图1 基于机械开关的地面自动过分相系统
Fig.1 A ground auto-passing neutral section system based on mechanical switches
摘要 交流电气化铁路中电分相的存在一定程度上制约了高速重载铁路的发展。为此，许多地面带电自动过分相方案相继被提出。基于电子开关的地面自动过分相装置由于结构简单、成本相对较低，得到了较为广泛的应用。然而，对于重载铁路中的长分相，电子开关工作时间长，损耗较大，需要增加辅助散热装置，降低了系统可靠性。该文提出一种应用于重载铁路长分相的基于复合开关的地面自动过分相装置。该装置采用晶闸管阀组与高压接触器组合的结构，在实现列车带电过分相的同时，显著降低了开关的整体损耗。复合开关采用自然冷却的方式即可满足散热需求，无需额外的散热装置，增强了系统可靠性。该文对地面自动过分相装置及复合开关的工作原理和特性进行详细分析，并对开关的损耗进行定量计算与对比，最后通过神朔铁路南梁牵引变电所地面自动过分相装置的实验结果对复合开关的工作效果进行了验证。
关键词：自动过分相 重载铁路 复合开关 晶闸管 高压接触器 开关损耗
为避免牵引负荷在电网中产生较大负序电流，影响电能质量，传统交流电气化铁路普遍采用单相工频换相供电方式[1]。电力系统的110kV或220kV电压经过牵引变电所的牵引变压器变为27.5kV的单相交流电连接到接触网上[2]。为避免相间短路，线路上每隔20～30km就会设置一段两端都有电气分段的接触网，即电分相[3]。常见的电分相由中性区接触网以及两端锚段关节组成，主要应用在牵引变电所出口处和分区所处。列车通过电分相的过程被称为过分相。
目前，我国普遍采用车载断电自动过分相方案[4-5]。列车在即将进入中性区前，通过应答器[6]得到位置信息，自动断开主断路器。由于中性区接触网本身不带电，列车将在无牵引电流的状态下依靠惯性滑过中性区，因此列车不可避免地存在速度损失。对于重载铁路，有时候中性区长达一千多米，且可能位于上坡段，导致列车过分相时速度损失很大，甚至停在中性区[7-8]。另外，受线路分布电感、电容的影响，列车投切主断路器时可能会产生过电压、过电流以及电弧[9-11]。这些问题严重制约了高速重载铁路的进一步发展。如何使列车不失电过分相仍是电气化铁路供电亟待解决的一大难题，为此，国内外许多研究机构陆续开展了中性区带电、列车持续受流的地面带电自动过分相技术的研究[12]。
日本新干线最早采用一种基于机械开关的地面自动过分相系统，其中，机械开关采用真空断路 器[13-14]。基于机械开关的地面自动过分相系统如图1所示，CB11和CB21为主开关，CB12和CB22为备用开关。以列车从左往右行驶为例，当列车行驶到位置CG1时，开关CB11闭合，中性区接触网带上A相电，列车带电进入中性区；随后，当列车行驶到中性区内位置CG3时，开关CB11断开，而后开关CB21闭合，完成中性区电压切换，列车带B相电继续行驶；最后，当列车行驶到中性区外位置CG4时，开关CB21断开，中性区接触网恢复不 带电状态。
图1 基于机械开关的地面自动过分相系统
Fig.1 A ground auto-passing neutral section system based on mechanical switches
基于机械开关的地面自动过分相系统控制简单，通过快速切换真空断路器，实现列车带电过电分相，瞬间失电时间仅为250～350ms，显著地减少了列车过分相时的速度损失。然而，高压断路器的寿命有限，且存在拒动的可能。为确保装置的可靠性，需要增加一套冗余设备，从而增加了设备的成本和体积。另外，真空断路器不能精确控制动作时间。在断路器断开时，可能会关断大电流，产生截流过电压，甚至引起拉弧，进而烧损断路器。在断路器合闸时，可能会产生由线路分布参数引起的高频振荡过电压，也可能会在列车主变压器中产生励磁涌流现象，进而造成继电保护装置跳闸[15]。
针对机械开关存在的问题，国内外许多公司研究了基于电子开关的地面自动过分相技术[16-18]。基于电子开关的地面自动过分相系统一般采用高压晶闸管代替真空断路器，多个晶闸管串联增加耐压能力并设置冗余，晶闸管反并联实现电流双向流动，基于电子开关的地面自动过分相系统如图2所示。该方案利用晶闸管电流过零自然关断特性避免截流过电压并有效抑制电弧，通过精确控制晶闸管开通时间，避免中性区电压切换过程中的过电压和励磁涌流[19]。
晶闸管制造工艺成熟、可靠性高、瞬时过电流能力强，且晶闸管失效后呈现短路特性，对于串联的晶闸管阀组，如果在设计时充分考虑裕度，则当其中一个或多个晶闸管出现故障时，仅会使晶闸管串联阀组耐压能力下降，不会影响系统的正常工作，从而增强了过分相装置的鲁棒性和可靠性[17]。此外，这种方案的工作原理和基于机械开关的过分相装置相同，但由于晶闸管的开关动作更加精确可靠，列车过分相时的理论失电时间可以小于10ms，列车几乎无速度损失[20]。目前，神朔铁路已采用这种基于电子开关的地面自动过分相装置，并取得了良好效果[18]。
图2 基于电子开关的地面自动过分相系统
Fig.2 A ground auto-passing neutral section system based on electronic switches
然而，对于重载铁路而言，中性区一般比较长，且列车运行速度较慢，列车完成过分相可能需要2min左右，地面自动过分相装置中的晶闸管阀组工作时间比较长。另一方面，晶闸管通态损耗与通态压降和通态电流有关[21]。当列车牵引电流较大时，晶闸管的通态压降也会很大，尤其是采用了串联阀组结构后，系统正常工作时，其通态损耗会非常大，长时间工作情况下需要给晶闸管阀组增加散热装置。如果采用自然冷却，增加的散热器会增大系统的体积；而如果采用强迫风冷或者水冷的方式，则会显著增加系统的固定成本和维护成本。此外，将强迫风冷或水冷的自动过分相设备应用于重载铁路时，容易受环境中煤灰粉尘的影响而出现故障，降低了系统可靠性。
为此，本文提出了一种应用于重载铁路长分相的基于复合开关的地面自动过分相装置，采用晶闸管阀组与高压接触器的组合开关结构进行中性区电压的安全切换，在实现重载列车带电过分相的同时显著降低开关的损耗，避免增加辅助散热装置，减小系统体积并提高可靠性。本文详细介绍了基于复合开关的地面自动过分相装置的工作原理，并对复合开关的电路结构和工作特性进行分析。然后定量计算了列车过分相时复合开关的损耗，并与传统方案进行了对比，验证了复合开关结构在降低损耗方面的优势。最后通过神朔铁路实际列车运行结果对这种基于复合开关的地面自动过分相装置的工作效果进行了验证。
本文所提基于复合开关的地面自动过分相装置本质上也是一种基于电子开关的方案，其实现列车带电过分相的原理和基于机械开关的方案是基本相同的。基于复合开关的地面自动过分相装置及其工作时序示意图如图3所示，复合开关Sa和Sb是晶闸管阀组和高压接触器的组合。首先将Sa和Sb串联连接，并分别与中性区两侧的接触网相连于A点和B点，再从中点Q引出连接线与中性区接触网相连于N点。假设左侧牵引网由A相供电臂供电，右侧牵引网由B相供电臂供电。以列车从左往右行驶过分相为例，结合图3所示的工作时序对基于复合开关的地面自动过分相装置的工作原理进行说明。
图3 基于复合开关的地面自动过分相装置及其工作时序示意图
Fig.3 Schematic of the ground-charged auto-passing neutral section device based on combination switches and its operation sequence
t1时刻，列车到达左侧锚段关节，即P1点，准备进入中性区。此时复合开关Sa被开通，中性区接触网带A相电。随后列车进入中性区，列车通过QN和Sa取流，带A相电正常行驶。当列车所有电力机车都进入中性区且第一个电力机车行驶到中性区电压安全切换点[20]，即P2点，Sa的驱动脉冲被撤除，Sa随后在电流过零时，即t2时刻，自然关断，中性区接触网短暂不带电。几微秒后的t3时刻，复合开关Sb被开通，中性区接触网带B相电，列车通过QN和Sb取流，带B相电正常行驶。在列车驶离中性区并行驶到P3点的t4时刻，Sb的驱动脉冲被撤除并随即关断，中性区接触网恢复不带电。由上述分析可知，列车过分相过程中，在t1～t2时间内由A相供电臂供电，在t3～t4时间内由B相供电臂供电，列车仅在t2～t3内短暂失电，失电时间仅为几ms。相较于基于机械开关的地面自动过分相方案，这种基于电子开关的方案进一步缩短了列车过分相时的失电时间，有效减小了电分相对列车运行的影响。
如第1节所述，传统基于电子开关的自动过分相方案应用于重载铁路时晶闸管阀组损耗较大，这会对装置产生不利影响。针对此问题，本文提出了一种晶闸管阀组与高压接触器组合的复合开关结构。高压接触器和辅助晶闸管的引入在增强开关动作可靠性的同时也降低了开关的整体损耗。
复合开关的电路结构如图4所示。图4中，TMa和TMb为晶闸管串并联阀组，其中每对反并联的晶闸管阀组都分别并联了缓冲电路进行动静态均压。KMa和KMb为高压接触器，为延长开关寿命，增强系统可靠性，KMa和KMb采用两并两串的组合结构。TA为单组反并联的辅助晶闸管阀组，由于列车过分相时复合开关Sa和Sb交替工作，存在明显的先后顺序，因此共用了一个辅助晶闸管阀组。
图4 复合开关电路结构
Fig.4 Structure of the combination switches
复合开关的基本思路为：利用晶闸管电流过零自然关断和开通时间精确可控的特性进行中性区电压的安全快速切换，利用高压接触器导通损耗小的特点减少列车过分相时装置的整体损耗，其具体工作过程分析如下。
以列车从左往右行驶过分相为例，复合开关Sa和Sb的动作时序如图5所示。
（1）t1时刻，控制系统下发指令开通Sa。首先，触发导通晶闸管阀组TMa，TMa零电流开通。中性区接触网电压等于A相供电臂电压，列车牵引电流流过TMa。然后，控制系统闭合高压接触器KMa，KMa零电流闭合后，再触发导通辅助晶闸管TA，TA零电压开通。由于高压接触器的通态阻抗远小于高压晶闸管阀组，因此大部分牵引电流被转移到KMa和TA支路上。最后，控制系统撤除TMa的触发信号，10ms内，TMa电流过零自然关断。流过TMa的电流全部被转移到KMa和TA支路上。
图5 复合开关动作时序
Fig.5 Operation sequence of the combination switches
（2）t2时刻，控制系统下发指令关断Sa。首先，控制系统检测到流过Sa的瞬时电流为零时，触发导通TMa，TMa零电流开通。然后，控制系统撤除TA的触发信号，TA电流过零自然关断后再断开KMa，流过KMa和TA支路的电流全部被转移到TMa支路上。最后，控制系统撤除TMa的触发信号，10ms内，TMa电流过零自然关断，t3时刻，Sa完全断开。
（3）t4时刻，控制系统下发指令开通Sb。首先，触发导通晶闸管阀组TMb，TMb零电流开通，中性区接触网电压等于B相供电臂电压，列车牵引电流流过TMb。然后，控制系统闭合高压接触器KMb，KMb零电流闭合后，再触发导通辅助晶闸管TA，TA零电压开通，TMb大部分电流被转移到KMb和TA支路上。最后，控制系统撤除TMb的触发信号，10ms内，TMb电流过零自然关断。流过TMb的电流全部被转移到KMb和TA支路上。
（4）t5时刻，控制系统下发指令关断Sb。首先，控制系统检测到流过Sb的瞬时电流为零时，触发导通TMb，TMb零电流开通。然后控制系统撤除TA的触发信号，TA电流过零自然关断后再断开KMb，流过KMb和TA支路的电流全部被转移到TMb支路上。最后，控制系统撤除TMa的触发信号，10ms内，TMb电流过零自然关断。t6时刻，Sb完全断开。
由上述分析可知，复合开关利用晶闸管阀组，精确控制分合闸时间，保证Sa和Sb的可靠动作。复合开关的所有开关器件都可实现软开关，有效避免了开关动作过程中的过电压与过电流。由于高压接触器闭合和断开过程都没有电流，其电气寿命得以延长。另一方面，当复合开关处于开通稳态时，列车牵引电流流过高压接触器和辅助晶闸管支路。由于高压接触器导通电阻很小，其通态损耗相对于晶闸管阀组也很小。因此，复合开关结构可以显著降低系统正常工作时的损耗，使得系统可以避免使用水冷或者强迫风冷进行散热，并减小了自然散热所需散热器的体积。
高压接触器寿命相对较短，且存在拒动的可能，因此系统采用了如图4所示的两并两串的结构增加KMa和KMb的动作可靠性。其中，KMa和KMb的4个高压接触器交替闭合、断开，每次只动作1个高压接触器，其相应的开关状态和动作逻辑见 表1。
表1 高压接触器组合结构开关状态和动作逻辑表
Tab.1 Status and action logic of high-voltage contactors
状态Sa, SbKMa, KMb 1234 1ONONOFFONOFF 2OFFOFFOFFONOFF 3ONOFFONONOFF 4OFFOFFONOFFOFF 5ONOFFONOFFON 6OFFOFFOFFOFFON 7ONONOFFOFFON 8OFFONOFFOFFOFF
以KMa为例，假设上一个状态为状态1，KMa1和KMa3闭合，KMa2、KMa4断开，KMa处于闭合状态。如果控制系统下发指令断开KMa，则断开KMa1，KMa随之关断，状态跳转到状态2。如果系统检测到KMa1拒断，则断开KMa3，从而保证KMa的可靠断开。假设上一个状态为状态2，KMa3闭合，KMa1、KMa2、KMa4断开，KMa处于断开状态。如果控制系统下发指令闭合KMa，则闭合KMa2，KMa随之闭合，状态跳转到状态3。如果系统检测到KMa2拒合，则闭合KMa1，从而保证KMa的可靠闭合。
KMa和KMb的状态在状态1～8之间循环变化，各个接触器相互备份且轮换工作。该高压接触器组合结构的设计在增强复合开关动作可靠性的同时，也可显著提升其理论使用寿命。
辅助晶闸管阀组TA由两个反并联的晶闸管构成，从而实现电流双向流动，没有设置冗余。这是由于其开通关断过程均为软开关，且晶闸管本身可靠性较高，TA出现故障的概率较小。另一方面，在地面自动过分相装置运行过程中，电压应力主要由高压接触器和串联晶闸管阀组承担，TA的电压应力基本为零，因此无需采用晶闸管串联的结构。
辅助晶闸管阀组TA的作用主要是利用晶闸管的电流过零自然关断特性，有效避免了开关动作过程中可能存在的过电压、过电流以及拉弧等问题，并且实现高压接触器的零电流闭合和断开，从而增强高压接触器的可靠性并延长其电气寿命。
综上，串联晶闸管阀组、高压接触器和辅助晶闸管相互配合，在降低整体损耗的同时也提高了复合开关的可靠性。
为验证复合开关在降低整体损耗方面的优越性，本节以神朔铁路南梁牵引变电所的地面自动过分相装置为例，对各部分开关损耗进行定量计算。
HXD1型电力机车是神朔铁路主要采用的车型之一，其额定牵引功率PT=9.6MW。考虑三机牵引模式，即一趟列车有3个电力机车同时从接触网取流，牵引变电所出口处的额定电压VR=27.5kV，则列车的额定牵引电流为
（1）神朔铁路南梁牵引变电所出口处的电分相中性区长度L≈1.3km。假设列车以最大运行速度vmax= 90km/h通过中性区，则地面自动过分相装置的最短工作时间为
（2）
综合考虑电气化铁路牵引系统的供电电压以及牵引功率，本文采用的晶闸管为中国中车生产的KPB1800-65，其主要参数见表2。
在计算晶闸管损耗时，可将其等效为一个电压源和一个内阻串联。单个晶闸管的损耗计算功率经验公式为
（3）表2 KPB1800-65的主要参数
Tab.2 Key parameters of KPB1800-65
参 数数 值 断态正向重复峰值电压VDRM/V6 500 通态平均电流ITAVM/A1 150 通态额定电流ITRMSM/A1 800 浪涌电流ITSM/kA50 阈值电压VT0/V1.25 斜率电阻rT/mW0.412
式中，ITAV为流过晶闸管的正向平均电流；ITRMS为流过晶闸管电流的有效值[22]。由于晶闸管具有单向导电性，每个晶闸管在一个工频周期T内工作时间均为T/2，由此晶闸管正向平均电流ITAV和电流有效值ITRMS与列车额定牵引电流IR的关系为
（4）由于牵引网电压频率较低，忽略交变磁场作用在电磁系统中产生的涡流损耗和磁滞损耗，则高压接触器的损耗主要由两部分构成：一部分是牵引电流流经主回路电阻带来的主回路损耗；另一部分是维持接触器闭合所需要的电磁系统保持功率[23]。
本文选用的是无锡市凯驰电气有限公司研发生产的KCC18系列真空接触器，其实物如图6所示。该系列真空接触器是为高铁线路过分相定制的特殊用途机型，适用于额定电压为35kV及以下、频率为50～60Hz、额定电流为2kA及以下交流系统中需要大量分、合闸循环操作的场合。该真空接触器工作在额定电流时的机械寿命（合/分循环）为30万次。假设神朔铁路货运列车的平均发车间隔T = 10min。若地面自动过分相装置采用单个真空接触器，则其每小时合/分闸次数为6次。然而，采用复合开关结构后，其中每个真空接触器每小时的等效合/分闸次数降低为1.5次。此外，如2.2节所述，真空接触器在闭合和断开过程中均没有电流，因此复合开关的理论使用寿命得到显著提升。
KCC18系列接触器的主回路接触电阻rk≤100mW，启动功率Ps＜3.3kW，保持功率Ph＜30W。由于接触器动作时间相对于重载列车过分相的时间很短，其启动带来的损耗可以忽略不计。因此，在计算接触器功率损耗时，仅考虑主电路电阻引起的损耗功率Pr和电磁系统保持功率Ph，则单个接触器的损耗计算功率为
图6 地面自动过分相装置中的KCC18系列真空接触器
Fig.6 Vacuum contactors of series KCC18 in the ground-charged auto-passing neutral section device
（5）式中，IKRMS为流过接触器电流的有效值。易知
（6）
考虑电子开关的电压、电流应力后，图3所示Sa和Sb分别由28个反并联的晶闸管单元串联构成，地面自动过分相装置中的晶闸管阀组如图7所示。
图7 地面自动过分相装置中的晶闸管阀组
Fig.7 Series thyristor stack in the ground-charged auto-passing neutral section device
当电力机车行驶在中性区内时，无论是Sa导通还是Sb导通，总有28个晶闸管导通，因此根据式（2）～式（4），传统基于电子开关的地面自动过分相方案中晶闸管阀组总的损耗能量为
（7）则采用传统基于电子开关的地面自动过分相系统的最小平均损耗功率为
（8）
采用本文所提复合开关后，列车牵引电流主要流过高压接触器和辅助晶闸管支路，串联晶闸管阀组导通时间很短，其导通损耗可忽略不计。又由于所有开关器件均可实现软开关，因此复合开关的实际损耗即为高压接触器和辅助晶闸管的导通损耗。由于高压接触器采用了两并两串的结构，当电力机车行驶在中性区内时，无论是Sa导通还是Sb导通，总有两个高压接触器和一个晶闸管导通。因此，复合开关的总损耗能量可近似计算为
（9）同样可计算采用复合开关后地面自动过分相系统的最小平均损耗功率为
（10）
对比式（8）和式（10）可知，采用复合开关后，开关的损耗功率可降低为原来的4.5%。因此，复合开关可以显著降低地面自动过分相装置的整体损耗。复合开关无需增加额外的散热装置，采用自然散热的方式即可满足散热需求。复合开关不仅增强了系统可靠性，也明显减小了散热器的体积。
基于复合开关的地面自动过分相装置如图8所示，本文所提基于复合开关的地面自动过分相装置已在神朔铁路南梁牵引变电所安装并得到了列车实际运行的验证。需要说明的是，由于一种新型基于牵引网电压电流信息的列车受电弓直接定位方法的应用，南梁牵引变电所出口处的中性区由1.3km缩短至220m，列车过分相的时间也明显缩短[20]。尽管如此，这并不影响对本文所提基于复合开关的地面自动过分相装置工作效果的验证。
此外，本文所提基于复合开关的地面自动过分相装置的尺寸为15.08m×3.24m×3.1m，其总体积约为151.5m3。但是该装置中还集成了额外的消弧电源系统，用以抑制列车受电弓进入中性区时弓网接触变换产生的电弧，减轻受电弓的磨损和接触网的烧蚀。消弧电源系统约占总体积的1/3。因此，除消弧电源系统外，地面自动过分相装置的体积约为101m3。图9所示为一套安装在神朔铁路桥头牵引变电所的基于传统电子开关的地面自动过分相系统。该系统由两个集装箱和一系列户外设备构成。每个集装箱内含有一个高压晶闸管阀组，采用了强迫风冷加空调冷却，每个集装箱的尺寸为5.5m× 2.438m×2.896m，因此仅两个集装箱的总体积为77.7m3。另外，该系统的高压断路器、高压隔离开关、电压电流互感器、避雷器以及中性区阻尼装置等设备都在户外，占地面积很大。所以相比之下，基于复合开关的地面自动过分相装置在体积上更具优势。
图8 基于复合开关的地面自动过分相装置
Fig.8 The ground-charged auto-passing neutral section device based on combination switches
图9 基于传统电子开关的地面自动过分相系统
Fig.9 The ground-charged auto-passing neutral section device based on electronic switches
首先，图10所示为一趟3+0编组的列车按图3所示结构从左往右行驶过分相时中性区电压变化过程。值得一提的是，中性区内没有列车时，由于两个晶闸管阀组TMa和TMb静态均压阻抗的分压作用，中性区电压并不为零。如图10a所示，当列车第一个受电弓达到左侧锚段关节，即将驶入中性区时，经历短暂的不稳定搭接后，在t =0.570s时刻，复合开关Sa被开通，中性区电压vn等于A相供电臂电压va，列车带A相电继续行驶进入中性区。
图10 3+0编组列车过分相时中性区电压切换过程
Fig.10 Voltage switching process when a train with three electric locomotives passes the neutral section
然后，如图10b所示，当列车所有受电弓都进入中性区后，t =15.803s时，Sa的触发脉冲被撤除。Sa在电流过零时，即t =15.806s时刻，自然关断（HXD1型电力机车一般工作在单位功率因数，电压和电流基本同相位，电压过零即意味着电流过零）。随后中性区短暂失电，在t =15.813s时刻，复合开关Sb被开通。中性区电压vn等于B相供电臂电压vb，列车带B相电继续向前行驶。可见，采用这种基于复合开关的地面自动过分相之后，列车过分相时的失电时间仅为7ms左右。
最后，当列车所有受电弓都驶离中性区后，如图10c所示，t =35.353s时刻，Sb被关断。随后，中性区恢复到不带电状态。列车顺利完成带电过分相。
列车进入中性区时需要开通复合开关Sa，其具体的工作时序如图11所示。首先在t =0.570s时，同时触发导通晶闸管阀组TMa并闭合高压接触器组合KMa。在此之前，高压接触器KMa2、KMa3、KMa4断开，KMa1闭合，KMa处于表1所示状态8断开状态。65ms后，t =0.635s时，KMa3零电流闭合，KMa跳转到状态1闭合状态。随后，在t =0.687s时，触发导通辅助晶闸管TA。最后，t =0.708s时，TMa的触发信号被撤除。当TMa电流过零自然关断后，列车牵引电流完全被转移到辅助支路中。复合开关Sa进入开通稳态。
图11 列车进入中性区时复合开关Sa的工作时序
Fig.11 Operation sequence of the combination switch Sa when the train is entering the neutral section
相应地，中性区电压切换时复合开关Sa和Sb的工作时序如图12所示。在关断Sa前，晶闸管阀组TMa在t =15.627s时先被触发导通，辅助晶闸管TA的触发信号被撤除，并在电流过零后自然关断。KMa1在t =15.730s时零电流断开。KMa跳转到状态2断开状态。随后，t =15.803s时，TMa的触发信号被撤除。当TMa电流过零时自然关断，Sa进入关断稳态。
开通复合开关Sb时，首先在t =15.813s时同时触发导通晶闸管阀组TMb并闭合高压接触器组合KMb。在此之前，高压接触器KMb1、KMb2、KMb4断开，KMb3闭合，KMb处于状态2断开状态。105ms后，t =15.918s时，KMb2零电流闭合，KMb跳转到状态3闭合状态。随后，在t =15.969s时，触发导通辅助晶闸管TA。最后，t =15.989s时，TMb的触发信号被撤除。当TMb电流过零自然关断后，复合开关Sb进入开通稳态。
图12 中性区电压切换时复合开关Sa和Sb的工作时序
Fig.12 Operation sequence of the combination switches Sa and Sb when the neutral section voltage is switched
当列车所有受电弓都驶离中性区后，Sb的关断过程如图13所示。首先在t =35.223s时，晶闸管阀组TMb被触发导通，辅助晶闸管TA触发信号被撤除，并在电流过零时自然关断。KMb3在t =35.301s时零电流断开。KMb跳转到状态4断开状态。随后，在t =35.353s时刻，TMb的触发信号被撤除。TMb在电流过零时自然关断，Sb进入关断稳态。
图13 列车驶离中性区后复合开关Sb的工作时序
Fig.13 Operation sequence of the combination switch Sb when the train leaves the neutral section
此后，地面自动过分相装置进入待机状态，等待下一辆列车过分相。
由上述实验结果分析可知，复合开关利用晶闸管阀组TMa和TMb进行中性区电压的切换，但其导通时间很短。复合开关处于开通稳态时，列车的牵引电流主要流过由高压接触器和辅助晶闸管构成的支路，因此导通损耗被显著降低。此外，组合高压接触器每次只动作一个，其状态按照表1在状态1～8之间循环切换。实验结果与理论分析吻合。
针对重载铁路长分相情况下，传统地面自动过分相装置中电子开关损耗较大，需要增加辅助散热装置，本文提出一种基于复合开关的地面自动过分相装置。复合开关由晶闸管阀组和高压接触器组成；一方面，复合开关利用晶闸管电流过零自然关断和开通时间准确可控的特性进行中性区电压的切换，避免开关过程中的过电压、过电流以及电弧等问题，并保证高压接触器在闭合和断开过程中都没有电流，从而延长其电气寿命；另一方面，当复合开关进入开通稳态后，列车牵引电流流过高压接触器和辅助晶闸管构成的辅助支路，利用高压接触器低导通损耗特性降低开关的总损耗，避免增加额外的散热装置，并减小自然散热所需散热器的体积。此外，高压接触器采用两并两串的组合结构，进一步保证了复合开关的可靠性。本文所提基于复合开关的地面自动过分相装置在实现列车几乎无速度损失过分相的同时，降低了系统损耗，增强了系统可靠性，有利于高速重载铁路的发展并提高其综合 效益。
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A Ground Auto-Passing Neutral Section Device Based on Combination Switches for AC Electrified Railway
Abstract The development of high-speed and heavy-haul railways is restricted to a certain extent due to the existence of neutral sections in AC electrified railways. For this reason, many ground auto-passing neutral section schemes have been put forward recently. With simple structure and low cost, the ground auto-passing neutral section devices based on electronic switches are widely applied. However, for the long neutral sections in the heavy-haul railway, long operation time of electronic switches will produce large losses, and an extra cooling device is needed, which reduces the system reliability. This paper proposes a ground auto-passing neutral section device based on the combination switch for the heavy-haul railway. The combination structure of thyristors and high-voltage contactors is adopted. It helps to make the train pass the neutral section with power supply while greatly reducing the overall loss of switches. The combination switch adopts natural cooling to meet the heat dissipation requirements, and no additional heat dissipation device is needed, which enhances the system reliability. The working principle and the characteristics of the proposed ground auto-passing neutral section device and the combination switch are analyzed in detail. The switch loss is quantitatively calculated and compared. The feasibility and the effectiveness of the combination switch are verified by the experimental results of the ground auto-passing neutral section device at the Nanliang traction substation of Shenshuo railway.
keywords：Auto-passing neutral section, heavy-haul railway, combination switches, thyristor, high-voltage contactor, loss of switches
DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.210518
中图分类号：U223.5
台达电力电子科教发展计划青年资助项目（DREG2021008）。
收稿日期 2021-04-15
改稿日期 2021-06-07
张 智 男，1994年生，博士研究生，研究方向为DC-DC变换器、软开关技术以及电气化铁路牵引供电系统。E-mail: zzhang@bjtu.edu.cn
李 凯 男，1988年生，讲师，研究方向为电力电子变压器、模块化多电平变换器以及电气化铁路牵引供电系统。E-mail: kaili@bjtu.edu.cn（通信作者）
（编辑 陈 诚）