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浅析/聊列车不断电通过分相区技术(地面自动过分相)

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发表于 2016-9-8 18:29:09 | 显示全部楼层 |阅读模式
我没有查阅过相关技术文献,但早知道有这么个概念,刚才没事干,想起了这个事,因为前几日惊闻国铁电力机车直供电不再接集控线,转而采取“强供”模式,于是觉得就更有必要尽快实现这一技术的应用了
其优点是提高列车运行速度(尤其对于高铁),避免列车坡停(包括断电期触发的技术故障)以及降低设备故障率乃至延长其使用寿命(这一点对直供电的客车尤其重要,尤其是实行强供后),当然,也包括提升旅客舒适度甚至避免司机误操作导致供电所顶闸
以下是我设计的模型,如图所示(接触网俯视图——由于论坛不能上传图片,只得外链),整个换相区由4套传统的分段(注意不是分相)绝缘器分割成5个区域,即U相供电区(红色)、缓冲区A(绿色)、相位转换区(棕色)、缓冲区B以及V相供电区(兰色),其中黑色线段为绝缘区,其余均为导线
列车通过分相的流程依次是,机车驶过U相的车位检测点,缓冲区A及转换区接通U相电源,当机车驶过转换区左侧检测点后,缓冲区A断电,随即开始转换相位,转换成功后,缓冲区B接通V相电源,当机车驶过V相供电区检测点后,缓冲区B以及转换区断电,转换成功。随后系统应检测列车出清,进入下一次工作的准备状态。若列车行驶至转换区右侧检测点,仍未转换成功,视为转换失败,机车自动断开主断路器,同时缓冲区B保持断电状态,待机车滑行至V相区检测点后自动闭合主断路器恢复供电。列车反方向驶入,亦然
这里解释一下设置缓冲区的目的,假如不设缓冲区,则分段绝缘器会在某一时段,两头同时分别接入U相和V相电源,这种情况下,在绝缘器的菱形顶点之间,极易发生绝缘击穿从而造成短路。具体情况,视当地气候环境,可考虑再增加两对绝缘器
至于机车与检测点之间的联系,可考虑采用应答器发码的形式,再此暂不详述
以上是列车通过分相的具体步骤
下面再来看一下,相间转换的过程,这应该是该技术的难点所在
我觉得传统的电源接入、断开方式肯定是不可行的,因为此时的拉弧估计不逊于爆炸。那么考虑能否在电源线上串个变阻器,如右上角副图示。其原理考虑为通过给变阻器接通和断开控制电源,改变其导电特性,具体说就是当转换区提供U相电时,器件1表现为导通,器件2表现为绝缘。我不清楚有没有这样的器件,当然不一定是电阻,半导体能够实现该功能的可能性更大。如此一来,就避免了闪弧的发生
接下来考虑转换的操作过程,转换时(U转V),器件1从导通瞬间变为绝缘,此时由于断电,器件下端电势会升高,到达峰值后降低,在这一过程中,V相电源的电势也是在不断变化的(交流),那么假如系统可以实时监测器件下端与V相电势,在其相等或相近时导通器件2(考虑在下端电势回落到网压下限前——19KV),则转换即获成功
我猜想,这一过程是可以实现的,有感于SS7型电力机车的再生制动过程。但是下端电势与V相电势的变化过程,需要计算甚至绘图才能反应出来,这里面还牵扯到机车的具体情况,我就没有办法展现给大家了,所以二者电势是否能够在限定时间内关联起来,我现在也没法下定论,如果可以,并且确实有那样的器件,那么看起来此技术是完全可以实现的
本人并没有搞过相关专业,言论不免有谬误之处,还望诸位海涵
也请专业人士帮忙分析一下,该项技术目前还无法投入实用的具体瓶颈在哪,谢谢


 楼主| 发表于 2016-9-8 19:10:04 | 显示全部楼层
补充一点,为防止转换期间机车电压上升太高,应该控制转换区电压,具体是监控列车进入端的网压,若偏高,则在转换区内限压(这个应该不难吧,最简单的调电阻),转换区电压若能限制在20KV左右则应较理想
若此,机车驶过左侧绝缘器时,会形成网间电流,但由于只是瞬间,所以影响应可忽略
发表于 2016-9-8 21:31:38 | 显示全部楼层
然而相关技术文献还是应该要查的
这玩意的资料一百度一大把……

简而言之,目前投入运用的地面不断电过分相设备
和楼主描述的差不多
但是主要还是采用的传统的真空断路器
日本人有部分改成大功率开关器件了

但是目前铁路多数采用的还是列车自动断电过分相
因为地面不断电这套设备安装维护成本太高(空间成本和器件成本都不小)

关于不接集控线这个奇葩我也是刚听说
(鬼知道怎么想的)
但是HXD1G和3G已经设计了在过分相时候
牵引电机自动转再生维持辅机和列供供电的功能
所以再过几年可能影响就不大了
发表于 2016-9-8 21:34:03 | 显示全部楼层
顺带,大功率开关器件都用上了
有人就提出了更加激进的渐进移相过分相方案
说白了就是中性区我给它频率稍稍变一下
列车进入的时候是U相位,驶出时候就直接过渡到V了
左右都能凑上就行了
发表于 2016-9-8 22:10:05 | 显示全部楼层
能否用大功率电池组或电容器来起到瞬间稳压而替代变阻器呢。
发表于 2016-9-8 22:14:58 | 显示全部楼层
huamao_zhh 发表于 2016-9-8 22:10
能否用大功率电池组或电容器来起到瞬间稳压而替代变阻器呢。

电池和电容都是供直流用的
到头来还得接大功率逆变器
那我不如直接接电网整个流
 楼主| 发表于 2016-9-9 11:32:28 | 显示全部楼层
昨晚睡前冥想时,发现我的最后一步(转换过程),是有些问题的,包括2楼补充的缓冲区限压,也是不必要的,因为当时有点犯糊涂,把这个电势的问题搞乱了
事实上接触网上的电势应该是在±40KV(峰值)范围内以正弦波的姿态变化的,那么为防止转换时机车原边电压过高,可以控制器件1关断的时间点,比如,当网侧电势在±20KV内时关断,如此应可控制原边电压在限值内,防止损伤车内设备
至于器件2的导通时机,也应以原边电压不超标为准,具体可以设计一套算法
 楼主| 发表于 2016-9-9 11:44:35 | 显示全部楼层
CRS 发表于 2016-9-8 21:31
然而相关技术文献还是应该要查的
这玩意的资料一百度一大把……

简而言之,目前投入运用的地面不断电过分相 ...

我一般不到万不得已不百度,再一个我也没有免费(这事儿很重要)查阅文献的权限,我把想法发上来大家聊,也挺好
真空断路器是可以,包括充填非极性气体(我觉得这样可能更好),不过有一个问题就是,这玩意动作太慢,很难实现精细控制(至少你要给他计算提前量),再一个就是真空断路器虽然不会闪弧,但初期肯定还是会爬电,也就是说这玩意颇有拖泥带水的感觉,不如半导体痛快,但成本可能是个问题
外国我不清楚,反正在中国,还有很多地方赤裸裸的要求司机手动过分相呢,以至于供电所顶闸这种事故偶尔还是能听说
如果HXD*G实现了再生供电,固然可喜,但这种机车显然不可能大规模铺开,更难以想象双机牵引25G,所以这个问题,还是存在的
而且再生供电有两个问题,一个是降速太厉害,一个是冲动——尤其对于间隙车钩
像高铁,现在跑300还显得不是太夸张,如果提速到350甚至380,那机车运行曲线就有点像过山车了
再一个就是货车坡停,很多都是因分相所致
所以我觉得实现这一技术还是很有必然的,当然咱也就是聊聊,天朝这种连机车自动过分相都不放心的主儿,能有这造化吗?
 楼主| 发表于 2016-9-9 11:47:28 | 显示全部楼层
本帖最后由 铁道游击队长 于 2016-9-9 11:52 编辑
CRS 发表于 2016-9-8 21:34
顺带,大功率开关器件都用上了
有人就提出了更加激进的渐进移相过分相方案
说白了就是中性区我给它频率稍稍 ...
对,像我提出的这种转换方法,我想来想去,不管怎么弄,转换期波形都会很难看
如果这样给扭过来,波形就比较好看了
但设备和成本可能就上来了
不过这种方法确实效果更好
 楼主| 发表于 2016-9-9 12:02:42 | 显示全部楼层
huamao_zhh 发表于 2016-9-8 22:10
能否用大功率电池组或电容器来起到瞬间稳压而替代变阻器呢。

这个变阻器应该是我说的不清楚,实际就应该是CRS提到的大功率开关器件,主要是我对半导体不了解
它的作用就是开关,所以应该是不能用电容器来替代的
不过我现在的确觉得渐进式转换更合理,渐进式的转换区,应该尽可能的短,而传统模式的转换区,应该尽可能长一些

发表于 2016-9-9 14:46:35 | 显示全部楼层
CRS 发表于 2016-9-8 22:14
电池和电容都是供直流用的
到头来还得接大功率逆变器
那我不如直接接电网整个流

但是,可以用短时间的电源供电模式,来解决过分相的问题。保持机车短时间内的牵引需要。

只不过,设备的养护难度和频次要高上了。
发表于 2016-9-9 14:49:12 | 显示全部楼层
本帖最后由 huamao_zhh 于 2016-9-9 15:28 编辑
铁道游击队长 发表于 2016-9-9 12:02
这个变阻器应该是我说的不清楚,实际就应该是CRS提到的大功率开关器件,主要是我对半导体不了解 ...

现在接触网供电的采用的最简单的过分相模式,当然也是最可靠的模式。这个采用渐进式的方式,会不会存在绝缘不完整而造成出现相位问题呢。


发表于 2016-9-9 15:14:08 | 显示全部楼层
铁道游击队长 发表于 2016-9-9 11:44
我一般不到万不得已不百度,再一个我也没有免费(这事儿很重要)查阅文献的权限,我把想法发上来大家聊, ...

如果说D*G不大面积铺开,估计到时候拉的车也都是密接钩了

高铁这个事确实对运行影响还是不小的,这个有人算过
所以普遍现在动车过分相关空调嘛,坐一宿动卧就听着空调一会儿开一会儿关的
按说直供客车接了集控线控制也可以达到跟动车差不多的水平的

我觉得就目前水平来看能把机车自动过分相这套东西玩遛了就不错了

顺带,百度的话,免费看文献的资源还是有一些的
只不过不给你免费下载
发表于 2016-9-9 15:15:42 | 显示全部楼层
huamao_zhh 发表于 2016-9-9 14:46
但是,可以用短时间的电源供电模式,来解决过分相的问题。保持机车短时间内的牵引需要。

只不过,设备的 ...

机车的中间直流环节装个大电容
反正放电就那么几秒钟的事
 楼主| 发表于 2016-9-9 19:57:17 | 显示全部楼层
huamao_zhh 发表于 2016-9-9 14:46
但是,可以用短时间的电源供电模式,来解决过分相的问题。保持机车短时间内的牵引需要。

只不过,设备的 ...

我明白您的意思了
不过这是不可行的,因为电容只对直流系统有蓄能的功能,而电网是交流的
就算用电池,也不行,因为出来的是直流电,机车主变次边无输出
而且这样的话,受电弓滑过绝缘器时,瞬间就能把电池烧毁
如果说把蓄能设备装在机车内,那就得考虑容量、空间和重量的问题了
这东西至少得保证在几百米的距离内发挥9600KW的功率,速度最低也得60吧,然后您可以算一算,容量需要多大,机车有没有地方装
 楼主| 发表于 2016-9-9 20:24:09 | 显示全部楼层
huamao_zhh 发表于 2016-9-9 14:49
现在接触网供电的采用的最简单的过分相模式,当然也是最可靠的模式。这个采用渐进式的方式,会不会存在绝 ...

还按照我贴的那张图设置即可,只不过转换区的工作模式变了
当机车进入转换区后,缓冲区断电,所以不存在绝缘问题
转换过程中,频率先降低,再升高即可,整个过程,网侧电势基本都是正弦波(变频时会略微变形),可以说很理想
现在的大功率变频技术已经这么成熟了,这个真心不错,主要也就是成本问题了,估计再过几年真可以普及
这个玩意,至少得有10000KW的功率(不过只是短时间),可以像轴控机车一样,搞几组变频器并联起来
按照30公里一分相计算,1000公里的线路大概需要32组设备
但最大的问题是,对于复线铁路,没法同时对两列列车转换,如果为此加一套设备,无疑造成巨大浪费,可以考虑采用信号调度,来保证分相区内只有一列列车,当然在排图时就尽力避免那是最好,不过除了高铁,别的车也没那么精细的运行点……

 楼主| 发表于 2016-9-9 20:28:12 | 显示全部楼层
CRS 发表于 2016-9-9 15:14
如果说D*G不大面积铺开,估计到时候拉的车也都是密接钩了

高铁这个事确实对运行影响还是不小的,这个有人 ...

现在满大街的25G还在烂造,你伤得起吗?
自动过分相玩的溜不溜,不在于技术,关键是管理者的大脑还停留在农耕文明时代,这一点谁也伤不起
最逗的是以前听郑州机务段司机说,他们以前用自动过分相的时候,把列尾的吴仪给摔了个大马趴,结果就不让用了
发表于 2016-9-9 20:29:04 | 显示全部楼层
铁道游击队长 发表于 2016-9-9 20:28
现在满大街的25G还在烂造,你伤得起吗?
自动过分相玩的溜不溜,不在于技术,关键是管理者的大脑还停留在 ...

25G型客车造100年如何
发表于 2016-9-11 17:23:43 | 显示全部楼层
铁道游击队长 发表于 2016-9-9 20:24
还按照我贴的那张图设置即可,只不过转换区的工作模式变了
当机车进入转换区后,缓冲区断电,所以不存在绝 ...

成本问题确实在。
发表于 2016-9-14 19:39:15 | 显示全部楼层
日本用地面自动过分相,国内车载自动过分相。原西安分局科研所曾经搞过一个地面过分相的试验项目,和日本一样也是用真空断路器做为过渡段的切换开关。
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