电力机车过分相装置的装车改造设计安装与实验毕业设计论文.docx
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电力机车过分相装置的装车改造设计安装与实验毕业设计论文
毕业设计说明书
设计课题：
电力机车过分相装置的装车改造设计，安装与实验
专业（系）：
电气工程系
班级：
工业控制10１班
学生姓名：
指导老师：
完成时间：
绪绪论
问题提出：
随着我国铁路快速的发展，高速铁路在整个铁路中占的比重会越来越大。
在铁路供电中，为了使电气化铁道从电力系统三相电网取流基本对称.电气化铁道采用了分相分段取流的方法，即每隔20km一3Okm左右就有一段长约30米的无电区，称为分相区。
在高速线路上，每小时要通过十几个分相区.机车通过分相区，是靠惯性通过的，为了防止机车带电通过而烧坏接触件，导致相间短路、牵引变电所跳闸等不良后果，电力机车通过分相区时，必须严格遵守断电、降弓等一系列的操作规程。
相邻两牵引变电所的供电臂之间设置有分区亭，分区亭相连的两供电臂的接触网电压可能是同相或不同相的。
在这些不同相的接触网连接处需要设置中性插入段（电分相装置）。
相间采用空气或绝缘物分割，称之为“分相段”。
常规电分绝缘器构造如图1一1所示，其中图1一1是一种由三组分段元件串联组成的分相设备。
两端部绝缘元件之间不带电区段称为中性段电力机车通过中性段时,为断电惰行通过;电分相绝缘器两端的接触网为不同相供电时它应保证列车安全通过而不发生短接事故。
因此，中性段不宜过长，其长度以电力机车升起双弓时不短接不同相接触线为限。
当运行速度在200一300km/h时，18一40m的电分相中性区仅需0.018一0.03S的时间，靠人工分/合闸，是无法实现的。
所以在高速铁路中分相区应该使用自动过分相装置进行两相切换。
一课题名称：
电力机车过分相装置的装车改造设计，安装与实验
二指导老师：
周莹
三设计内容与要求
１课题概述
ｓｓ６ｂ电力机车自动过分相装置采用车载自动过分相系统，由车载控制装置和地面磁性感应器两部分组成。
通过对本课题的设计，要求学生能分析ＳＳ６Ｂ电力机车过分相装置的工作原理，掌握ＳＳ６Ｂ型电力机车自动过分相系统安装要点，能够根据相应技术要求，进行控制装置与电力机车各部件的调试，掌握ＳＳ６Ｂ电力机车自动过分相装置在实际运用中的故障进行分析，并对ＳＳ６Ｂ电力机车自动过分相装置进行改装设计。
使学生更好的理解ＳＳ６Ｂ电力机车自动过分相装置工作原理及应用，培养学生运用所学的知识去株洲机务段尽享自动过分相装置调研，分析解决自动过分相装置的实际问题，使学生建立正确的设计思想，掌握工程设计的一般程序和方法。
２设计内容与要求
1）叙述ＳＳ６Ｂ电力机车自动过分相装置装车改造方案的设计（装车前自动过分相装置在其他车型上的应用）
2）绘制ＳＳ６Ｂ电力机车自动过分相系统结构图
3）拍摄ＳＳ６Ｂ电力机车自动过分相控制装置安装图片，车感器安装图片，信号指示器安装图片
4）根据实际情况对相应的车感应器电路进行改进设计（包括埋设方式，安装示意图）
5）绘出改进后自动过分相控制装置的面板示意图及背板示意图
6）标出自动过分相控制器外型尺寸图，并提出设备安装要求
３设计子课题
1）ＳＳ６Ｂ电力机车自动过分相系统原理分析及设计改进
2）ＳＳ６Ｂ电力机车自动过分相装置安装与调试
四设计参考书
《韶山６Ｂ型电力机车》 中国铁道出版社
《韶山６Ｂ型电力机车段修规程》 中国铁道出版社
《电气制图及图形符号国家标准汇集》 中国铁道出版社
《电力机车控制》 中国铁道出版社
《电力机车电器》 中国铁道出版社
《电工基础》
《模拟电子技术》
五设计说明书要求
１封面
２目录
３内容引要（２００－４００字左右，中英文）
４引言
５正文（设计方案比较与选择，设计方案原理，计算，分析，论证，设计结果的说明及特点）
６结束语
７附录（参考文献，图纸，材料清单等）
湖南铁道职业技术学院毕业设计（论文）
目 录
摘要……………………………………………………1
……………………………………………
一、自动过分相系统的概述
1）自动过分相装置的定义
车载断电自动转换电分相装置包括四种设备:
（１）地面感应装置，称地感器，它安装在电分相区域中的相应位置，能准确的为电力机车进行分相断电过分相提供准确的位置信息。
（２）车载感应接收装置，称信息接收器，它是安装在电力机车上，专门
用于接受地感信息的装置。
（３）主电路设备。
（４）控制设备。
2）电力机车需要过分相的原因
我国电气化铁路采用特殊的单相供电方式，为了平衡电力系统的三相负荷，接触网一般采用分段换相供电，因此各相之间装设电分相装置。
3）过分相时，司机要进行的操作
接近分相区时，司机要回调速手柄，再断开主断路器。
通过分相区后，再合上主断路器，提调速手柄。
4）过分相装置带来的便利
减少司机的劳动强度，提高列车的运行速度，控制机车无负荷的通过分相绝缘区间。
5）自动过分相装置的分类
目前，世界上的自动过分相技术可分为车上方式和地面方式两种，自动过分相装置主要有以下几种：
1、以日立公司为代表的地面开关自动切换型
2、以瑞士AF公司为代表的柱上开关自动切换方案
3、以香港和我国广深线使用的车上自动断载为代表的方案
2、 自动过分相的组成与设计
1）自动过分相装置的组成：
车载断电自动转换电分相装置包括四种设备:
（１）地面感应装置，称地感器，它安装在电分相区域中的相应位置，能准确的为电力机车进行分相断电过分相提供准确的位置信息。
（２）车载感应接收装置，称信息接收器，它是安装在电力机车上，专门
用于接受地感信息的装置。
（３）主电路设备。
（４）控制设备。
由控制盒、感应器、指示灯、蜂鸣器，电线路等组成。
2）SS6B型电力机车自动过分相装置工作原理：
该方案的工作原理是在离分相区两端约60m处的线路上，左、右各埋1块磁铁，一个分相区只需要4块磁铁。
机车头部靠近铁轨处左右各设l个感应器，当机车通过磁铁时，感应器就接收到信号，再由感应器向机车微机控制系统发送110V电平的预告信号.当机车得到过分相预告信号后，首先进行确认，然后封锁触发脉冲，延时断开主断路器，使机车惰行通过无电区。
在通过无电区后，由机车自动检测网压从无到有的跳变并确认，再合主断路器，顺序启动辅机，然后限制电流上升率，启动机车。
该方案中，除分相预告信号与地面设施有关外，其余一切操作都由机车自动完成，无需人工干预。
3） 自动过分相系统的构成
地面带电自动过分相系统技术由列车识别、逻辑控制、操作执行、远动监控、接触网相分段转换区、机车兼容六个子系统组成。
主接线，见图1。
图1系统全备用主接线及工作原理图
系统正常运行：
当机车从A相电源驶入位置传感器1CG范围，经轨道电路1CG动作，启动、控制真空断路器1ZK闭合，接触网的A相电源被输入到转换区给机车供电；当机车驶入中性段转换区的位置传感器2CG范围，启动控制真空断路器1ZK开断，仅在130ms的时间内，控制2ZK真空断路器跟随闭合，完成转换区的供电电源由A相，自动转换成B相电源，实现了接触网中性段转换区，不同供电电源的相位自动转换与连续供电。
机车在电分相区运行时，机车乘务员不用进行任何地操作。
机车继续行驶前进到达3CG位置传感器，操作执行子系统将真空断路器2ZK断开，转换区失去供电电源，恢复为无电区。
运行机车始终在机车断路器闭合状况下，实现了带电、带负荷、免操作，安全、准确地自动通过电分相区段。
地面带电自动过分相系统技术的组成
列车识别子系统
列车识别子系统见图2。
采用满足安全、可靠运行的信号采集方式，该子系统列车识别率可达到100％，杜绝了列车的漏检现象。
设备采用模块化设计，现场安装、维护、检修便捷。
图2列车识别子系统及传感器
逻辑控制子系统
逻辑控制子系统见图3。
采用可编程控制器为核心的控制系统，根据采集的信号和设定的程序，经过逻辑运算，发出相应命令，控制操作执行子系统正确动作。
单独组成的控制屏，盘面设置有触摸式液晶屏，运行操作设备、信号灯、试验操作按钮，可以方便应用与维护。
图3逻辑控制子系统及电源设备
操作执行子系统
操作执行子系统见图4。
主要由智能选相真空断路器、电动隔离开关、电动断电标等电器设备构成。
在装置的各种运行状况下，都具备安全、可靠、预定的运行模式和正确的音响、灯光、屏幕显示结果。
图4操作子系统及智能选相真空断路器
远动监控子系统
远动监控子系统见图5。
在通道畅通的条件下，具备在远端的调度端或者近端的牵引变电所、分区所实现对地面带电相分段自动转换装置的远动监控功能。
在计算机的配合下，能实现装置日常运行的记录、统计并自动生成工作报表。
图5远动监控子系统及后台机设备
接触网相分段转换区子系统
接触网相分段转换区子系统见图6。
由接触网绝缘锚段关节以及地面行车标志组成，符合铁道部的相应规范、规定；行车标志的设置符合铁道部“技术管理规程”的有关条款，并能与装置的控制系统实现联动，保证行车的安全、可靠。
图6相分段转换区子系统（28.8‰高坡区段）
机车兼容技术子系统
按照机车类型及控制模式，选择不同的技术方案和设备，以适应和配合相分段自动转换装置的正常转换工况，保证牵引供电系统及机车设备安全、稳定地实现机车带电自动通过相分段转换区。
地面带电自动过分相系统技术的主要创新点
（1）牵引供电系统实现了不间断供电，实现了机车带电、带负荷，机车乘务员免操作，列车安全、准确、自动通过接触网电分相区。
（2）接触网供电电源的自动转换，仅与列车运行的位置相关，不受列车运行速度、编组方式等限制，因此适用于速度0～350km/h的各种运行列车。
（3）适用于高速、高坡、重载电气化铁路、客运专线，对提高列车速度，压缩区段运行时分，提高综合运输效益明显。
（4）适用于国内多种类型、各种控制方式的交直流、交流传动电力机车、动车组，适用于多机编组的牵引运行方式。
（5）采用全备用的主接线结构，重要设备采取双重热备用工作方式，备用设备投用迅速，故障切换不影响行车安全。
（6）具备自动控制、数据信息采集、远动监控、通信等多种功能，可纳入供电远动管理系统，也可自成独立的后台机管理系统。
（7）采用断路器的同步关合、机车兼容技术措施，对装置的暂态运行实现了有效地抑制。
提升了系统整体技术水平和关键设备的寿命，运用检修、维护便捷，各子系统技术指标、性能稳定，达到了系统运行的安全可靠。
（8）取得自有知识产权，获得两项国家专利,多项省部级科技奖。
地面带电自动过电分相系统技术的应用
该技术1997年通过铁道部科技成果鉴定，1998年在宝成线扩能工程中首次采用。
目前已在宝成、神朔、沾昆、北同蒲等多条高坡、重载铁路得到推广应用。
受到部、局领导机关的关注与重视。
2008年1月铁道部运输局会同科技司、工程设计鉴定中心召开了地面带电自动过分相系统电力机车兼容技术评审会，有效地推动了该系统技术在更大范围的推广。
自动过分相系统由机车自动检测系统、地面控制系统、柱上开关系统、恢复人工过分相系统和接触网系统组成。
第一部分为机车自动检测系统，由传感器SS1～SS3及相应的数据采集、编辑控制装置组成。
传感器（微波天线）埋设于轨道间，具有微波发射和接受功能，在每台电力机车底部均装设有两个标志牌，当有电力机车通过时，标志牌接收到传感器信号后发射给传感器，经数据采集装置处理后，发给逻辑控制装置，由其判断电力机车的位置和列车运行方向并将相应控制信号传送给控制系统。
第二部分为地面控制系统，由控制电源、控制微机系统、户外柜体组成。
控制系统主要完成对真空断路器（QF1、QF2、QF3）、电动隔离开关（QS4、QS5）、机车检测信号（G1、G2、G3、G4）、恢复人工过分相断合标志（LED1、LED2、LED3、LED4）等开关量信号采集、控制以及对电压互感器（PT1、PT2、PT3）、电流互感器（TA1、TA2）模拟量的数据采集，并根据机车位置和运行方向进行开关投切操作，并在系统故障时进行恢复人工过分相的自动切换和保护跳闸。
电源系统负责整个系统的供电，其两路电源分别取至27.5kV和10kv电源系统，电源柜具有双电源切换、稳压、隔离、防雷和滤波功能，为整个系统提供可靠、优质的电源环境。
第三部分为柱上开关，由真空断路器（QFI、QFZ、QF3）及相应
的电流互感器（TAI、TAZ）、电压互感器（PTI、PTZ、PT3）、手动隔
离开关（QSI、QSZ、QS3）组成。
其中两台真空断路器（QFI、QFZ）
具有零电压合闸控制器，用于正常时机车过分相的自动切换开关，
其仅用于切换负荷电流;另一台（QF3）为保护用，主要用于切断两
相短路时的故障电流。
电压互感器用于检测网压，电流互感器用于
检测两相电流，当两相同时有流时说明两台真空断路器（QFI、QFZ）
已同时合上，控制系统应立即分开保护断路器。
隔离开关用于整个
系统检修时同接触网系统脱离时使用。
第四部分为恢复人工过分相系统，主要由切换电动隔离开关
（QS4、QSS）和可变断合标志（LEDI～LEO4）组成。
在自动过分相装置
发生故障时，由控制系统发命令将隔离开关QSS合上、QS4打开，使
中性段缩短为电分段至四跨绝缘锚段关节间的约3Om的无电区，同
时将恢复人工过分相可变断合标志点亮，当司乘人员观察到地面标
志时可按传统的手动断电过分相操作。
第五部分为接触网系统,主要由两个四跨绝缘锚段关节和之间的
中性段组成，为便于在自动过分相装置故障时缩短无电区的长度，在
靠近一个绝缘锚段关节处设置电分段装置一套，在正常时应用电动隔离
开关将电分段器短接，故障时隔离开关打开，由电分段、四跨绝缘锚段关节、
可变断合标志共同组成常规电分相装置。
地面自动过分相技术的改进方案：
利用单相变压器把接触网电压降低，然后通过晶闸管开关进行两相切换，最后通过升压变压器变为原来的接触网电压。
这种方案的优点，可以解决目前使用真空负荷开关带来的过电压和过电流问题，并能解决直接使用晶闸管造成的可靠性不高问题。
控制系统的控制部分采用PLC作为控制器。
本文对这种新的地面自动过分相方案，进行详细的解释，对晶闸管和变压器容量的选择进行分析，对晶闸管关断过程进行详细的分析。
通过分析得出晶闸管合理的关断时刻和闭合时刻，以减少过电压和过电流。
地面自动过分相装置的工作原理图:
当机车从A相驶来，到CGI处时，开关Kl闭合，中性段接触网由A
相供电，待机车进入中性段，到达CG3处时，Kl断开，K2迅速合上，完成
中性段供电的换相变换。
由于此时中性段己有B相供电，机车可以在不用任
何附加操作，负荷基本不变的条件下通过分相段，待机车驶离CG4处时，K2
断开，装置恢复原始状态，各个设备恢复原始状态。
反向行驶时，由控制系
统控制两个开关以相反顺序轮流断开与闭合。
这方案的优点是:
接触网无供电死区，无须司机操作，机车上主断路器无
须动作，自动切换时接触网中性段瞬间断电时间很短，而且时间与列车速度
无关，可适用O一350速度范围，对行车中可能出现的限速、一度停车等
情况均能正常工作。
这种方案缺点是:
①真空负荷开关带负荷分断，因而必须考虑在线备份及检修备份。
实用的主接线图。
其中QFI、QFZ为主用开关，QFS、QF4分别为其检修
备用开关，当主用开关检修时可以方便地投入工作。
QF3是QFI、QFS的在
线备用开关，平时它处于闭合位，当万一QFI（QFS）由于灭弧室真空破坏
或操作机构原因发生拒分故障时，控制系统则命令QF3迅速分断，然后再闭
合QFZ（QF4）以避免造成相间短路。
图中Qsl为三相隔离开关，在QF3检
修时将其旁路;QSZ单极隔离开关平时处于分断位，只有当装置停用，中性
段上恰有机车中途停时才闭合。
闭合后，机车得电驶离中性段。
②中性段的长度难于确定。
对于只有一个受电弓的列车或是双机重联、
两台机车紧靠的列车，中性段的长度可以按双机长度来确定。
对于双机重联，
机车分在首尾的列车或是多弓动力分散型列车，中性段要按整个列车长度来
考虑。
中性段的长度必须考虑本区段运行模式的多样性。
③过分相区后合闸时的电流冲击较大，如果机车上不采取措施限制合闸
冲击电流，有可能造成电机环火，同时列车冲动也使乘客难于忍受。
④投资巨大，要建分区所，需要有一批管理和操作维护人员。
后续管理
维护费用相对较大。
该装置的关键技术，是开关选择。
目前一般采用的是真空负荷开关，若开
关采用真空负荷开关它应具备以下特殊要求:
①为压缩开关切换过程中的瞬间断电时间，减轻对机车的机电冲动，在
大开距的情况下要求合闸迅速。
②要求具有较长的机械寿命和电气寿命。
改进方案：
变压器把电压降低，然后让晶闸管控制变压器的次边，再通过升压变压器把电压变到原水平
一种新的地面自动过分相方案
TXI、TXZ、TX3为变压器。
SCRI、SCRZ、SCR3、SCR4
为晶闸管。
其中TXI、TXZ为降压变压器，TX3为升压变压器。
例如，TXI、
T父2变比为10:
1，TX3变比为1:
10。
它的基本原理是，使A.相或B相电
压通过降压变压器TXI或TXZ降为低电压以连接低压晶闸管开关，再通过升压变压器TX3使电压恢复到原来的水平。
这样可利用晶闸管低电压大电流（如单管峰值电压可达4000v，通态平均电流可达400oA）的特点提高可靠性，降低成本。
新方案工作原理：
当机车从A相到B相行驶时，到达CGI处时，控制器发出控制信号使晶闸管SCR1、SCR2导通。
A相电压通过降压变压器TXI，晶闸管SCRI、SCRZ，升压变压器TX3到.
达中性段。
晶闸管SCRI、SCRZ的触发采用电压过零触发。
当机车行驶到CG3处时。
控制器发出控制信号使晶闸管SCRI、SCRZ关断，同时控制器发出控制信号使SCR3、SCR4导通。
这样中性段就由A相供电转变为B相供电。
B相电压通过降压变压器TXI，晶闸管SCR3、SCR4，升压变压器TX3到达中性段。
当机车行驶到CG4处时，控制器发出控制信号使晶闸管
SCRI、SCRZ、SCR3、SCR4关断。
系统恢复到原始状态。
本方案优点和缺点
这种地面自动过分相装置的优点
①晶闸管阀作为开关，在关断时电流过零关断，可消除过电压问题。
合闸时，
选择合适的时刻，在一定程度上减少过电压过电流问题。
②晶闸管阀是一种电子开关。
真空负荷开关是一种机械开关，晶闸管开关
比真空负荷开关的寿命更长。
③通过降压变压器把电压降低，这样对晶闸管耐压值要求就会降低。
④实现机车不断电通过分相区，解决直接用晶闸管作为开关存在的问题。
这种方案存在的缺点
１）增加升压变压器和降压变压器使系统变得复杂。
２）同样存在中性段难以确定。
对于只有一个受电弓的列车或是双机重
联、两台机车紧靠的列车，中性段的长度可以按双机长度来确定。
对于双机
重联，机车分在首尾的列车或是多弓动力分散型列车，中性段要按整个列车长度来考虑。
中性段的长度必须考虑本区段运行模式的多样性。
３）本方案中级车牵引网侧电流大小直接影响晶闸管容量的选取，若机车电流过大，单个晶闸管的额定电流值难以达到要求。
虽然晶闸管的耐压值适合目前的制造水平，但是电流可能达不到要求，晶闸管必须并联起来以满足大电流的要求，这样同样存在均流问题。
所以说变压器的变比和晶闸管的额定电压值、额定电流值选取上存在矛盾。
晶闸管的选取
采用变压器把电压降下来，再连接晶闸管那么晶闸管的耐压就能达到要求
总结
详细介绍了新方案工作原理和优点、缺点，并指出新方案解决目前方案中
存在的过电压和过电流问题。
应进一步开展的工作
文中提到的方案不适应多弓列车的通过，特别是车头和车尾有牵引机车
的时候。
找出合理的控制方案让车头和车尾牵引机车都能正常通过分相区。
控制装置的控制触发角应设可调的，这样就可以看出各个时刻合闸对系统
的影响.晶闸管电路的检测装置，能正确反映晶闸管的状态。
目前做实验时
渔现采用电流传感器进行检测存在问题。
由于设定值没法进行改变，有时会
出现误判断，还有检测部分的实时响应的时间太长，有时晶闸管状态已经转
换过来，可是还会出现检测故障显示。
对整个系统的控制软件进行优化，缩
短软件的运行时间。
由于进行A，B两相切换时间不能超过1IOms。
否则会
引起大的机电冲动。
三、自动过分相装置的安装与使用
1）自动过分相设备的安装要求
自动过分相设备包括定点设备、信号接收设备、车载控制设备。
定点设备安装于接触网或轨道时，应保证不易损坏、不易丢失、易于施工、安装位置符合GB146.2-1983中对各种建筑物的限界要求。
设备安装后不能干扰其他设备的工作。
信号接收设备安装于机车下部时，应符合GB/T16904.5-1997的要求。
设备安装于机车上部时，应符合GB/T16904.3-1997的要求。
设备安装时应确保稳定、牢固、易于更换。
安装位置不能妨碍和干扰其他设备。
车载控制设备应安装在能防止风、霜、雨、雪直接侵袭的车体内。
一般性技术要求：
定点设备：
定点设备作为自动过分相系统中的位置信息提供设备，应具有较宽的识别距离和较高的定位精度。
其识别半径应≥0.3m,所提供的定位误差≤2m。
设备的安装布置必须保证冗余备份，当单台设备故障时，应保证整个系统可持续使用。
各定点设备所提供的信号应是唯一的，应易于被接收设备区分，定点设备与信号接收设备配合使用，其适用速度范围须满足该线路的最高设计速度要求。
线路改造后，应重新评估定点设备是否适用，否则应改进或换装其他类型的定点设备和接收设备。
对于安装于接触网或轨道的定点设备，应具有防震、防水、耐腐蚀、耐紫外线辐射和抗电磁干扰能力，能使用各种恶劣环境，耐用并具有互换性和易维护，有较长的使用寿命。
安装在轨道的定点设备（如磁感应器）建议采用预埋轨枕式安装（将定点设备预埋在轨枕地内部，制成特制轨枕）。
信号接收设备：
信号接收设备安装在车体外时，应能承受风、霜、雨、雪的侵袭，对车体运行过程中异物的撞击具有一定防护能力，信号接收设备的最大适用速度须高于安装该设备的机车或车组构造速度。
当机车或车组经改造后速度超过该设备的适用速度范围时，应改进或安装其他类型信号接收设备。
设备的安装布置须考虑冗余备份，应保证整个系统可维持使用。
信号接收设备对称安装在机车下部左右两侧，应尽可能靠近受电弓，信号接收设备安装时必须保证设备底面中心与底面定点设备中心在同一垂直面，水平方向距离钢轨内侧工作边335±15mm，垂直方向距离钢轨表面≥110+10mm。
车载控制设备：
车载控制设备在实现过分相的自动控制时，可同时允许乘务员通过手动进行控制，当乘务员进行手动控制时，控制设备仅起监督、保障作用。
车载控制设备在过分相时对机车电气设备的控制逻辑应符合过分相时对机车电气设备的一般操作规程。
车载控制设备对牵引电机电流应具有分级控制能力，针对不同类型车辆和不同线路特点，电流控制上应采用不同控制曲线。
车载控制设备应具有自检和故障显示功能，在系统故障时，可自动或手动隔离，隔离后不能影响机车的正常运行。
控制设备由多台设备组成时，各设备的功能划分、信号接口定义由供需双方另行确定，但系统整体功能须满足以上要求。
信号接收设备的信
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