基于晶闸管的地面自动过分相系统及工程验证

王林涛 李鹏飞 谢 栋

（陕西靖神铁路有限责任公司，陕西 榆林 719000）

我国电气化铁路普遍采用列车自动过分相。虽然列车自动过分相可以减少司机的人工操作，提高系统安全性等[1-2]，但是仍存在一定不足，如过分相期间列车失去牵引力，行驶速度会明显降低，不利于运量提升。此外，列车主断路器的频繁动作，经常产生过分相过电压，严重时造成互感器等车载高压设备损坏。

我国在20 世纪80 年代开展以真空断路器为核心部分的地面自动过分相技术研究，通过控制地面真空短路器的分合，实现向接触网中性区供电，支撑列车带电自动过分相，提高了列车供电的连续性[3]。然而，由于真空断路器在分断操作时易产生很大的暂态过电压，对系统运行安全产生一定隐患，因此应用价值受限[4]。该文开展了一种新型地面自动过分相技术研究，采用由晶闸管构成的电子开关代替真空断路器提高系统性能，分析其工作原理，并通过工程应用验证其有效性。

1 地面自动过分相系统

1.1 系统结构

如图1 所示，传统牵引供电系统由供电臂a、供电臂b 以及二者之间的电分相区构成。其中，电分相区由两个锚段关节和一个中性区构成。该中性区无电源供电，实现2 个供电臂的电气隔离。

图1 地面自动过分相系统结构

地面自动过分相系统主要由2个电子开关（Va和Vb）、列车位置检测传感器（CG1、CG2、CG3 和CG4）以及断路器（QF1、QF2 和QF3）和互感器构成。其中，通过断路器QF1～QF3 将3 个输出端分别连接至供电臂a、中性区、供电臂b 的接触网。

传感器CG1—CG4 用于检测列车位置，当有列车通过时，传感器向控制系统输出信号。由于传感器沿线布置在中性区不同位置，因为通过多个传感器检测信号可以识别列车处于中性区的不同位置，进而控制两个电子开关的导通与关断。

1.2 电子开关

地面自动过分相系统的电子开关是核心部件[5-7]，是提高列车过分相系统的决定性因素。晶闸管是一种典型的能在高电压、大电流条件下工作的功率半导体开关器件，可零电压开通导通、零电流关断。因此，每个电子开关由多个反并联晶闸管串联构成，可承受符合设计要求的高电压、大电流。

为减少占地，电子开关采用上下叠放的多层架构，如图2所示。每个电子开关最下层设置散热风机，中间层和上层为晶闸管串联回路、并联RC 组件以及触发控制电路等。外形结构如图2（a）所示，核心部件布局如图2（b）所示。

图2 晶闸管电子开关

2 功能原理

2.1 输出电压

由于上述电子开关可实现零电压开通功能，可将其等效为2 个可控开关。因此，中性区的电压与2 个电子开关的导通状态相关，且其中一个供电臂电压或无电压。因此，定义2个供电臂电压如公式（1）所示。

定义2 个晶闸管的开关状态为Sa、Sb，如公式（2）所示。其中，Sa 为晶闸管SCR_V1 导通状态，Sb 为晶闸管SCR_V2导通状态。

由公式（1）和公式（2）可以得到中性区电压，如公式（3）所示。

综上所述，可根据电子开关导通状态获得中性区电压，如图3 所示。当晶闸管Va导通后，中性区电压与供电臂a 电压相同。同理，当晶闸管Vb导通后，中性区电压与供电臂b 电压相同。为保证2 个供电臂之间形成短路，需要严格控制2 个晶闸管的导通时序，在晶闸管Va由导通状态变换至关断状态后，需要设置一定的时间，然后再发出Vb的触发导通信号，这样就可以有效避免2 个晶闸管同时导通造成的2 个供电臂短路现象。

图3 中性区电压示意图

2.2 动作时序

传感器用于检测机车位置，是一种基于霍尔效应和磁阻效应的传感器，主要由磁铁和磁敏电阻构成[8-9]。当列车轮对经过时，轮对切割磁铁产生的磁力线，导致检测到的磁场发生变化，则认为有列车驶过，向外输出脉冲信号。该检测方法具有精度高、响应速度快、可靠性高、使用寿命长等优点。

当采用列车正向行驶时，通过传感器CG1、CG3 和CG4 检测列车位置，当检测到列车通过时输出脉冲信号，由控制系统进行状态识别，然后控制2 个电子开关，相关时序如图4 所示。

图4 传感器输出和晶闸管状态

根据上述时序图，可将列车过分相过程分为4 个阶段，每个阶段的状态如下。

状态1：无传感器检测到列车，则两个电子开关均处于关断状态，中性区为无电状态。

状态2：当传感器CG1 检测到列车时，则向控制系统输出脉冲信号，控制系统向Va发出驱动信号，则Va导通，中性区由供电臂a 供电。列车驶入中性区时中性区与供电臂a 电压相同。

状态3：当传感器CG3 检测到列车时，则向控制系统输出脉冲信号，控制系统撤销Va驱动信号，Va在电流过零时自动关断，然后控制系统向Vb发出驱动信号，则Vb导通，中性区由供电臂b 供电。列车驶出中性区时中性区与供电臂b 电压相同。

状态4：当传感器CG4 检测到列车时，则输出脉冲信号，控制系统撤销Vb驱动信号，当Vb在电流过零时自动关断，中性区恢复无电状态。

此外，当列车反向行驶时，通过传感器CG4、CG2、CG1 检测列车位置，其原理和时序与正向行驶时相似，该文不再赘述。

3 试验验证

结合我国某工程应用需求，开发了基于晶闸管的地面自动过分相装备，并完成了某重载铁路的地面自动过分相的工程示范，分别开展了模拟试验和带载试验。

3.1 模拟试验

将地面自动过分相系统接入既有牵引供电系统，模拟列车检测信号，由控制系统分别控制2 个电子开关导通与关断。图5为模拟试验结果，其中通道1（CH1）为中性区电压，通道2、3（CH2、CH3）分别为连接与供电臂a 和供电臂b 的晶闸管输出电压，设定Va关断到Vb导通的间隔时间为125.6ms，当未带载时，中性区可根据指令由其中一个供电臂供电，且无暂态过电压。

图5 模拟试验电压波形

3.2 带载试验

在运营列车的配合下，该研究开展了带载试验，试验结果如图6 所示。其中，通道1（CH1）为晶闸管Va 导通后的电压，通道2（CH2）为晶闸管Vb 导通后的电压，通道3、4（CH3、CH4）分别为晶闸管Va、Vb 导通后的负载电流。

图6 带载试验电压和电流波形

试验列车为多编组形式，在逐步进入中性区过程中负载电流存在阶跃增加现象，由中部机车驶入后负载突增导致。可以看出，列车在中性区仍可带电行驶，且输出足够的牵引力，提高了通行能力。列车在驶入、驶出中性区过程中均无暂态过电压，仅在2 个电子开关切换时存在一定程度的励磁冲击电流，主要原因是车载变压器磁通变化。

传统自动过分相列车在过分相前检测到预警信号，然后逐渐降低牵引力，当牵引力为0 时断开主断路器，然后通过中性区，列车断电时间长 ，列车无牵引力时间更长。晶闸管的地面自动过分相系统列车断电时间明显减少 ， 无牵引力时间也相应减少。

由带载试验可以得知，地面自动过分相可以较好地满足重载线路应用需求，其带载能力强，由于晶闸管元件可耐受大电流，因此带载电流可达1000A 以上，提高了重载列车的长大坡道通行能力。此外，试验全过程无明显的以过电压为代表的暂态冲击，暂态性能得到了明显提升。

4 结语

该文介绍了一种地面自动过分相系统，采用晶闸管构成电子开关，利用其良好的受控特性实现性能良好的列车自动过分相。分析了工作原理，详细描述了工作时序。此外，结合示范工程，通过模拟试验、带载试验验证了地面自动过分相系统可以提高列车长大坡道通行能力、降低过分相过电压等暂态冲击，保障列车运行安全。