地面開關(guān)自動切換自動過電分相裝置的研究

地面開關(guān)自動切換自動過電分相裝置的研究

正在開采的鐵路電網(wǎng)采用了一個單獨(dú)的供電，電氣系統(tǒng)是一個三相制的系統(tǒng)。為了使電氣化鐵道從電力系統(tǒng)三相電網(wǎng)取流基本對稱,電氣化鐵道采用了分相分段取流的方法,即每隔20km～25km設(shè)置一個分相段,相鄰分相段由不相同的兩相供電,相鄰分相區(qū)有30m左右的供電死區(qū),這樣就存在電力機(jī)車如何通過分相區(qū)的問題。目前我國絕大部分線路采用的是車上人工轉(zhuǎn)換法,即機(jī)車行至分相區(qū)時,司機(jī)先要退級、關(guān)輔助機(jī)組、斷主斷路器,惰行通過分相區(qū)后,再逐項(xiàng)恢復(fù)。這種人工轉(zhuǎn)換法不僅司機(jī)勞動強(qiáng)度大,而且通過無電區(qū)時間長,機(jī)車速度下降多,司機(jī)稍不留神,就會帶電通過分相區(qū),造成相間短路。這種過電分相方法不滿足現(xiàn)代鐵道重載和高速發(fā)展的需要,自動過電分相轉(zhuǎn)換裝置的研究顯得十分緊迫。目前自動過電分相裝置的基本技術(shù)方案有3種:①地面開關(guān)自動切換;②柱上開關(guān)自動切換;③車上自動控制斷電方法。自動過電分相裝置克服了車上人工轉(zhuǎn)換的不足,但也帶來了一些新的問題,其中主要是機(jī)車過電分相后得電時的過電流和過電壓。上述3種自動過電分相方案都要進(jìn)行主電路的換相開合操作,機(jī)車內(nèi)部過程基本一樣。下面以西安科研所研制的地面開關(guān)自動切換自動過電分相裝置為例來進(jìn)行分析。如圖1所示,機(jī)車(下面的分析都是以SS1為例)由A相駛向B相,當(dāng)機(jī)車到達(dá)1CG處時,真空斷路器1ZK閉合,中性段由A相供電;待機(jī)車進(jìn)入中性段,到3CG處時,1ZK分?jǐn)?真空斷路器2ZK隨即迅速閉合,中性段由A相供電轉(zhuǎn)向B相供電,完成相間自動轉(zhuǎn)換。試驗(yàn)表明1ZK斷開迅速,無截流現(xiàn)象,也無過電壓,問題出現(xiàn)在2ZK合閘時。當(dāng)2ZK閉合時,主變壓器一次側(cè)出現(xiàn)過電壓,造成放電間隙擊穿不能恢復(fù),引起變電所跳閘;主變壓器和輔助電機(jī)系統(tǒng)過流繼電器動作造成主斷路器跳閘。1輔助電機(jī)系統(tǒng)殘壓分析在自動過電分相中,當(dāng)1ZK斷開,2ZK合上之前,測得機(jī)車主變壓器一次側(cè)電壓高達(dá)11kV～12kV,我們稱其為殘壓。機(jī)車輕載時,殘壓更高,可接近A相電網(wǎng)電壓。殘壓生成是因?yàn)镾S1機(jī)車輔機(jī)系統(tǒng)采用了旋轉(zhuǎn)劈相機(jī)供電。在1ZK斷開后,變壓器輔助繞組和輔助電路異步機(jī)群之間仍構(gòu)成閉合回路,其中有些電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài),有的處于電動狀態(tài),輔機(jī)系統(tǒng)可等效于一個電源,輔助繞組上的電壓耦合到主變壓器的一次側(cè),就表現(xiàn)為殘壓(注:異步機(jī)群發(fā)電與人們通常認(rèn)為的異步電機(jī)自勵發(fā)電需要電容的理論是有差別的)。殘壓衰減速度與機(jī)車的所處級位有關(guān),級位越高衰減越快。因?yàn)閿嚯姇r間很短,僅有130ms左右,2ZK合上時殘壓仍保持很高的幅值。筆者在試驗(yàn)室進(jìn)行多次模擬試驗(yàn)中證明了這一點(diǎn)。對相控機(jī)車或交直交機(jī)車,如在無電網(wǎng)供電時封鎖整流器觸發(fā)信號,能量僅在輔機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部衰減,衰減速度慢,殘壓將會一直接近于A相電壓。下面的分析可以說明:殘壓是造成自動過電分相合閘時主電路過電流和過電壓、輔助電路過電流的主要原因。過電流使保護(hù)動作,主斷路器跳閘;過電壓使放電間隙擊穿,引起變電所跳閘。此外頻繁的過電壓和過電流沖擊,影響牽引變壓器、變流器及輔助電機(jī)系統(tǒng)的壽命。筆者認(rèn)為進(jìn)口自動過分相裝置在我國不能很好運(yùn)行的一個主要原因是:我國的電力機(jī)車除8K電力機(jī)車之外,輔助電機(jī)系統(tǒng)都使用了旋轉(zhuǎn)劈相機(jī)供電,過電分相時必然造成殘壓。國外機(jī)車使用的是靜止逆變器驅(qū)動輔助電機(jī)系統(tǒng),過電分相時,輔助電機(jī)系統(tǒng)可以等合閘后再變頻啟動。這樣輔助電機(jī)系統(tǒng)被逆變器隔離,不能將電壓耦合到機(jī)車變壓器一次側(cè)形成殘壓,從而避免了過電壓和過電流。2暫態(tài)分量z.th真空斷路器2ZK閉合前,主變壓器有剩磁通ΦS,ΦS可表示為ΦS(t)=∫uT·dt,其中uT為中性段殘壓;合閘后主變壓器的穩(wěn)態(tài)磁通ΦW(t)可近似表示為ΦW(t)=∫ub·dt,其中ub為B相電壓。合閘后磁通的暫態(tài)分量為ΦZ(tH)=ΦS(tH)-ΦW(tH),合閘時刻tH是隨機(jī)的,因而ΦZ(tH)的大小也是隨機(jī)的。暫態(tài)分量ΦZ(tH)可能很小,甚至為0;也可能很大,最大幅值為|ΦZmax(tH)|=|ΦSmax|+|ΦZmax|,即剩磁通最大值和穩(wěn)態(tài)磁通最大值之和。合閘后主變壓器暫態(tài)磁通會使主變壓器磁通飽和,導(dǎo)致勵磁電流很大。我們知道:單相變壓器在電壓為零時空載合閘,變壓器的暫態(tài)磁通為ΦWmax,最大磁通為穩(wěn)態(tài)磁通和暫態(tài)磁通之和,因此可達(dá)到2ΦWmax。這里也可清楚地看到因?yàn)闅垑旱拇嬖?變壓器內(nèi)有剩磁通,合閘時的最大磁通將大于2ΦWmax。如果殘壓幅值為網(wǎng)壓的1/2(大多數(shù)情況下在這個范圍左右),那么合閘后的最大飽和磁通可達(dá)2.5ΦWmax,引起的浪涌勵磁電流會大大增加。機(jī)車輕載時飽和程度將更大,勵磁電流更大。對象牽引變壓器這樣的大型變壓器,暫態(tài)磁通要經(jīng)過幾個周期方能衰減為零,這時浪涌勵磁電流可能已造成主電路過流保護(hù)動作、主斷路器跳閘。3阿利克侖的相位差過電分相斷電期間,輔助電機(jī)系統(tǒng)處于電動和發(fā)電狀態(tài)。合閘后輔助電機(jī)系統(tǒng)瞬時等效電路如圖2所示,可表示為兩個電勢和阻抗串聯(lián),其中Ef為輔助電機(jī)系統(tǒng)發(fā)電電勢,E1為電網(wǎng)電壓折算到輔助繞組的等效電勢,Z1為回路等效阻抗?；芈返目傠妱軪=E1-Ef,E1的大小和相位基本固定,E的大小取決于El的大小及El與Ef的相位差。正如前面所述,Ef大小和相位與牽引主電路的級位有關(guān),與輔助電機(jī)投入的數(shù)目有關(guān),具有隨機(jī)性;Ef的頻率也稍有變化,略低于50Hz。為了分析方便,這里不考慮頻率變化。當(dāng)Ef和E1相位差大于90°時,|E|大于|E1|;如果合閘時Ef和E1相位剛好相反,這時|E|為|Ef|和|E1|的代數(shù)相加,輔助電機(jī)系統(tǒng)的電流將很大,比輔助電機(jī)系統(tǒng)直接投入時還要大。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測到的結(jié)果,輔助電機(jī)系統(tǒng)過電流達(dá)到5490A,大于3800A(輔助電機(jī)系統(tǒng)過流保護(hù)動作值),會引起輔助電機(jī)系統(tǒng)過流保護(hù)動作,主斷路器跳閘。筆者在試驗(yàn)室模擬試驗(yàn)時發(fā)現(xiàn),Ef和E1不同相位差對電流影響十分明顯。如輔助電機(jī)系統(tǒng)使用靜止逆變器供電,自動過電分相重新得電時,用變頻來重新啟動輔助電機(jī)系統(tǒng),可消除過電流。4電機(jī)電流對ud的影響真空斷路器2ZK合閘時,整流器和牽引電機(jī)系統(tǒng)電流上升速度和幅度不會很大,其理由如下:(1)主變壓器斷電時間短,且斷電時有殘壓給整流器和牽引電機(jī)系統(tǒng)供電,因而電機(jī)轉(zhuǎn)速下降小。(2)機(jī)車整流器輸出串有大的平波電抗器,抑制了電機(jī)電流的上升速度。(3)機(jī)車采用串勵磁場,磁場隨電流而增加,從而對電流上升幅值有很強(qiáng)的抑制作用。電機(jī)回路方程為:ud=n·Ce·Φ(id)+Ld·di/dt+id·∑R,其中ud為整流器輸出電壓,n為電機(jī)轉(zhuǎn)速,Ce為電機(jī)常數(shù),Φ(id)為電機(jī)磁通,Ld為平波電抗電感,∑R為回路總電阻。由此可以看出,合閘時ud增加,大部分由n·Ce·Φ(id)和Ld·di/dt承擔(dān),只有一少部分由id·∑R承擔(dān),也就是說電流上升少。具體說,合閘時,假設(shè)機(jī)車速度下降了10%,且Φ(id)與id成線性關(guān)系,則id上升的最大幅度比1ZK斷開時增加不到10%。這說明從電流看來整流器和牽引電機(jī)系統(tǒng)所受影響不大,現(xiàn)場試驗(yàn)也證明,過分相時牽引力的沖擊不大。如果是相控機(jī)車或交直交機(jī)車,可通過電網(wǎng)電壓檢測機(jī)車重新得電時軟啟動牽引系統(tǒng),消除電流沖擊。5兩種因素疊加下放電結(jié)果對比2ZK合閘時,殘壓與合閘電網(wǎng)電壓有一瞬態(tài)差。合閘后的電壓響應(yīng)是穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)響應(yīng)的疊加,當(dāng)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)與暫態(tài)響應(yīng)正向疊加時就表現(xiàn)出過電壓。對過電壓的詳細(xì)分析見文獻(xiàn)。過電壓曾多次使放電間隙擊穿而不能恢復(fù),導(dǎo)致變電所跳閘。過電壓的危害還在于:如果過電壓感應(yīng)到變壓器的二次側(cè),可能會擊穿整流元件,破壞電機(jī)絕緣。6采用靜接金屬閥取代旋轉(zhuǎn)基肥由上述分析,自動過電分相對整流器和牽引電機(jī)系統(tǒng)影響不大,對變壓器和輔助電機(jī)系統(tǒng)影響較大。機(jī)車自動過電分相合閘時主變壓器電流浪涌、輔助電機(jī)系統(tǒng)過電流、主變壓器的一次側(cè)過電壓都與殘壓有關(guān)。有效減小這些有害影響的根本手段是減少或消除殘壓。用靜止逆變器取代旋轉(zhuǎn)劈相機(jī)是最佳可選方案,也是發(fā)展的方向。但從我國電力機(jī)車現(xiàn)狀看來,要在短期內(nèi)用靜止逆變器取代旋轉(zhuǎn)劈相機(jī)是不現(xiàn)實(shí)的。理由有二:其一,旋轉(zhuǎn)劈相機(jī)供電技術(shù)在我國使用多年,技術(shù)成熟,數(shù)量很大;其二,采用靜止逆變器供電,技術(shù)上無問題,但可靠性尚有待改進(jìn)。因