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。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。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。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。列车在即将进入中性区前，通过应答器得到位置信息，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。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。

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。

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。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

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。

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。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。

图2 基于电子开关的地面自动过分相系统

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。

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。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，并取得了良好的效果。

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。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，北京交通大学电气工程学院的研究人员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。

图3 过分相装置中的KCC18真空接触器

图4 地面自动过分相装置中的晶闸管阀组

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。

图5 基于复合开关的地面自动过分相装置

图6 基于传统电子开关的过分相系统

该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。

本文编自2021年第23期《电工技术学报》，论文标题为“一种基于复合开关的交流电气化铁路地面自动过分相装置”，作者为张智、郑琼林 等。