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,即機車行至分相區(qū)時,司機先要退級、關(guān)輔助機組、斷主斷路器,惰行通過分相區(qū)后,再逐項恢復。這種人工轉(zhuǎn)換法不僅司機勞動強度大,而且通過無電區(qū)時間長,機車速度下降多,司機稍不留神,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行主電路的換相開合操作,機車內(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行分析。如圖1所示,機車(下面的分析都是以SS1為例)由A相駛向B相,當機車到達1CG處時,真空斷路器1ZK閉合,中性段由A相供電;待機車進入中性段,到3CG處時,1ZK分斷,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,引起變電所跳閘;主變壓器和輔助電機系統(tǒng)過流繼電器動作造成主斷路器跳閘。1輔助電機系統(tǒng)殘壓分析在自動過電分相中,當1ZK斷開,2ZK合上之前,測得機車主變壓器一次側(cè)電壓高達11kV～12kV,我們稱其為殘壓。機車輕載時,殘壓更高,可接近A相電網(wǎng)電壓。殘壓生成是因為SS1機車輔機系統(tǒng)采用了旋轉(zhuǎn)劈相機供電。在1ZK斷開后,變壓器輔助繞組和輔助電路異步機群之間仍構(gòu)成閉合回路,其中有些電機處于發(fā)電狀態(tài),有的處于電動狀態(tài),輔機系統(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:異步機群發(fā)電與人們通常認為的異步電機自勵發(fā)電需要電容的理論是有差別的)。殘壓衰減速度與機車的所處級位有關(guān),級位越高衰減越快。因為斷電時間很短,僅有130ms左右,2ZK合上時殘壓仍保持很高的幅值。筆者在試驗室進行多次模擬試驗中證明了這一點。對相控機車或交直交機車,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、變流器及輔助電機系統(tǒng)的壽命。筆者認為進口自動過分相裝置在我國不能很好運行的一個主要原因是:我國的電力機車除8K電力機車之外,輔助電機系統(tǒng)都使用了旋轉(zhuǎn)劈相機供電,過電分相時必然造成殘壓。國外機車使用的是靜止逆變器驅(qū)動輔助電機系統(tǒng),過電分相時,輔助電機系統(tǒng)可以等合閘后再變頻啟動。這樣輔助電機系統(tǒng)被逆變器隔離,不能將電壓耦合到機車變壓器一次側(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是隨機的,因而ΦZ(tH)的大小也是隨機的。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,因此可達到2ΦWmax。這里也可清楚地看到因為殘壓的存在,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2.5ΦWmax,引起的浪涌勵磁電流會大大增加。機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,輔助電機系統(tǒng)處于電動和發(fā)電狀態(tài)。合閘后輔助電機系統(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。回路的總電勢E=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),與輔助電機投入的數(shù)目有關(guān),具有隨機性;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,輔助電機系統(tǒng)的電流將很大,比輔助電機系統(tǒng)直接投入時還要大。根據(jù)現(xiàn)場實測到的結(jié)果,輔助電機系統(tǒng)過電流達到5490A,大于3800A(輔助電機系統(tǒng)過流保護動作值),會引起輔助電機系統(tǒng)過流保護動作,主斷路器跳閘。筆者在試驗室模擬試驗時發(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系統(tǒng),可消除過電流。4電機電流對ud的影響真空斷路器2ZK合閘時,整流器和牽引電機系統(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系統(tǒng)供電,因而電機轉(zhuǎn)速下降小。(2)機車整流器輸出串有大的平波電抗器,抑制了電機電流的上升速度。(3)機車采用串勵磁場,磁場隨電流而增加,從而對電流上升幅值有很強的抑制作用。電機回路方程為:ud=n·Ce·Φ(id)+Ld·di/dt+id·∑R,其中ud為整流器輸出電壓,n為電機轉(zhuǎn)速,Ce為電機常數(shù),Φ(id)為電機磁通,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,只有一少部分由id·∑R承擔,也就是說電流上升少。具體說,合閘時,假設(shè)機車速度下降了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系統(tǒng)所受影響不大,現(xiàn)場試驗也證明,過分相時牽引力的沖擊不大。如果是相控機車或交直交機車,可通過電網(wǎng)電壓檢測機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。對過電壓的詳細分析見文獻。過電壓曾多次使放電間隙擊穿而不能恢復,導致變電所跳閘。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系統(tǒng)影響不大,對變壓器和輔助電機系統(tǒng)影響較大。機車自動過電分相合閘時主變壓器電流浪涌、輔助電機系統(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)劈相機是最佳可選方案,也是發(fā)展的方向。但從我國電力機車現(xiàn)狀看來,要在短期內(nèi)用靜止逆變器取代旋轉(zhuǎn)劈相機是不現(xiàn)實的。理由有二:其一,旋轉(zhuǎn)劈相機供電技術(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。因