第一章绪论
1.1牵引供电系统概述
我国电气化铁路牵引供电系统采用的是工频单相交流制，主要由牵引变电所、牵引网、电力机车三部分组成，如图所示。
(1)牵引变电所：将电力系统提供的llOkV或220kV三相电转换成27.5kV的单相工频交流电，给牵引网供电。包括：分区亭、开闭所、AT所等。电气化铁路沿线基本上每隔20-30krn就会设置一个牵引变电所。
(2)牵引网：牵引供电回路由牵引变电所、馈电线、接触网、电力机车、钢轨与大地、回流线组成。其中馈电线、接触网、钢轨与大地、回流线统称为牵引网。
1.1.2电分相
由于电气化铁路采用单相工频交流制供电方式，为平衡电力系统的A、B、C三相电流，一般情况下，牵引变电所对接触网实行换相轮流供电方式。为防止相间短路，接触网A、B、C各相间要釆用绝缘物分割，称为“电分相”。因此，在变电所出口处及两牵引变电所之间(供电臂末端)，必须设置电分相装置。现有国内交流电气化铁路上，一般每隔20-30km会设置一个分相绝缘装置，即电分相装置。电分相装置是电气化铁路牵引供电网实现相间电气隔离的必要装置。
1.2课题研究背景、意义及问题的提出
随着我国电气化铁路的发展，高速、重载铁路已成成为铁路运输的重要力量。高速线路上，电力机车每小时要通过10个以上的电分相区。为了防止机车带电通过而烧坏接触网悬挂部件，导致相间短路、牵引变电所跳间等不良后果，列车需惰行通过无电区。分相频繁，过分相时间很短，使得司机劳动强度极大。列车司机手动切换过分相己经无法实现，必须采用自动过分相装置。
目前国内外自动过分相装置主要有三种:
(1)柱上开关自动断电过分相装置。它的特点是自动转换过电分相的设备设置在支柱上，并在机车过电分相时对机车实行断电处理。其缺点是真空开关带负荷分断，由于是柱上安装，使得维护困难。且由于分相区内接触网分段较多，使得柱上式结构复杂。同时，电力机车通过电分相时会产生较大的过渡过程，过电压、涌流现象严重，进而造成机车主断路器跳间等。
(2)车载自动控制断电过分相装置。它的特点自动转换电分相的设备设置在电力机车上，能实现无需人为控制就可自动完成过分相的转换。最大的缺点是断电区长，机车速度损失较大。目前这种装置在我国有广泛应用，如京津城际高速铁路等。
(3)地面开关自动过分相装置。此装置是在地面设置传感器，将信号发送给地面控制机构，由地面幵关操作完成过分相。最大特点是接触网无供电死区，列车通过中性段时不断电，牵引速度损失小。但由于采用以真空断路器为代表的机械幵关进行电分相的切换，且机械开关死区一般为几百毫秒左右，供电死区时间长。此外，电力机车属于大的感性负载，机械幵关突然断开时可能会产生截流过电压现象，造成严重的过电压；机械开关合闹时，合闹相位不能精确控制，在合间过程中，中性段残压会与牵引网电压叠加产生较高的过电压、过电流现象。因此，在地面式过电分相时易出现由于较高的过电压和过电流值引起的主断路器以及牵引变电所跳间等现象。同时由于机械开关寿命短，不能适应在高速、重载铁路中电力机车频繁过分相的要求。以真空负荷开关为代表的机械开关己经成为制约着地面式自动过电分相发展的关键因素。
采用电力电子开关-可关断晶闹管GTO,来替代以真空断路器为代表的机械幵关可有效的解决机械开关带来的问题。
第二章真空负荷开关地面自动过分相方案
2.1地面开关式自动过分相方案
基于真空负荷开关的地面自动过分相装置是在地面设置传感器，将信号发送给地面控制机构，由地面开关操作完成过分相。如图2-1所示，列车从A相驶来到CG1处时，真空负荷开关KA闭合，中性段由A相供电；列车驶入中性段，到达CG3处时，真空负荷开关KA断开，同时真空负荷开关KB迅速合上，此时中性段由B相供电，机车不做任何操作，带电通过分相段；待机车驶离CG4处时，真空负荷开关KB断开，装置恢复原始状态，各个设备恢复原始状态，过分相完成。
2.1.2真空负荷开关地面自动过分相方案的缺点
真空负荷幵关地面自动过分相方案主要存在以下几个缺点：
(1)开关开、合间相位不能控制。对于传统带有费相机的电力机车来说，机车自动过分相时，断路器断开使得机车断电运行。此时仍有电流在机车辅助绕组与异步辅助机群之间流通，使得部分电机表现为电动机，部分电机表现为发电机，在辅机系统上产生等效电源。此等效电源通过变压器稱合到一次侧即为残压。中性段残压大小与相位的产生都是不可预测，随机产生的。实际运行经验表明：机车自动过分相合闹时主变压器电流涌流、辅助电机系统过电流、主变压器的一次侧过电压都与中性段残压有关。开关合闸时，牵引电源与中性段残压叠加为中性段电压响应，假如能有效的控制幵关合闸相位，就能从根本上减小过电压、过电流等现象。
(2)真空开关使用寿命较短。在高密度的高速铁路中，地面自动过分相开关动作次数十分频繁，而现有真空幵关的寿命很低。开关整体寿命仅仅10万次，真空开关寿命则不到5万次。真空开关更换次数频繁，后期维护费用高。
第三章 新型开关地面自动过分相暂态过程分析....................................29-54
3.1 新型方案下电力机车自动过电分相运行过程.................................... 29-30
3.2 新型方案下电力机车过电分相暂态过程.................................... 30-41
3.3 牵引供电系统电气参数计算.................................... 41-47
3.4 续流电阻R值计算.................................... 47-50
3.5 可关断晶闸管开关设计.................................... 50-53
3.5.1 电力电子开关的选择.................................... 50-51
3.5.2 可关断晶闸管串联个数.................................... 51-53
3.6 本章小结 ....................................53-54
第四章 电力机车过电分相暂态过程数值计算.................................... 54-64
4.2 串接续流电阻时中性段过电压计算.................................... 56-63
4.3 本章小结.................................... 63-64
第五章 电力机车过电分相暂态过程仿真 ....................................64-85
5.1 电力机车过电分相过程建模.................................... 64-69
5.2 机车过分相系统仿真分析 ....................................69-78
5.3 新型方案过分相仿真.................................... 78-84
5.4 本章小结.................................... 84-85
结论
随着我国铁路第六次大提速的推进，中国高速铁路进入了突飞猛进的发展阶段，保证机车安全运行，是每个铁路工作者和研究者的首要工作。机车自动过分相问题是制约高速铁路发展的重要因素之一，研究安全、稳定的自动过分相方案对保障铁路安全运营有着十分重要的意义。
本文首先对高速铁路过分相方案的研究背景进行了介绍；对国内外使用的几种自动过分相方案进行了阐述，主要针对地面自动过分相方案展幵详细研究。文章分析了基于真空负荷幵关传统地面式过分相方案的过渡过程，并得出相应的中性段电压数学表达式；在此基础上，研究了一种新型地面自动过分相方案一带续流电阻的电力电子开关地面自动过分相方案。文章对新型地面式过分相方案的工作原理进行了介绍；分析了新型方案中电子开关以及续流电阻对过电压的抑制作用；对电力电子开关（可关断晶闸管）进行了简单的设计；对串接的续流电阻的阻值进行了计算和讨论；对新型方案的过渡过程进行了数学计算，并得出了中性段电压的数学表达式，进而根据牵引供电系统电气参数对中性段电压进行具体的数值求解，最终确定了续流电阻阻值范围。最后利用Matlab/Simulink仿真软件搭建仿真模型，对传统地面式方案以及新型方案进行仿真验证。对仿真波形进行了分析比较，结论表明：新型方案能有效的解决机车过分相时的暂态过电压，该方案安全可靠，是可行的。