CN102832582B - 一种交流电气化铁路接触网在线防冰与融冰控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种交流电气化铁路牵引网在线防冰与融冰系统。该系统包括供电臂末端防冰或融冰电流发生装置SVG1(1)和供电臂首端的电流补偿装置SVG2(2)。其中，供电臂末端的融冰电流发生装置SVG1(1)与牵引网(4)及钢轨(5)的末端相接，在控制装置的控制下产生融冰电流；供电臂首端融冰电流补偿装置SVG2(2)与牵引网(4)及钢轨(5)的首端相接，在控制装置的控制下补偿末端SVG1的融冰电流与机车(6)产生的无功电流。同时，本发明可实现交流电气化铁路牵引网在线防冰与融冰系统的几种控制方案，这些控制方案可针对牵引网不同工况有效产生不同的防冰或融冰电流，同时提高供电臂末端电压和牵引臂的供电功率因数。
Description
技术领域
本发明涉及一种交流电气化铁路牵引供电系统的辅助装置，尤其涉及一种交流电气化铁路接触网的在线防冰和融冰系统及其控制方案。
背景技术
交流电气化铁路供电系统中，接触网在恶劣的环境温度和湿度等条件下会出现覆冰现象，造成机车受电弓受流失败和接触网舞动乃至倒杆、塌网等严重事故。如何防止或融化接触网覆冰是牵引供电系统必须面对和解决的问题。
当前，直流融冰是目前公认的成熟可行的技术。该技术通常采用晶闸管整流器作为核心的变流设备，辅以平波电抗器、交流滤波器等部件，但需要输电线路退出运营后，为覆冰线路提供直流融冰电流，利用输电线路的等效电阻形成的焦耳热融冰。该方案必须在覆冰现象形成后断开供电，并更改系统连接方案形成融冰电流通路，无法在不影响接触网正常供电的前提下实现防冰与融冰，因此，该方案如果应用到电气化铁路的供电系统，必将影响牵引供电系统的正常运行。
本发明提出一种不影响牵引网正常运行的在线防冰和融冰系统，利用牵引网末端无功发生装置产生无功电流，可提高牵引网末端电压。该电流流经接触网，利用接触网的等效电阻形成焦耳，实现热防冰和融冰。牵引网首端无功补偿装置补偿牵引网输出端口的无功分量，有功分量由牵引变压器提供，因此，系统可有效保证首端的功率因数。
发明内容
本发明的目的是提供一种电气化铁路牵引网在线防冰或融冰的系统方案。该系统可以在不影响牵引供电系统正常运行的前提下，实现在线防冰或融冰，同时可提高牵引网末端电压，并在牵引网首端补偿无功电流，提高牵引变压器输出端口的功率因数。
本发明解决其技术问题，所采用的技术方案为：
交流电气化铁路牵引网在线防冰与融冰装置的控制方法，实现牵引网有无机车受流的检测和融冰电流的控制，电臂末端融冰电流发生装置SVG1(1)间断性的产生或停止产生融冰电流；供电臂首端融冰电流补偿装置SVG2(2)与牵引网(4)及钢轨(5)的首端相接，在控制装置的控制下补偿末端SVG1的防冰或融冰电流与机车(6)产生的无功电流，
a、控制器利用无融冰电流的间隔期检测供电臂末端的电压；由控制器根据电压幅值的变动判断供电臂有无机车受流：
b、根据a的判断结果，在无机车受流的工况下产生感性无功融冰电流，在有机车受流的工况提供容性无功融冰电流。
本发明的目的还在于，提供一种交流电气化铁路接触网在线防冰和融冰系统装置，该装置包括供电臂末端的防冰或融冰电流发生装置SVG1(1)、供电臂首端的电流补偿装置SVG2(2)；供电臂末端的防冰或融冰电流发生装置SVG1(1)与牵引网(4)及钢轨(5)的末端相接，在控制装置的控制下产生防冰或融冰电流；供电臂首端融冰电流补偿装置SVG2(2)与牵引网(4)及钢轨(5)的首端相接，在控制装置的控制下补偿末端SVG1的防冰或融冰电流与机车(6)产生的无功电流。
末端防冰或融冰电流发生装置SVG1(1)和首端防冰或融冰电流与无功电流补偿装置SVG2(2)可以采用图2所示的基于电力电子开关器件(8)的单相变流器，该变流器可以是图2所示的两电平变换器结构，也可以是其它可控的无功补偿设备。基于图2的变流装置通过变压器(9)与接触网电压匹配，并通过连接电抗器(11)滤波，开关器件将直流电容(12)上的直流电压变换为交流调制输出，连接电抗器(11)抑制其中的谐波，使得变换器能够输出与指令电流一致的任意波形，该指令电流是控制器(13)根据传感器的检测的计算结果。控制器的计算步骤如图3所示：根据环境温度、风速等外部因数计算电流的幅值，根据末端电压检测设定感性或容性电流，从而或得无功电流指令；另一方面，通过控制直流电压获得有功电流的指令；最终计算合成实时指令电流，并根据变换器的输出电流计算可开关器件的控制信号。
供电臂末端SVG1(1)的控制器通过检测环境温度、风速等参数，计算防冰或融冰所需的无功电流的幅值，并根据供电臂机车有无情况，设定SVG1产生容性或感性的无功电流，最后计算实时指令电流，并产生PWM控制变流器输出防冰和融冰电流，其计算框图如图3所示。
SVG1产生的电流在牵引网(4)上产生焦耳热，提高导线温度，达到防冰和融冰的目的，同时使末端电压无论有无机车受流都能够维持在正常范围内：有机车受流时，牵引网末端电压V4通常远低于首端电压V1；无机车受流时，牵引网末端电压V0通常略高于首端电压V0，如图4所示。供电臂末端SVG1有机车受流时，输出容性无功防融冰电流，使末端电压从V4抬升至V3；无机车受流时，输出感性无功防融冰电流，使末端电压从V0降低至V2。因此，无论有无机车受流，末端电压都能够维持在合理的电压范围。
供电臂首端SVG2(2)的控制器检测包括SVG1产生的无功电流和机车负载的无功电流的总和，计算总的无功电流的补偿指令，控制SVG2产生与上述总电流大小相等、方向相反的电流，不仅使防冰或融冰电流不进入变电所(7)中的牵引变压器，同时也可提高变电所(7)中供电臂(4)输出端口的功率因数。
本发明末端变流器判断牵引网有无机车受流的检测方案为：
融冰电流发生装置SVG1(1)间断性的产生或停止产生融冰电流，即一段时间产生大幅值的融冰电流，一段时间内停止产生融冰电流。
由于牵引网网压随着供电距离的增加会下降，如图4所示。在有机车受流的情况下，牵引网网压下降的幅值通常大于无机车受流的情况。根据这一特征，图1中的末端SVG1(1)可以在不产生防冰或融冰电流的时间内，检测末端电压，同时根据前期测试数据，即可判定当前牵引网时候有机车受流。该方案可排除防冰或融冰电流对检测结果的影响。
融冰电流发生装置SVG1(1)根据权利要求上述特征b的判断结果，在无机车受流的工况下产生感性无功电流，充分利用SVG1(1)的补偿容量；在有机车受流的工况下产生容性无功电流，在防冰或融冰的同时，达到提升牵引网末端电压的目的。
本发明基于其它频率的防冰与融冰电流方案，其工作原理为：
融冰电流发生装置SVG1(1)产生的防冰或融冰电流可以是无功电流(如图5所示)，也可以是频率低于基波或高于基波的电流(如图6所示)。对于频率低于基波的防冰或融冰电流，其流过牵引网的等效电抗较小，因此对牵引网电压的影响更小。对于频率高于基波频率的防冰或融冰电流，图2变流器装置的直流电容(12)的电压脉动将更小，可有效降低变换装置直流电容的安装容量与设备费用。
补偿装置SVG2(2)补偿SVG1(1)产生的全部的融冰电流的同时，也可补偿负载的无功电流，最后牵引变压器输出电流仅为负载和防冰融冰所需的有功电流。因此，该方案同样可提高流入供电变压器电流的功率因数。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明首末端的装置不需要通讯连接，末端SVG1通过间歇式输出无功电流并检测末端电压探测牵引网负载的有无，并根据牵引网负载的有无，输出容性或感性无功，保证牵引网末端电压在正常范围内。并可执行其他频率电流的防冰融冰。
采用所述的基于电力电子器件的无功或谐波发生与补偿系统，在一个供电臂的首端与末端之间的牵引网上产生无功防冰或融冰电流，或者频率低于基波或高于基波防冰或融冰电流。由于电流发生与补偿装置除自身损耗外不消耗有功功率，因此系统效率高，同时也不影响牵引网的正常工作，达到在线工作的目的。
采用所述的无功电流防冰和融冰方案，其装置技术成熟，成本较低，可提高牵引臂的供电功率因数。
采用所述的末端SVG1(1)判断牵引网有无机车受流的检测方案，在无机车受流的工况下产生感性无功融冰电流，可充分利用SVG1(1)的补偿容量；在有机车受流的工况下产生容性无功融冰电流，提升牵引网末端电压，并可提高牵引臂的供电功率因数。
采用技术所述的频率低于基波的防冰或融冰电流，该频率对应牵引网的等效电抗较小，因此对牵引网电压的影响更小。如果使用频率高于基波的防冰或融冰电流，电流发生与补偿装置的直流电容电压脉动将更小，可有效降低变换器直流电容的容量与费用，同时也可提高牵引臂的供电功率因数。
附图说明
图1是本发明实施的系统原理图。
图2是SVG1和SVG2的一种基于两电平变换器的实现电路。
图3是SVG1输出无功电流计算框图。
图4是具有融冰系统的牵引网端电压特性图。
图5是无功防冰融冰系统波形示意图。
图6是谐波防冰融冰系统波形示意图。
具体实施方式
图1示出，本发明的一种具体实施方式为：一种交流电气化铁路牵引网在线防冰与融冰系统，包括供电臂末端防冰或融冰电流发生装置SVG1(1)、供电臂首端的电流补偿装置SVG2(2)，其中：
供电臂末端装置SVG1(1)与牵引网(4)及钢轨(5)的末端相接，在控制装置的控制下产生防冰或融冰电流。
供电臂首端装置SVG2(2)与牵引网(4)及钢轨(5)的首端相接，在控制装置的控制下补偿末端SVG1的防冰或融冰电流与机车(6)产生的无功电流。末端融冰电流发生装置SVG1(1)和首端融冰电流与无功电流补偿装置SVG2(2)可以采用图2所示的基于电力电子开关器件的单相变流器，该变流器可以采用图2所示的两电平变换器结构，直流侧由直流电容(12)组成，4个开关器件(8)两两串联后并联构成两个桥臂，每个桥臂的中点通过连接电抗器(11)与变压器(9)连接，再与接触网相连。
Claims (2)
1.一种交流电气化铁路接触网在线防冰与融冰装置的控制方法，实现供电臂有无机车受流的检测和防冰或融冰电流的控制，供电臂末端防冰或融冰电流发生装置SVG1(1)间断性的产生或停止产生防冰或融冰电流；供电臂首端防冰或融冰电流补偿装置SVG2(2)与接触网(4)及钢轨(5)的首端相接,在控制器的控制下补偿供电臂末端防冰或融冰电流发生装置SVG1的防冰或融冰电流与机车(6)产生的无功电流；
a、控制器利用无防冰或融冰电流的间隔期检测供电臂末端的电压；由控制器根据电压幅值的变动判断供电臂有无机车受流；
b、根据a的判断结果，在无机车受流的工况下产生感性无功防冰或融冰电流，在有机车受流的工况提供容性无功防冰或融冰电流；
所述供电臂末端防冰或融冰电流发生装置SVG1(1)可以提供无功电流，也可以提供频率低于基波或高于基波的电流；供电臂首端防冰或融冰电流补偿装置SVG2(2)补偿全部的防冰或融冰电流和负载的无功电流，达到提高供电臂功率因数的目的。
2.一种实现权利要求1方法的交流电气化铁路接触网在线防冰与融冰装置，包括供电臂末端防冰或融冰电流发生装置SVG1(1)、供电臂首端防冰或融冰电流补偿装置SVG2(2)；供电臂末端防冰或融冰电流发生装置SVG1(1)与接触网(4)及钢轨(5)的末端相接,在控制器的控制下产生防冰或融冰电流；供电臂首端防冰或融冰电流补偿装置SVG2(2)与接触网(4)及钢轨(5)的首端相接,在控制器的控制下补偿供电臂末端防冰或融冰电流发生装置SVG1的防冰或融冰电流与机车(6)产生的无功电流。
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