高速鐵路動車組不分閘自動過分相技術的應用

■ 方志國

方志國：中鐵第四勘察設計院集團有限公司，工程師，湖北 武漢，430063

隨著我國高速鐵路的大規模建設和運營，其舒適度、安全性、可靠性成為關注焦點。高速鐵路動車組采用電力牽引供電，每隔20～25 km設有電分相區。電分相區一般采用帶無電區的雙斷口錨段關節形式。列車如何安全、可靠通過電分相區是國內外一直研究的問題。動車組自動通過電分相區可減少司機的勞動強度，提高運行效率和主斷路器的使用壽命。

1 自動過分相的主要方式

動車組自動過分相主要有車載分閘和不分閘兩種方式。車載分閘自動過分相通過車上主斷路器的分合實現。過分相時動車組存在分閘區，電分相區的中性段不帶電。動車組通過電分相區時，地面應答器與列控裝置和ATP配合，強行斷開機車斷路器。目前，歐洲一些國家采用這種方式，對我國也適用，我國250 km/h及以下線路采用地面磁缸式車載過分相裝置，屬車載分閘自動過分相范圍。

動車組不分閘自動過分相是通過地面過分相開關的分合實現。過分相時電分相區的中性段帶電，動車組主斷路器不分閘，這種方式以日本新干線為代表，我國既有線上也有應用。動車組不分閘自動過分相與車載自動過分相的優缺點如下。

（1）根據鐵道部科學技術司2009年度科研項目《客運專線電分相設置與運行時分關系的仿真評估》的初步研究結論，在20‰大坡道上的長無電區電分相，動車組以350 km/h過分相分閘區時，每個電分相引起的速度損失約16 km/h。根據實際運行經驗，高速運行的動車組分閘過分相時，最大降速10～15 km/h，不分閘自動過分相可避免因無電區車載斷路器分閘而引起無牽引力的降速，可避免給旅客或司機造成害怕停車的心理壓力。在特定運輸組織情況下，動車組能以很低的速度正常通過分相區。

（2）不分閘自動過分相對動車組不存在分相區，列車通過時與正常線路一樣，不需要車載斷路器頻繁動作，可延長車載斷路器壽命。

（3）信號系統不需要為動車組過分相的分閘區設置相應的應答器或磁缸。

（4）動車組不分閘自動過分相時，在切換相序的短暫時間內，動車組有較大的沖擊電壓，需要車載設備配合。

目前，動車組不分閘自動過分相裝置研制成功，并在武廣高速鐵路烏龍泉牽引變電所試驗運行。

2 動車組不分閘自動過分相系統的技術方案及特點

動車組不分閘自動過分相系統主要由信號系統、控保系統、執行系統三部分組成（見圖1）。

（1）信號系統。在單側鋼軌上布設3個車輪傳感器，組成AG，BG兩個軌道分區（見圖2）。為提高設備可靠性，采用兩套相同的信號設備組成獨立的信號系統，完全獨立于目前的信號系統，不影響信號的正常運行。

（2）控制系統。由兩套獨立的控制裝置構成，互為備用。每套開關系統具有獨立的保護裝置，可獨立完成兩套開關系統的控制，開關切換控制器采用FTMI 最小化故障影響原則設計。

（3）執行系統。由一主一備兩套開關系統組成，采用高性能國際先進技術水平的負荷開關，布設方式采用雙斷口結構，增強主回路的耐壓水平，提高擊穿電壓，減少發生重燃的概率，使開關具有優異的絕緣性能和滅弧性能。由于采用雙斷口，單個滅弧室開距較小，波紋管伸縮距離變短，有利于延長使用壽命。每套開關系統設置3臺斷路器，用以快速切除故障。

動車組不分閘自動過分相系統應具有以下特點：一是安全性，確保不會危及旅客及公眾，包括業主、工作人員的人身安全；確保在故障情況下能夠保證運行安全，不引起安全災難，不帶電闖分相，燒毀接觸網、受電弓，造成異相短路等；不引起接口系統故障。二是高可靠性，采用國際先進技術產品、成熟技術；采用兩套開關裝置冗余配備，故障情況下互相切換。三是高可用性，外界故障或人員疏忽引起的故障不應導致系統失效；與SCADA系統相連，具備故障診斷功能；通過合理設置過分相開關和信號裝置，局部故障不會影響臨線供電或縮小故障范圍。四是可維護性，系統的所有單元應在維修時間內可進行維護，系統應給出具體的維護、維修要求，使系統可靠性和可用性性能一致；日常維護和矯正性維修應盡可能減少對運營的影響。

3 動車組不分閘自動過分相系統關鍵技術及設備

3.1 機車位置檢測技術

動車組不分閘自動過分相系統檢測機車位置的基本原理是，通過電磁傳感器檢測車輪通過檢測點的信息，并通過電纜傳輸到主機柜由運算單元進行邏輯判斷，運算結果通過繼電器轉換為接點狀態輸出，表明列車所在區段。檢測設備由室內計軸主機設備及室外設備（車輪傳感器、車輪電子檢測盒）和與站內其他設備連接的電路等組成。檢測設備具有以下特點：一是對檢測的軸脈沖處理采用2取2安全計算機處理模式，確保安全；二是系統設計按故障-安全原則設計，具有極高的可靠性；三是傳感器與主設備間的供電和信息傳輸采用恒流傳輸，受干擾影響小；四是檢測區段運算單元獨立，運算單元故障影響面小；五是每個檢測區段均設有相應的復零按鈕，對設備的復零操作簡便；六是系統采用星型網方式連接，具有較強的抗傳輸干擾能力；七是室外檢測點連接簡單，且不需要設置地線；八是器件選擇采用工業級或軍用級，保證設備可靠運行。

3.2 自動控制技術

基于FTMI最小化故障影響設計原則開發的自動控制系統在結構上分為應用服務層、集中控制層和分散控制層。

應用服務層主要作為過分相控制系統的信息處理（包括設備運行監視、遠方控制、故障報警、歷史數據存儲等），由數據處理服務器和客戶端服務器組成，如監控系統、集控系統、調度系統，信息的傳輸通過工業總線或以太網。

集中控制層完成過分相系統的信息采集（包括軌道計軸信號、過分相開關信號、斷路器信號等）、邏輯處理、過分相和斷路器的控制，由計軸信號系統、邏輯控制系統、開關執行機構等組成。

分散控制層完成遠端牽引變電站信號的采集和控制，由設置在牽引變電站的遠程I/O就地采集信號和控制出口，信息通過光纖總線網傳送至集中控制系統，并接收集中控制系統發出的控制命令，實現牽引供電開關的分合。

3.3 長壽命過分相開關技術

過分相開關作為高速鐵路地面過分相系統的關鍵設備，應具有可靠性高、壽命長的特點。在武廣高速鐵路試驗運行的動車組不分閘自動過分相裝置采用的是東芝VSW-30MS自動過分相開關，具有高可靠性、壽命長的特點，在日本新干線有成熟的運行經驗。東芝VSW-30MS自動過分相開關具有開斷、關合負荷電流、過載及短路電流功能，主要用于電氣化鐵道電力系統切換變電所及分區供電所的不同電源對接區間電源。

（1）壽命長。機械壽命達到30萬次，電氣壽命達到15萬次，檢修周期長（5萬次操作為一個檢修周期），檢修方便易操作。

（2）絕緣性能和滅弧性能強。主回路采用高性能真空滅弧室，采用雙斷口結構，增強主回路的耐壓水平，提高擊穿電壓，減少發生重燃概率。

（3）機構可靠。采用電磁操作結構，大大減少開關的零部件，保證機械傳動部分的使用壽命；采用兩段操作線圈結構，具有操作電流小和動作時間短的特點。

[1]李紅梅. 高速鐵路動車組過電分相的列控分閘區系統技術探討[J]. 鐵道標準與設計，2010（1）

[2]許惠敏，徐鴻燕. 自動過分相方式的選擇與運營管理的匹配研究[G]//中國鐵道學會交流論文，2006

[3]中鐵第四勘察設計院集團有限公司. 萬宜線長大高坡地段自動過分相方案的研究科研報告[R]，2003