CN110091757B - 一种具备冗余功能的地面自动过分相装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种具备冗余功能的地面自动过分相装置及控制方法，该装置包括分别连接在两侧供电臂与中性段之间的两个主开关单元，通过在列车过分相区时依次控制两个主开关单元的通断，以控制进行换相，还包括相互连接的备用开关单元以及冗余切换控制单元，备用开关单元的两端均分别与两个主开关单元的两端连接，冗余切换控制单元控制当一个主开关单元故障时，切换接入备用开关单元替代故障的主开关单元。本发明能够实现地面自动过分相的冗余功能，且具有结构简单、成本低、不影响原装置运行以及使用灵活等优点。

Description

一种具备冗余功能的地面自动过分相装置及控制方法

技术领域

本发明涉及电气化铁路牵引供电技术领域，尤其涉及一种具备冗余功能的地面自动过分相装置及控制方法。

背景技术

电气化铁路接触网是采用单相工频交流供电方式，为了降低电力系统三相供电网的电压不平衡度以及提高电网利用率，电气化铁路采用分段分相供电，即在电压相位不同的两个供电臂之间嵌入一段无电的中性区，每个供电臂与中性区之间通过锚段关节平滑过渡。

为了减小接触网电分相区的不利影响，目前主要是采用车载自动过分相或地面自动过分相两种方式，其中车载自动过分相方式如图1所示，当列车得到从地面传输来的过分相预告信号后，首先进行确认，然后封锁牵引变流器的触发脉冲(等同于手动过分相时司机将牵引手柄回零)，延时断开主断路器，使列车惰行通过无电区；在通过无电区后，再按照相反的顺序重新启动列车。上述车载自动过分相方式本质上是一种断电过分相，断电区较长，速度损失大、牵引力丢失严重，且过电压现象严重，会影响电气设备的安全运行。

地面自动过分相方式根据采用的开关类型，可分为机械开关地面自动过分相和电子开关地面自动过分相，在列车经过分相区时，通过两套开关的先后切换来达到给中性区供电的目的，可以大大减少列车无电的时间，同时减小速度和牵引力损失。但是地面自动过分相方式必须依赖于两套开关的正常工作，该两套开关在长期使用过程中可能会发生损坏等故障，而当任意一套开关发生故障时即无法完成整个过分相过程，使得整个装置的冗余可靠性低，不能确保列车过分相时的稳定可靠运行。典型的地面自动过分相装置如图2所示，通过两组晶闸管阀组的切换实现自动过分相，但是如上述，当其中任意一组晶闸管阀组发生故障时，整个装置不能正常工作，设备可靠性较差。

为提高过分相装置的冗余可靠性，有从业者提出分别为两套开关设置独立的备用开关，但是通常都是分别为每一套开关设置一套备用开关，当其中一套开关发生故障时，切换使用对应的一套备用开关。但是上述分别为两套开关设置备用开关的方式，由于需要同时设置两套备用开关，增加了设备成本，尤其是使用电子式开关作为备用时，会大大提升设备成本，且两套开关同时发生故障的概率较小，通常都是单点故障，即仅有其中一套开关存在故障，设置两套独立备用开关会使得设备利用率低。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种能够实现地面自动过分相的冗余功能，且结构简单、成本低、不影响原装置运行以及使用灵活的地面自动过分相装置及控制方法。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种具备冗余功能的地面自动过分相装置，包括分别连接在两侧供电臂与中性段之间的两个主开关单元，通过在列车过分相区时依次控制两个所述主开关单元的通断，以控制进行换相，其特征在于：还包括相互连接的备用开关单元以及冗余切换控制单元，所述备用开关单元的两端均分别与两个所述主开关单元的两端连接，所述冗余切换控制单元控制当一个所述主开关单元故障时，切换接入所述备用开关单元替代故障的所述主开关单元。

作为本发明装置的进一步改进：所述冗余切换控制单元通过接通所述备用开关单元与故障的所述主开关单元之间的连接回路，控制切换接入所述备用开关单元替代故障的所述主开关单元。

作为本发明装置的进一步改进：所述备用开关单元分别通过一个高压开关与两个所述主开关单元连接，每个所述高压开关与所述冗余切换控制单元连接，通过控制各所述高压开关的通断，控制切换接入所述备用开关单元替代对应侧的所述主开关单元。

作为本发明装置的进一步改进：所述高压开关具体为隔离开关、断路器或负荷开关等。

作为本发明装置的进一步改进：所述备用开关单元、主开关单元为机械式开关单元或电子式开关单元。

作为本发明装置的进一步改进：所述机械式开关单元为断路器或负荷开关；所述电子式开关单元包括一个以上的晶闸管阀组，所述晶闸管阀组包括反并联连接的两个以上的晶闸管。

作为本发明装置的进一步改进：还包括与所述冗余切换控制单元连接的故障检测单元，用于实时检测两个所述主开关单元的故障状态，当检测到其中一个所述主开关单元发生故障时，发送对应的控制指令给所述冗余切换控制单元。

作为本发明装置的进一步改进：还包括逻辑控制单元以及用于检测列车位置信号的位置检测单元，所述逻辑控制单元分别与所述位置检测单元、两个所述主开关单元连接，所述逻辑控制单元在列车过分相区时，根据所述位置检测单元检测到的列车位置信号，分别控制两个所述主开关单元闭合、断开以进行换相。

本发明进一步提供利用上述地面自动过分相装置的控制方法，步骤包括：

S1.实时检测两个所述主开关单元的故障状态；

S2.当检测到存在所述主开关单元故障时，控制切换接入所述备用开关单元以替代故障的所述主开关单元；

S3.当列车过分相区时，控制所述备用开关单元与另一个所述主开关单元闭合、断开以执行换相。

作为本发明控制方法的进一步改进：所述步骤S2中通过接通所述备用开关单元与故障的所述主开关单元之间的连接回路，控制切换接入所述备用开关单元以替代故障的所述主开关单元。

作为本发明控制方法的进一步改进：所述步骤S2中具体通过闭合连接在所述备用开关单元与故障的所述主开关单元之间的高压开关，切换接入所述备用开关单元替代故障的所述主开关单元。

作为本发明控制方法的进一步改进：所述步骤S3后还包括当故障的所述主开关单元恢复正常状态时，控制断开所述备用开关单元以恢复接入对应的所述主开关单元。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1)本发明通过在设置两个主开关单元实现自动过分相的基础上，设置一个备用开关单元以及冗余切换控制单元，由备用开关单元分别与两个主开关单元连接，当任意一个主开关单元故障时，切换接入备用开关单元替代故障的主开关单元，可以由一套备用开关单元同时实现两套主开关单元的备份，从而在任意一套主开关单元发生故障时，仍可以保持装置的正常运行且不影响装置性能，有效提高装置的冗余可靠性，同时通过复用一套备用开关单元，可以大大减少装置所需的成本，提高设备的利用率。

2)本发明进一步备用开关单元分别通过一个高压开关与两个主开关单元连接，通过控制各高压开关的通断，控制切换接入备用开关单元替代对应侧的主开关单元，在原地面自动过分相装置的基础上，仅需增加设置一套备用开关以及两个辅助高压开关，即可实现对两套主开关的备用，无需设置其他的硬件结构，整个装置的结构简单且实现成本低。

附图说明

图1是车载自动过分相方式的实现原理示意图。

图2是典型的地面自动过分相的结构原理示意图。

图3是本发明实施例1具备冗余功能的地面自动过分相装置的结构示意图。

图4是本发明实施例1中实现冗余地面自动过分相的原理示意图。

图5是本发明实施例2具备冗余功能的地面自动过分相装置的结构示意图。

图6是本发明实施例3具备冗余功能的地面自动过分相装置的结构示意图。

图7是本发明实施例4具备冗余功能的地面自动过分相装置的结构示意图。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

实施例1：

如图3所示，本实施例具备冗余功能的地面自动过分相装置，包括分别连接在两侧供电臂与中性段之间的两个主开关单元V1、V2，分别跨接在两个分相绝缘器JY1、JY2两端，其中一个主开关单元连接在一侧供电臂与中性段之间，另一个主开关单元连接在另一侧供电臂与中性段之间，在列车过分相区时依次控制两个主开关单元V1、V2的通断，以控制依次切换供电臂a、供电臂b为中性段供电，实现自动过分相；还包括相互连接的备用开关单元V3以及冗余切换控制单元，备用开关单元V3的两端均分别与两个主开关单元V1、V2的两端连接，冗余切换控制单元控制当一个主开关单元V1/V2故障时，切换接入备用开关单元V3替代故障的主开关单元V1/V2。

本实施例通过设置两套主开关单元(V1、V2)，在列车过分相区时依次控制两个主开关单元V1、V2的通断，实现地面自动过分相，基于地面自动过分相方式，能够缩短列车运行时间，提高了线路运力以及车上高压电气设备的使用寿命，同时可以降低运营维护成本。

本实施例在设置两个主开关单元(V1、V2)实现地面自动过分相的基础上，设置一个备用开关单元V3以及冗余切换控制单元，由备用开关单元V3分别与两个主开关单元(V1、V2)连接，当任意一个主开关单元V1/V2故障时，切换接入备用开关单V3元替代故障的主开关单元V1/V2，可以由一套备用开关单元V3同时实现两套主开关单元(V1、V2)的备份，从而在任意一套主开关单元V1/V2发生故障时，仍可以保持装置的正常运行且不影响装置性能，有效提高装置的冗余可靠性，同时通过复用一套备用开关单元V3，可以大大减少装置所需的成本，以及提高设备的利用率。

本实施例中，冗余切换控制单元通过接通备用开关单元V3与故障的主开关单元V1/V2之间的连接回路，控制切换接入备用开关单元V3替代故障的主开关单元V1/V2。当检测到主开关单元V1发生故障时，冗余切换控制单元控制接通备用开关单元V3与主开关单元V1两端的连接回路，即使得备用开关单元V3与主开关单元V1并联连接，以切换由备用开关单元V3替换主开关单元V1；当检测到主开关单元V2冗余切换控制单元控制接通备用开关单元V3与主开关单元V2之间的连接回路，即使得备用开关单元V3与主开关单元V2并联连接，以切换由备用开关单元V3替换主开关单元V2。

本实施例中，备用开关单元V3分别通过一个高压开关与两个主开关单元V1、V2连接，每个高压开关与冗余切换控制单元连接，通过控制各高压开关的通断，控制切换接入备用开关单元替代对应侧的主开关单元。如图3所示，本实施例高压开关具体包括高压开关QS1、QS2，备用开关单元V3通过高压开关QS1与主开关单元V1的两端连接，备用开关单元V3通过高压开关QS2与主开关单元V2的两端连接，通过闭合高压开关QS1/QS2控制接入备用开关单元V3以替代主开关单元V1/V2。

上述高压开关可采用隔离开关，当然还可以采用如断路器、负荷开关等。

本实施例实现冗余功能的地面自动过分相如图4所示，其中图(a)对应为主开关单元V1故障，当主开关单元V1故障时，闭合高压开关QS1，即可由备用开关单元V3代替故障主开关单元V1工作；图(b)对应为主开关单元V2故障，当主开关单元V2故障时，闭合高压开关QS2，即可由备用开关单元V3代替故障主开关单元V2工作。

通过采用上述结构，仅需增加设置一套备用开关以及两个辅助高压开关(QS1、QS2)，即可实现对主开关单元V1、V2的备用，无需设置其他的硬件结构，整个装置的结构简单且实现成本低。

本实施例中，还包括与冗余切换控制单元连接的故障检测单元，用于实时检测两个主开关单元V1、V2的故障状态，当检测到其中一个主开关单元V1/V2发生故障时，发送对应的控制指令给冗余切换控制单元。

本实施例具备冗余功能的地面自动过分相装置还包括逻辑控制单元以及用于检测列车位置信号的位置检测单元，逻辑控制单元分别与位置检测单元、两个主开关单元(V1、V2)连接，逻辑控制单元在列车过分相区时，根据位置检测单元检测到的列车位置信号，分别控制两个主开关单元闭合、断开以进行换相。位置检测单元具体包括分别设置在中性段侧前端、中性段中间需换相位置处以及中性段后端设置传感器CG1、CG2以及CG3，以分别检测列车是否即将进入中性段、是否到达换相位置以及是否即将离开中性段。

如图3所示，本实施例地面自动过分相装置中两个主开关单元具体分别断路器QF1～QF3与两供电臂以及中性段连接，通过断路器QF1～QF3可以控制断开两主开关单元的接入。

本实施例利用上述地面自动过分相装置的控制方法，步骤包括：

S1.实时检测两个主开关单元的故障状态；

S2.当检测到存在主开关单元故障时，控制切换接入备用开关单元以替代故障的主开关单元；

S3.当列车过分相区时，控制备用开关单元与另一个主开关单元闭合、断开以执行换相。

本实施例上述步骤S2中，具体通过接通备用开关单元V3与故障的主开关单元V1、V2之间的连接回路，控制切换接入备用开关单元以替代故障的主开关单元，即当检测到主开关单元V1发生故障时，控制接通备用开关单元V3与主开关单元V1两端的连接回路，即使得备用开关单元V3与主开关单元V1并联连接，以切换由备用开关单元V3替换主开关单元V1；当检测到主开关单元V2冗余切换控制单元控制接通备用开关单元V3与主开关单元V2之间的连接回路，即使得备用开关单元V3与主开关单元V2并联连接，以切换由备用开关单元V3替换主开关单元V2。

本实施例中，步骤S2中具体通过闭合连接在备用开关单元与故障的主开关单元之间的高压开关，切换接入备用开关单元替代故障的主开关单元，即通过闭合高压开关QS1/QS2控制接入备用开关单元V3以替代主开关单元V1/V2。

本实施例具体根据主开关单元V1、V2的故障状态信息，判断主开关单元V1、V2是否出现故障，当原投入运行的主开关单元V1/V2故障后，闭合对应的高压开关QS1/QS2，再由备用开关单元V3代替故障的主开关单元V1/V2工作，通过上述方法，控制实现简单，且使得在任意一主开关单元V1/V2故障时，能够保证地面自动过分相装置仍然正常运行且性能保持不变。

本实施例中，步骤S3后还包括当故障的主开关单元恢复正常状态时，控制断开备用开关单元以恢复接入对应的主开关单元。

实施例2：

如图5所示，本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于主开关单元V1、主开关单元V2以及备用开关单元V3均为机械式开关，具体可使用断路器、负荷开关等，机械式开关的成本低、灭弧能力强，基于全机械式开关结构可以进一步减少装置所需的成本。

实施例3：

如图6所示，本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于主开关单元V1、主开关单元V2以及备用开关单元V3均为电子式开关，电子式开关具体采用晶闸管阀组，晶闸管阀组包括反并联连接的两个以上的晶闸管。

机械式开关的响应速度慢且会存在涌流、过电压等问题，在故障退出运行后会对系统性能带来不良影响，本实施例使用全电子式开关结构实现主电路的接通与分断，响应速度快，可以精确控制合闸相位、抑制合闸和涌流，且可以实现过零关断，减少过电压，从而实现柔性自动过分相。

实施例4：

如图7所示，本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于主开关单元V1、主开关单元V2以及备用开关单元V3采用机械式开关与电子式开关混合的混合式开关结构，其中图(a)对应为备用开关单元V3使用机械式开关、主开关单元使用晶闸管阀组的电子式开关，图(b)对应为备用开关单元V3使用晶闸管阀组的电子式开关、主开关单元使用机械式开关。

本实施例采用机械式开关与电子式开关混合的混合式开关结构，能够结合机械式开关与电子式开关的优势实现电路的接通与分断。

上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (12)

1.一种具备冗余功能的地面自动过分相装置，包括分别连接在两侧供电臂与中性段之间的两个主开关单元，通过在列车过分相区时依次控制两个所述主开关单元的通断，以控制进行换相，其特征在于：所述地面自动过分相装置仅设置一个备用开关单元，且由一个所述备用开关单元同时实现两个所述主开关单元的备份，所述备用开关单元的两端均分别通过一个高压开关与两个所述主开关单元的两端连接，即所述备用开关单元的两端分别通过一个高压开关与一个所述主开关单元连接，所述备用开关单元的两端还分别通过另一个高压开关与另一个所述主开关单元连接，所述地面自动过分相装置还包括一个与所述备用开关单元连接的冗余切换控制单元，所述冗余切换控制单元控制当一个所述主开关单元故障时，通过控制各所述高压开关的通断，控制切换接入所述备用开关单元替代故障的所述主开关单元。

2.根据权利要求1所述的具备冗余功能的地面自动过分相装置，其特征在于：所述冗余切换控制单元通过接通所述备用开关单元与故障的所述主开关单元之间的连接回路，控制切换接入所述备用开关单元替代故障的所述主开关单元。

3.根据权利要求2所述的具备冗余功能的地面自动过分相装置，其特征在于：所述备用开关单元分别通过一个高压开关与两个所述主开关单元连接，每个所述高压开关与所述冗余切换控制单元连接，通过控制各所述高压开关的通断，控制切换接入所述备用开关单元替代对应侧的所述主开关单元。

4.根据权利要求3所述的具备冗余功能的地面自动过分相装置，其特征在于：所述高压开关具体为隔离开关、断路器以及负荷开关中的一种。

5.根据权利要求1～4中任意一项所述的具备冗余功能的地面自动过分相装置，其特征在于：所述备用开关单元、主开关单元为机械式开关单元或电子式开关单元。

6.根据权利要求5所述的具备冗余功能的地面自动过分相装置，其特征在于：所述机械式开关单元为负荷开关或高压开关；所述电子式开关单元包括一个以上的晶闸管阀组，所述晶闸管阀组包括反并联连接的两个以上的晶闸管。

7.根据权利要求1～4中任意一项所述的具备冗余功能的地面自动过分相装置，其特征在于：还包括与所述冗余切换控制单元连接的故障检测单元，用于实时检测两个所述主开关单元的故障状态，当检测到其中一个所述主开关单元发生故障时，发送对应的控制指令给所述冗余切换控制单元。

8.根据权利要求1～4中任意一项所述的具备冗余功能的地面自动过分相装置，其特征在于：还包括逻辑控制单元以及用于检测列车位置信号的位置检测单元，所述逻辑控制单元分别与所述位置检测单元、两个所述主开关单元连接，所述逻辑控制单元在列车过分相区时，根据所述位置检测单元检测到的列车位置信号，分别控制两个所述主开关单元闭合、断开以进行换相。

9.利用权利要求1～8中任意一项所述的地面自动过分相装置的控制方法，其特征在于，步骤包括：

S1.实时检测两个所述主开关单元的故障状态；

S2.当检测到存在所述主开关单元故障时，控制切换接入所述备用开关单元以替代故障的所述主开关单元；

S3.当列车过分相区时，控制所述备用开关单元与另一个所述主开关单元闭合、断开以执行换相。

10.根据权利要求9所述的控制方法，其特征在于，所述步骤S2中通过接通所述备用开关单元与故障的所述主开关单元之间的连接回路，控制切换接入所述备用开关单元以替代故障的所述主开关单元。

11.根据权利要求10所述的控制方法，其特征在于，所述步骤S2中具体通过闭合连接在所述备用开关单元与故障的所述主开关单元之间的高压开关，切换接入所述备用开关单元替代故障的所述主开关单元。

12.根据权利要求9或10或11所述的控制方法，其特征在于，所述步骤S3后还包括当故障的所述主开关单元恢复正常状态时，控制断开所述备用开关单元以恢复接入对应的所述主开关单元。

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