一種兼具融冰功能的交直流混合牽引供電系統的製作方法
2023-12-09 14:26:31 1
一種兼具融冰功能的交直流混合牽引供電系統的製作方法
【專利摘要】一種兼具融冰功能的交直流混合牽引供電系統，包括：交流供電組件，用來進行交流供電，其牽引變壓器經第一斷路器接入牽引供電網，牽引變壓器降壓後輸出交流，經過交流饋線開關與牽引網相連；直流供電組件，用來進行直流供電，其整流變壓器經第二斷路器接入牽引供電網，整流變壓器降壓並經整流器整流後輸出直流，一路經過直流饋線開關與牽引網相連，另一路經過雙極高壓隔離開關與牽引網相連，並在分區所線路末端設有用來短接牽引網上行、牽引網下行的高壓隔離開關，令牽引網上行、牽引網下行形成融冰迴路；放電線圈設置於直流饋線開關輸出側正母線端，並設有高壓開關。本發明具有原理簡單、功能集成度高、運行安全可靠等優點。
【專利說明】一種兼具融冰功能的交直流混合牽引供電系統
【技術領域】
[0001]本發明主要涉及到機車供電系統領域，特指一種兼具融冰功能的交直流混合牽引供電系統及供電方法。
【背景技術】
[0002]我國電氣化鐵路實施以來，有力的促進了鐵路系統的發展。我國鐵路現有的供電系統大都採用交流供電，即將工頻IlOkV (或220kV)通過牽引變壓器轉變為工頻27.5kV,再通過饋線開關供至牽引網給機車使用。我國目前使用的韶山系列電力機車、CRH系列動車組等均採用這種交流供電方式。隨著城市地鐵、城際輕軌建設的迅猛發展，電力牽引以其高效，快捷，節能的特點正在更加廣泛地應用於城市軌道交通領域，一套整合、高效，經濟的城市軌道交通網絡系統已逐步完善，城市軌道交通進入了快速發展的新時期。與國鐵相比，城市軌道交通車輛牽引負荷較小，大都採用直流供電，電壓等級為3000VU500V (或750V)。由於兩種機車電壓形式的不同，在兩種機車交匯或銜接區段將會出現交直流車混跑，勢必面臨著機車牽引網的電壓轉換問題。同時，在機車生產單位，也將面臨機車的動、靜調試資源共享問題，比如交流機車需要交流電源供電，直流機車需要直流電源供電，但牽引網線路或試驗區域有限，增加線路和開關站的建設將需要大量成本和佔地，並且隨著機車運力的增加也不能從根本上解決問題。
[0003]根據傳統的經驗，實現相鄰不同牽引供電制式接觸網的電氣分離，一般採用以下兩種方式:(I)設供電系統轉換車站方式，即在交直流匯合區段線路上讓進站的列車由一種供電制式的機車牽引進入，而開出交直流區段時由相鄰的另一種供電制式的機車牽出，不需要切換接觸網，兩種電源同時供電，互相絕緣。(2)設置系統分離區方式，即要求電力機車採用造價高的雙流制牽引，機車同時配備交、直流受電弓，當機車進入交流供電區時採用交流受電弓取電，當機車進入直流供電區時機車採用直流受電弓受電。
[0004]為實現交直流牽引供電系統，目前我國大部分還處交直流機車分線路運行，只有部分城軌線與國鐵線銜接處或機車製造企業的試驗調試線有小規模的雙流制或多制式牽引供電系統，其存在諸多的技術缺陷，且系統不具備融冰功能。比如交流與直流供電系統切換複雜、交直流供電軌回流幹擾、供電系統可靠性不高問題等，且大多方案都處於設想階段，後續隨著電氣化牽引技術的發展，交直流機車混跑方案的技術會隨著城市交通建設逐步得到運用。
[0005]與此同時，隨著全球氣溫的變化，部分地區已出現了冰雪凝凍災害天氣，牽引供電設施遭受了冰凍等災害，在電氣化鐵路因接觸網冰雪危害而引起供電中斷的事故十分嚴重和頻繁，為確保列車在凍雨及冰雪等極端災害天氣情況下安全運行，需要具備融冰功能。目前，針對牽引線路或輸電線路的融冰已有大量文獻和應用工程，在電氣化牽引網的融冰一般都是單獨配置一套固定式或移動式融冰設備，採用獨立的大功率整流器或電壓源換流器等裝置提供電源進行融冰的方案，結構十分複雜，成本高昂。
【發明內容】
[0006]本發明要解決的技術問題就在於:針對現有技術存在的技術問題，本發明提供一種原理簡單、功能集成度高、運行安全可靠的兼具融冰功能的交直流混合牽引供電系統及供電方法。
[0007]為解決上述技術問題，本發明採用以下技術方案:
一種兼具融冰功能的交直流混合牽引供電系統，包括:
交流供電組件，用來進行交流供電，包括牽引變壓器和交流饋線開關QF3，牽引變壓器經第一斷路器QFl接入牽引供電網，牽引變壓器降壓後輸出交流27.5kV，經過交流饋線開關QF3與牽引網相連；
直流供電組件，用來進行直流供電，包括整流變壓、整流器、直流饋線開關QF4、放電線圈FD，整流變壓器經第二斷路器QF2接入牽引供電網，整流變壓器降壓並經整流器整流後輸出直流，一路經過直流饋線開關QF4與牽弓I網相連，另一路經過雙極高壓隔離開關QSl與牽引網相連，並在分區所線路末端設有用來短接牽引網上行、牽引網下行的高壓隔離開關QS2，令牽引網上行、牽引網下行形成融冰迴路；放電線圈FD設置於直流饋線開關QF4輸出側正母線端，並設有高壓開關QF5。
[0008]作為本發明的進一步改進:所述整流器採用晶閘管機組，通過晶閘管的觸發控制電流的輸出。
[0009]作為本發明的進一步改進:所述整流器的輸出端連接有電壓限制器FV。
[0010]作為本發明的進一步改進:所述第一斷路器QFl與第二斷路器QF2不做聯鎖，所述交流饋線開關QF3與直流饋線開關QF4相互聯鎖；直流饋線開關QF4的合閘與高壓開關QF5進行聯鎖；雙極高壓隔離開關QSl與直流饋線開關QF4建立聯鎖，兩者不能同時合閘。
[0011]與現有技術相比，本發明的優點在於:
(I)本發明採用交、直流電源共享牽引網，根據機車的受電需求，通過投入和切除交流或直流饋線開關將相應電源送至牽引網供機車使用，不論機車在何種供電模式，電源之間都不會互相干擾，一種電源供電時，另一種電源完全退出牽引網，當遭遇牽引網線路冰凍時，可將直流電源切換成融冰功能，進行線路的防融冰。
[0012](2)本發明供電系統設置可靠的多重聯鎖措施，防止交直流兩種電源同時接入牽引網。並且牽引網在交流切換至直流供電過程中，設置了線路殘餘電壓的放電裝置，放電裝置可通過檢測和聯鎖方式自動投入和退出，保證牽引網幾乎在零電壓時接入直流供電，提高了直流系統的安全。在交流供電時，通過在交流牽引變壓器側設置接地點，通過饋線開關將接地點引入牽引網，電路簡單，功能可靠，也保障了鋼軌接地的可靠性。因此，本發明可以清晰簡單的完成兩種電源在同一牽引網上實現切換。
[0013](3)本發明從交流切換到直流時，通過對線路進行放電，可避免牽引網殘壓對直流電源的危害。
[0014](4)本發明的直流電源採用晶閘管整流，實現多電壓3000、1500V(或750V等)、多脈波12 (或24)輸出的功能，可以滿足不同直流機車的受電需求。
[0015](5)本發明集成了交直流供電同時兼具有融冰功能為一體的供電和防融冰牽引供電系統。【專利附圖】
【附圖說明】
[0016]圖1是本發明系統在具體應用實例中的結構原理示意圖。
[0017]圖2是本發明在具體應用實例中的開關聯鎖原理示意圖。
[0018]圖3是本發明在具體應用實例中實現融冰功能時的原理示意圖。
【具體實施方式】
[0019]以下將結合說明書附圖和具體實施例對本發明做進一步詳細說明。
[0020]如圖1所示，本發明的一種兼具融冰功能的交直流混合牽引供電系統，包括: 交流供電組件，用來進行交流供電，包括27.5kV牽引變壓器TM和27.5kV饋線開關
QF3，27.5kV牽引變壓器TM經第一斷路器QFl接入牽引供電網，如IlOkV (或220kV)電網，牽引變壓器降壓後輸出交流27.5kV，經過27.5kV饋線開關QF3與牽引網相連。
[0021]直流供電組件，用來進行直流供電，包括整流變壓器TB、整流器UR、直流饋線開關QF4、27.5kV放電線圈FD，整 流變壓器TB經第二斷路器QF2接入牽引供電網，如IlOkV(或220kV)電網，整流變壓器降壓並經整流器整流後輸出12脈波(或24脈波)直流3000V、1500V (或750V等)，一路經過直流饋線開關QF4與牽引網相連，另一路經過27.5kV雙極高壓隔離開關與牽引網相連，並在分區所線路末端設有用來短接牽引網上行、牽引網下行的27.5kV高壓隔離開關QS2，令牽引網上行、牽引網下行形成融冰迴路；27.5kV放電線圈FD設置於直流饋線開關QF4輸出側正母線端，並設有27.5kV高壓開關QF5。
[0022]本實施例中，整流器UR可以採用晶閘管機組，通過晶閘管的觸發控制電流的輸出，可實現多電壓3000V、1500V (或750V等)、多脈波12 (或24)輸出的功能，以適應不同要求的機車運行，同時整流機組採用在線監控和保護功能，可提高直流電源的輸出穩定性。如在整流器UR的輸出端連接有電壓限制器FV。
[0023]採用本發明的上述結構，能在同一牽引供電網實現交流和直流電源的混合供電方案，能根據實際的需要，實現交流供電或直流供電方式，且通過切換直流電源裝置的輸出方式，可以實現牽引網的融冰功能。
[0024]在上述結構中，QFl與QF2不做聯鎖，當系統運行時，兩斷路器均投入運行。QF3與QF4相互聯鎖，即當QF3在合閘時QF4 —定在斷開位置，QF4合閘時QF3 —定在斷開位置，同時QF4的合閘需要與QF5進行聯鎖，即QF4合閘前QF5需已完成分閘。QSl與QF4相互建立聯鎖，兩者不能同時合閘，其QSl為融冰功能輸出，QF4為直流牽引電源輸出，QSl和QS2開關的合閘只在融冰功能狀態時才閉合，其它工作狀態時均不動作。
[0025]在圖2中，共有6條聯鎖，用「〈---> 」標明聯鎖對象，分別為①、②、③、④、⑤⑥。
[0026]其中①為QF3與QF4聯鎖，表示:當QF3合閘時，QF4開關必在分位，當QF4合閘時，QF3開關必在分位。兩開關不能同時合閘的相互聯鎖。
[0027]其中②為QF3與QF5聯鎖，表示為:QF3開關閉合後，QF5開關根據QF3開關的閉合狀態進行自動合閘，即QF5開關的合閘由QF3開關的閉點信號驅動。
[0028]其中③為QF4與QF5聯鎖，表示為:QF4開關的合閘時，QF5開關一定已在分位。而QF5開關的分合與QF4開關無關。
[0029]其中④為QF5與整流器控制系統的關聯，表示為:QF5的分閘由整流器的控制系統控制，即，QF5開關下的FD裝置檢測牽引網上的交流電壓為零或安全電壓值時(通過保護設定)，控制器發出QF5開關的分閘信號，斷開QF5開關，退出FD裝置。同時檢測QF5開關狀態信號給控制器，作為整流機組直流輸出開關QF4的合閘判斷依據。其目的在於保障直流電源接入牽引網前牽引網上無交流電壓，且FD裝置已退出牽引網。
[0030]其中⑤為接於直流負極的電壓限制器，其通過QF4接入牽引網，用於檢測負極(鋼軌)對地電壓，保障鋼軌及機車車體電位安全，防止人身觸電等事故。當直流設備內正極對外殼短路時，機車和負極負軌電位升高，電壓限制器檢測鋼軌和地之間電壓，當這個電壓值大於安全整定值時，電壓檢測器立即保護動作，與大地接通，同時發出信號至直流控制系統，立即封鎖晶閘管脈衝信號，停止直流電源的輸出，退出供電。待故障排除後，再投入直流系統進行供電。
[0031]其中⑥為實現融冰功能的聯鎖，整流器工作有兩種狀態，一種為機車行車時提供牽引直流電源，另一種為線路融冰時提供電源，設置其聯鎖，表示整流電源在同一時刻只能實現一種供電模式的輸出功能。
[0032]當交流27.5kV接入牽弓丨網時，變壓器N線接至鋼軌，為了防止電壓懸浮，採用變壓器側N線接地，同時可通過QF3的分合對鋼軌進行接地操作，可有效減少線路雜散電流的危害，送電前確保QF4在斷開位置。
[0033]當直流3000VU500V(或750V等)接入牽引網時，為防止直流兩極對地短路，需要採用鋼軌不接地處理，直流送電前需確保QF3斷開，保障交流電源退出且鋼軌處於不接地狀態。為防止直流機車車體以及鋼軌電壓過高，在負極與地之間裝設電壓限制裝置，保障鋼軌電位在安全值以下。同時，牽引網通過FD裝置進行放電，FD裝置的電壓信號傳送至整流控制器進行檢測，當牽引網電壓值降至零或安全值後退出，即QF5斷開，FD裝置退出後才允許QF4閉合及直流電源輸出，保障直流電源安全送入電網。
[0034]當進行融冰功能工作時，將直流電源裝置設置成融冰功能輸出狀態(其輸出電壓和電流的大小可通過線路參數、氣象溫度等計算得出)，在分區所線路未端閉合QS2，將上下行牽引線短接，通過上下行牽引正線形成融冰迴路，閉合QS1，對接觸網導線輸送可控的直流融冰電流，使導線發熱，從而將線路上的覆冰融化。
[0035]在本發明中，QF5的合閘由QF3驅動，即QF3合閘後，QF5接收QF3的合閘狀態信號自動投入，即將FD裝置接入牽引網。QF5的分閘通過放電線圈的電壓值驅動，即牽引網電壓值降至零或安全值時，通過控制器檢測並發出QF5的分閘信號，使FD退出。
[0036]具體工作原理:
1、交直流混合供電:
牽引變壓器和整流變壓器通過QFl和QF2接入IlOkV (或220kV)電網，牽引變壓器降壓後輸出交流27.5kV，整流變壓器降壓並整流後輸出12脈波(或24脈波)直流3000V、1500V (或750V等)，QF3、QF4、QF5均處於斷開位置。當交流機車行至牽引網區段時，通過投入QF3，將交流27.5kV送至牽引網，供機車運行，同時QF5關聯QF3合閘信號後自動投入，FD裝置併入牽弓丨網，牽引網電壓信號傳送至整流控制器進行電壓監控和相關保護。當直流機車行至接觸網區時，QF3斷開，退出交流電源，牽引網通過FD進行線路放電，當牽引網電壓降至零或到達安全電壓時通過控制裝置自動斷開QF5退出FD裝置，再投入QF4，將直流電源送至牽引網，供直流機車運行，若當直流機車首先行經時，因線路無電壓，無接地，可直接投入QF3進行直流電源送電。[0037]2、防融冰功能:
如圖3所示，整流變壓器通過QF2接入IlOkV (或220kV)電網，整流變壓器降壓並整流後輸出直流電壓和電流，QF3、QF4、QF5均處於斷開位置。將直流電源裝置設置成融冰功能狀態(其電壓電流的大小可通過線路參數計算得出)，在分區所線路未端閉合QS2，將上下行牽引線短接，通過上下行牽引正線形成融冰迴路，閉合QS1，對接觸網導線輸送可控的直流融冰電流，使導線發熱，從而將線路上的覆冰融化。
[0038]以上僅是本發明的優選實施方式，本發明的保護範圍並不僅局限於上述實施例，凡屬於本發明思路下的技術方案均屬於本發明的保護範圍。應當指出，對於本【技術領域】的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理前提下的若干改進和潤飾，應視為本發明的保護範圍。
【權利要求】
1.一種兼具融冰功能的交直流混合牽引供電系統，其特徵在於，包括: 交流供電組件，用來進行交流供電，包括牽引變壓器和交流饋線開關QF3，牽引變壓器經第一斷路器QFl接入牽引供電網，牽引變壓器降壓後輸出交流27.5kV，經過交流饋線開關QF3與牽引網相連； 直流供電組件，用來進行直流供電，包括整流變壓、整流器、直流饋線開關QF4、放電線圈FD，整流變壓器經第二斷路器QF2接入牽引供電網，整流變壓器降壓並經整流器整流後輸出直流，一路經過直流饋線開關QF4與牽弓I網相連，另一路經過雙極高壓隔離開關QSl與牽引網相連，並在分區所線路末端設有用來短接牽引網上行、牽引網下行的高壓隔離開關QS2，令牽引網上行、牽引網下行形成融冰迴路；放電線圈FD設置於直流饋線開關QF4輸出側正母線端，並設有高壓開關QF5。
2.根據權利要求1所述的兼具融冰功能的交直流混合牽引供電系統，其特徵在於，所述整流器採用晶閘管機組，通過晶閘管的觸發控制電流的輸出。
3.根據權利要求1所述的兼具融冰功能的交直流混合牽引供電系統，其特徵在於，所述整流器的輸出端連接有電壓限制器FV。
4.根據權利要求1或2或3所述的兼具融冰功能的交直流混合牽引供電系統，其特徵在於，所述第一斷路器QFl與第二斷路器QF2不做聯鎖，所述交流饋線開關QF3與直流饋線開關QF4相互聯鎖；直流饋線開關QF4的合閘與高壓開關QF5進行聯鎖；雙極高壓隔離開關QSl與直流饋線開關QF4建立聯鎖，兩者不能同時合閘。
【文檔編號】H02G7/16GK103950394SQ201410113184
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年3月25日 優先權日:2014年3月25日
【發明者】黃燕豔, 周方圓, 胡前, 王衛安, 吳強, 邱文俊, 張定華, 龍禮蘭, 吳明水, 沈輝, 吳選保, 朱建波 申請人:株洲變流技術國家工程研究中心有限公司