条件。

本实施例中，第一箱体、第二箱体的内壁上还设置有保温层以进行隔热处理，能够给装置保温，使得装置的环境适应性好，保证室内受高低温的影响较小。本实施例具体在第一箱体、第二箱体的顶部和四壁均设置有岩棉聚苯保温层，保证箱体的保温性能。

上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。