Abstract: With development of electronic high-speed railway, it makes great difference to decrease the speed loss of electrical locomotive. On the basis of ground automatic passing the neutral section,making electronic switch, Matlab and IGBT as tools to build up the model of railway automatic electric phase separation. Realized theoretically that locomotive pass electric phase separation with high speed, prolonging switch life, and the results showed that waveform of voltage and current can be stabled in five period.

Key words: Electric phase separation; Ground automatic passing the neutral section; Power electronics, Over voltage

【中图分类号】TM86 【文献标识码】B  【文章编号】1561-0330（2018）01-0000-00

1 引言

随着我国电气化铁路的高速发展，对于过分相技术要求越来越高，介绍了电力机车在铁道电气化区间运行时每隔20~25km要过一个接触网分段换相区（供电死区）。介绍了过分相时可能遇到的问题。目前我国高速铁路时速可达250km/h~300km/h，传统的手动操作明显无法满足列车对过分相区时的准确与快速的要求，且这个操纵过程既增加了司机劳动强度，又严重影响了行车速度，新型的车载过分相技术虽已接近完善但列车过分相时速度损失依然过大，难以承担轨列车更高速的要求，现今柱上式过分相尤其对于高速线路，虽能保证快速高效的运行，但存在额问题列车过分相频率越来越高，柱上硬件使用寿命被极大地缩短，考虑到增加柱上式过分相期间的使用寿命，提出了运用电力电子软开关来代替现今柱上式硬开关技术，达到高效快速稳定且使用寿命长的目的。

2 柱上式过分相技术现状

以瑞士AF公司产品为代表，其构成和基本原理如图1所示。

国内福州铁路分局曾从瑞士AF公司引进了2组自动分相装置，装于鹰厦线永安机务段管区内。

在正常情况下，A、B组真空开关均为断开位置。

当电力机车运行至a-b之间时，A组开关装置线圈L1中有电流通过，磁铁吸合，真空开关闭合，c-d带电。

当电力机车运行至c-d之间时，A组开关装置线圈L1中无电流通过，磁铁释放15ms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时，B组开关装置线圈L2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线圈L2中无电流通过，B组真空断路器断开，但此时该开关不起分断电流作用，A、B组开关回到初始状态。

此种方法有几相缺点：

（1）真空开关带负荷分断，需要经常维护，由于是柱式安装，难于实现100%备份。

（2）该方案运行的可靠性与机车通过分相区时的速度有关，对于高速列车的高速运行有限制。如果机车速度太低，机车尚未到达d点就过早地断电，靠惯性闯过供电死区时的速度损失很大，严重时甚至接近停车；如果机车速度太高，机车通过a-c段的时间太短，A组开关线圈得电时间太短，导致A组开关不能正常闭合。所以这种方案难于适应临时限速、一度停车等特殊情况。

（3）过分相后机车电流有很大的冲击,造成机车主断路器跳闸，且试验中发现在靠近分相两端产生了一些明显的电弧。

3 柱上式软开关电路

此软开关采用耐高压IGBT器件构成，目前，市场范围内应用比较广泛的全控型器件包括功率MOSFET、GTO、IGBT、GTR等。其中，功率MOSFET是单极型压控器件，具有输入阻抗高、工作速度快、驱动电路简单以及热稳定性好等优点但是其电流容量和阻断电压较低。GTR和GTO是双极型流控器件，其阻断电压高、载流能力强，但是工作速度慢、驱动电流大、驱动和控制电路都比较复杂。因此，以上器件并不能用于电力系统。而IGBT是电压驱动的少子导电器件，它集功率MOSFET和功率晶体管的输出特性于一体，具有开关速度快、驱动功率小、自保护能力强、控制精确灵活等优良特性，很好的满足了电力系统对电力电子器件的要求。

高速铁路接触网电压27.5kV，此开关选用4500V/900A高压功率模块串联的方式，为保证电力器件的安全运行，计算时安3600V/900A即内部阻抗4欧。需16块该模块，两两反向向串联保证正负半波的导通，再组成八组串联模式。

    电路中in1为输入正半周导通脉冲，in2为输入负半周导通脉冲，CPU为输入接触网电压27.5kV。

    每个系统模块中IGBT串联RCD无源缓冲电路情况如图2所示。

此处使用传统RCD缓冲电路，在IGBT串联时，在IGBT道通于管段的同时会引起电压不均匀分配，如串联模块的漏电流不一致；串联模块的开关特性不一致；串联模块回路杂散电感不一致；串联模块驱动电路的延迟特性不一致等。归纳这些因素可分为以下两个方面：IGBT自身参数的的不一致和外围电路的不同。在此电力电子开关虽运用的同型号的高电压IGBT但对于符合等级一级的接触网电路来说稳压器件仍需要加入。

4 稳压器件的参数设定

为了解决IGBT串联的静态电压不均衡问题，可以采用外并均压电阻的方法，即在每只串联IGBT的集电极与发射极两端并联一定阻值的电阻R_S。若均压电阻R_S远小于串联IGBT的漏电阻，那么串联IGBT上的电压分配主要取决于电阻R_S的数值，选取电阻值相同的R_S后，各只IGBT的端电压可达到均衡，实现静态均压。



5 高速列车过分相暂态仿真

本文以CRH5型车为例，结合接触网数据进行仿真。主要有牵引变压器、中性段、电力电子开关、机车等效模块等若干部分组成，其中牵引变压器用交正弦电压源等效，牵引网与中性段均用T等效电路等效，电力电子开关模型利用MATLAB/SIMULINK模块搭建如图2所示最后将所有部分连接起来搭建图3所示机车过分相仿真电路。

图3中IGBT模块是电力电子开关，内部是反并联IGBT。System2模块是模拟机车过电分相时位置，其余各阻感原件为供电臂，与中性段等效参数。

由图4、图5可知机车在0.3秒时中性段于左侧供电臂相连中性段充电因此右侧馈线有少量电流，0.7秒使驶出中性段。

机车驶入中性段时，中性段已经与左侧供电臂导通，与左侧供电臂电压相同，在0.5s时左侧电力电子开关动作使左侧线路断开，左侧线路电流几乎为零，在0.52秒时右侧电力电子开关动作使中性段与右侧供电臂导通，由于中性段与变压器剩磁影响机车在与右侧供电臂导通以及驶离中性段时会产生电流的变化，在五个周期后恢复正常。

    整个过程中性段电压与机车电流波形情况如图6、图7所示。

由图可以看出机车从稳定运行到与中性段接触的瞬间电压电流产生微小波动，在一个周期内均恢复到稳定水平，0.5-0.52s时电力电子开关动作期间机车无法从接触网获取电能，电压电流衰减为零，在IGBT2闭合时由于机车短暂的断电时间，电路中剩磁较大因此IGBT2闭合时机车电流并不稳定，产生波动经过五个周期后趋于稳定，0.7s时机车驶离中性段，产生电流波动也能在五个周期内达到稳定状态。整个过分相过程中机车没有产生较大的过电压过电流现象。因此该方案是可行的。

6 总结与改进

本文所述电力电子开关基本可以满足电力机车过分相的要求，且成功的替换的传统的空气隔离开关，延长了器件使用寿命，增强了系统的稳定性。同时本文也介绍了IGBT开关组的具体数据，型号选择。同时由于本人知识有限，目前有几各方面没有进一步研究，第一，IGBT开关组动作时能否使机车电压尽量保持稳定而不减小到零。第二，进一步的完善机车电压与电流的波形，使电压与电流的波动更小，直至不产生电压与电流的波动。第三，本文基于理论的研究与系统的仿真只是尽可能地做到和实际相符，但由于实际情况的多样性以及实际电路的复杂性还需应用于实践检验。

参考文献

[1]田洪全.高铁信号ATP设备自动过分相的优势[J]. 铁道通信信号,2015,7.

[2]孙万启.国内外自动过分相装置的比较[J]. 电气化铁道,2002(2).

[3]李官军.高速动车组自动过分相控制策略研究与仿真[J]. 电工技术学报,2007,7.

[4]谢曲天.基于ATP_EMTP的电力机车过分相暂态过程研究[J]. 研究与开发,2010,3:20.

[5]孔莉,基子.小波变换的电气化铁路牵引负荷谐波分析方法研究[D]. 大连交通大学硕士论文,2011,6.

[6]李波.四象限变流器PWM双闭环控制系统的计算机仿真[J]. 机车电传动,2000(3).

[7]李建华,豆凤梅,夏道止.韶山IV型电力机车谐波电流的分析计算[J].电力系统自动化,1999,23(16):10-13.

[8]王金丽.大功率电力电子开关用于配电变压器无弧有载调压方案[J].电力系统自动化,2006,06.

[9]冉旺.基于电流信息的列车不断电过分相技术研究[D].北京交通大学,2014.1.

[10]吴竟昌,孙树勤,宋文南等.电力系统谐波[M].北京:水利电力出版社,1987.

[11]张有松,朱龙驹.韶山IV型电力机车[M].中国铁道出版社,1997.11.

[12]曹建酞.电气化铁道供电系统[M].中国铁道出版社,1993.3.

[13]王兆安,扬君,刘进军.谐波抑制和无功功率补偿[M].北京:机械工业出版社,1998.

[14]廖德,李治. SS4型电力机车传动控制系统的仿真研究[J].机车电传动,1999(1).

[15]何仰赞,温增银.电力系统分析[M].华中科技大学出版社,2003.

[16]张崇巍,张兴. PWM整流器及其控制(第1版)[M].北京:机械工业出版社,2003:15.

[17]邹仁.四象限变流器瞬态电流控制的仿真研究[J].机车电传动,2003,(6).

[18]李伟,张黎.交-直-交传动系统网侧变流器预测电流控制方法的计算机仿真及实现[J].中国铁道科学,2002,23(6):49-54.

[19]杨志华,朱俐琴.交直交型电力机车网侧谐波分析与对策[J].电力机车与城轨车辆,2003,26(2).

[20]西南交通大学等.交-直-交原型电力机车AC4000试验台试验报告[R].西南交通大学,1998.5.

[21]王兆安,黄俊.电力电子技术[M].机械工业出版社,2000

[22]李建峰.电力机车无功补偿与谐波抑制系统的研究与设计[D].电子科技大学硕士论文,2011.9.

[23JIEEE Working Group on Power System Harmonics Power System Harmonics: An Overview[J]. IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems,VI. PAS-102,No.8,August 1983.

[24]IEC Publications prepared by technical committee[S]. 61000 scribes standards on voltage fluctuation and flicker,1994.