电子开关实现带电自动过分相的研究

电子开关实现带电自动过分相的研究刘冰冉旺李雄郑琼林（北京交通大学电气工程学院北京100044）摘要本文介绍了一种新的地面自动过分相装置，使用以晶闸管为基础的电子开关代替真空断路器，完成电力机车自动过分相时两相电压的切换。对开关切换时间进行分析研究表明，电力电子开关的死区时间在30ms以内，大大短于机械开关的300ms，并且具有可以在过零开通关断的特性，很好的抑制了开关动作时产生的过电压。 关键词：自动过分相电力电子开关死区时间过零点过电压ResearchonPowerElectronicSwitchUsedintheAuto-PassingNeutralSectionWithElectricLoadLiuBingRanWangLiXiongTrillionQ.Zheng(BeijingJiaotongUniversitySchoolofElectricalEngineeringBeijing100044)AbstractThispaperintroducesanewtechnologyforelectriclocomotivepassingneutralsectionwithelectricload,whichusespowerelectronicswitchreplacingtraditionalmechanicalswitch.Theswitchingmomentofpowerelectronicswitchisstudied,anditprovesthatthedeadtimeislimitedin30ms,whichissoshortthatlocomotivescouldpasstheneutralsectionwithload.Meanwhiletherearenoover-voltagesinthesystembecausethepowerelectronicswitchiscontrollable.Aprototypingsystemhasbeenimplementedandexperimentallytested.Keywords：Auto-PassingNeutralSection,powerelectronicswitch,deadtime,zero-crossingpoint1引言我国电气化铁路牵引供电网采用单相工频交流供电方式。为使电力系统三相负荷平衡，提高电网的利用率，电气化铁路的接触网采用分段换相供电方式。为了防止相间短路，各相之间有一段不带电的中性段，称为电分相，也通常称它为供电死区。在接触网上每隔20km~30km就有一段长约70米的供电死区[1]。中国现有的地面自动过分相装置全部采用以真空断路器为代表的机械开关进行电分相间的切换，而机械开关死区时间长、开关动作时产生过电压等缺点影响了整个系统的可靠性[2]。由于机车属于大的感性负载，机械开关分闸时会产生较高的截断过电压；合闸时，机械开关的合闸相位不能控制，由于中性段上存在残压，基金项目：北京交通大学“优秀博士生科技创新基金”项目41089522）合闸过程中牵引网电压与残压叠加可能会产生很高的过电压过电流[3,4]。这些过电压过电流严重影响了机械开关的寿命和可靠性，甚至使主断路器跳闸，危害其他设备以及机车的安全运行。采用电力电子开关（晶闸管串联阀组）代替传统机械开关，可以有效解决真空开关带来的问题。由于晶闸管具有过零关断电流的特性，因此可消除分闸时的截断过电压，由于晶闸管的导通相位可以控制，采取与中性段上残压同相位合闸，可以很好的抑制合闸过电压，过电流[5~8]。而且晶闸管开关的关断次数几乎不受限制，比真空断路器的寿命长得多。由此，本文提出了一种新型的地面自动过分相装置，使用电气性能优良的晶闸管代替传统的真空断路器，大大提高了开关响应速度和使用寿命，同时避免了开关动作时产生的过电压，满足了中国铁路高速及重载的发展要求。2地面自动过分相原理地面自动过分相原理如图1，以机车从A相行驶到B相为例。当机车行驶到sensor1处时，开关K1闭合，中性线带有A相电，A相给机车供电；当机车行驶到sensor3处时，开关K1断开，K2闭合，B相给机车供电；当开关驶过分相区到达sensor4时，开关K2断开。完成整个自动过分相过程。开关的关断可由控制系统自动识别，控制开关K1、K2轮流关断，这样机车可以不用附加任何操作，带电通过分相区，当无车通过时两个开关始终处于关断状态。LocomotiveRRRRCCCCSCRSCRSCRSCR图1地面自动过分相原理及时序图Fig.1Diagramofautomaticpassingneutralsectionsystem3电子开关切换时死区时间控制的研究电气化铁路中的Vv牵引变压器，分相区两端的电源电压相位相差60度，于是有下面的方程：a0bU=27.5sin(t+)kVU=27.5sin(t++60)kVωϕωϕ⎧⎨⎩(1)在方程（1）中：Ua是A相电压,Ub是B相电压ia当KA闭合时流过机车的电流ib当KB闭合时流过机车的电流3.1由A相电切换到B相时：这里，以在Ua的上升过零点断开KA为例。当电流与电压相位差小于60度时，如下图2所示：图2开关切换时机车电流电压波形Fig.2Waveformsofcurrentandvoltageofthelocomotive如图2所示，在Ua的上升过零点（图中的1点）去掉KA的触发脉冲，根据晶闸管的特性，那么KA的实际关断是在ia（流过机车主变压器的原边电流）的上升过零点（图中的2点），由于KA关断之前流过的电流为负值，所以KB开通的时刻需要在Ub的正向时候，这样ib（流过机车主变压器的原边电流）是从正向电流开始。——电流从负向结束，从正向开始，这样变压器不会出现偏磁。如果电流ia滞后Ua的相位小于60度（如图），这样可以在图中的3点开通Ub，这样的话死区时间为0ms~3.3ms。当电流与电压的相位差大于60度时，按照上面的原理分析，死区时间为13.3ms~20ms。综合上面分析可知，实际的开关动作为：在Ua的上升过零点去掉KA的触发脉冲，在Ub的第二个上升过零点开通KB触发脉冲，这样死区时间应该为13.3ms~23.3ms。3.2由B相切换到A相图3开关切换时机车电流电压波形Fig.3Waveformsofcurrentandvoltageofthelocomotive如图3，实际的开关动作为：在Ub的上升过零点1去掉KB的触发脉冲，由于电流滞后电压，在点2，ib变为0，根据对称原理，在Ua的第一个上升过零点5开通KA触发脉冲，这样的死区时间为6.6ms~16.6ms。3.3推论对于不同种类的变压器绕组，死区时间是不同的，如下表1所示：表1不同类型变压器的死区时间Table1deadtimesofdifferenttypesoftractiontransformerUa超前Ub的角度死区时间(ms)Ua切换到UbUb切换到Ua60013.3~23.36.6~16.690015~255~15120016.6~26.63.3~13.3x0(10+y)~(20+y)(10-y)~(20-y)其中，(2)4开关切换时过电压分析电力机车在中性区时，一开始由KA供电。当KA断开后，延时闭合KB。在KB闭合之前，机车处于断电状态，机车牵引回路和辅助回路中的异步电动机群自成闭合回路，由于电机是感性负载，所以闭合回路中仍有电流在流通，这个电流在流过机车主变的副绕组时会耦合到主变原边，并在中性线产生电压，这就是中性线残压。在开关KB闭合瞬间，如果中性线残压和电源Ub的电压存在一个瞬态压差，合闸后中性线对地电容、牵引变压器对地分布电容和输电线路阻抗产生一个振荡过程，在振荡过程中各点的响应均为暂态量和稳态量的迭加。当暂态分量与稳态分量同相迭加时，就会产生过电压。图4是开关KB闭合时的电路原理图。图4闭合KB时的原理电路图Fig.4EquivalentcircuitwhenKBcut-onRb为电源和线路总电阻，Lb为电源和线路总电感，Ln、Rn、Cn为中性段等值电感、等值电阻、对地等值电容，LT、CT为机车主变激磁电感和对地等值电容，KB为开关。在图4中，LTLb+Ln，LbLn，CnCT，因此可以忽略Ln、LT、CT的影响，令bnR=R+R，bL=L，nC=C。由图4可以得出开关KB合闸时的等效电路的回路电压方程bCRLUUUU=++(3)式中RU是电阻R的电压，CU是电容C上的电压，LU是电感L上的电压，则由式(3)得：22bCdUcdUcUURCLCdtdt=++(4)式(4)是一个常系数二阶线性非齐次微分方程，需分别求解零输入响应和零状态响应，从而得到全响应。合闸KB时中性线电压Un的全响应：001011{sin()2[sinsin()sincos()]}sin(arctan)mnCtdddtdCdUUXtZettUetδδπωβϕωωβϕωωβϕωωωωωδ−−=+−−+−+−++(5)由式(5)可见。在KB闭合瞬间，中性线上的电压Un和电源电压的幅值Um、合闸相角β及中性线残压值Un0有关。中性段的电压由电源电压决定的稳态分量和回路自身决定的暂态分量迭加，并且暂态分量按系数teδ−周期性衰减，由于暂态量和稳态量的迭加在中性线将产生较高的过电压。5试验与仿真5.1试验样机图5展示了已经制成的一套晶闸管阀组，采用了52支晶闸管反并联再串联的结构形式。晶闸管型号为ABB公司的5STP12F4200，参数为UDRM=4200V，ITAVM=1200A，再加入阻容吸收装置（R=42Ω,C=1.5Μf），很好的满足了设计需求。图5晶闸管阀组Fig.5Valveblockofthyristors实验波形如图6，当Ua超前Ub120度时，KA关断，KB闭合，由A相切换到B相，死区时间为27.6ms。根据表1的推论，当Ua超前Ub120度且由A相切换到B相时，死区时间范围是16.6~26.6ms，实验与理论值基本吻合。5.2仿真验证使用MATLAB/Simulink对前面分析的数学模型进行仿真。参数为：Ua、Ub—有效值27.5kV，频率50Hz，相位差1200Ra、Rb—2.0032Ω，La、Lb—0.01749HC—2.521e-10F，Zload—3000Ω、100842HCan、Cbn—1.188e-9F，Cn—1.85e-9F合闸KB的过电压与合闸时刻的电压Ub相位有关，也与合闸时刻中性线上的残压有关。仿真时取中性线残压为12kV。表2是在各种Ub相位角下合闸KB时的中性线电压的仿真结果。图7是用MATLAB拟合出的过电压值与合闸UaUa-sync图6实验波形Fig.6Waveformsofexperiment表2KB合闸过电压（合闸时刻Ub相位0-3500）Tab.2Over-voltagewhencut-onKB(phaseofUb:0-3500)相位β(0)01020304050过电压(kV)41.8443.1744.4345.2545.5346.66相位β(0)60708090100110过电压(kV)46.4847.0847.0745.7244.2444.10相位β(0)120130140150160170过电压(kV)43.3042.2541.0239.7839.7640.20相位β(0)180190200210220230过电压(kV)41.6442.6744.1744.7245.5146.02相位β(0)240250260270280290过电压(kV)46.2646.4046.1946.0045.2344.61相位β(0)300310320330340350过电压(kV)43.5642.2041.2839.9139.0940.33相位角的关系曲线。可见，合闸过电压与合闸瞬间待合闸的相电压的相位角有关，待合闸相电压相位角在800和2600附近时过电压昀严重，在1600和3400左右，几乎没有产生过电压。可见，在地面自动过分相中，产生的过电压值与开关关断、