高速鐵路地面自動過分相系統(tǒng)的研究與運用

溫建民，王幫田，方志國

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，武漢 430063)

鐵道部在2007年全國鐵路科技大會上明確指出，突破鐵路發(fā)展的關鍵技術“瓶頸”，從大規(guī)模鐵路建設看，建設世界一流水平的客運專線，必須下力量深化高速鐵路建設及運營管理等領域的基礎理論研究和一些關鍵技術的提升。自動過分相技術是牽引供電技術方面的關鍵技術之一。我國人口基數(shù)龐大，特別在春運期間，客流量大，發(fā)車間隔時間短，需要動車組在行駛過程中盡可能不要因為過分相而減速。我國城市分布的特點與日本及歐洲各國均有很大不同，表現(xiàn)為客運專線網(wǎng)規(guī)模大，主要城市間距離長，北京、上海、廣州和武漢4個客運專線中心樞紐間的距離都在1 000～2 000 km范圍內(nèi)，高速列車在我國區(qū)域間主要城市的旅行時間要遠大于日本和歐洲國家，因此，大量開行長行程高速列車將是我國客運專線的重要特點。長行程高速列車的過分相點多，現(xiàn)有的車載過分相方案，列車動力丟失明顯，不能最大限度地壓縮運行時間，高速列車的維護工作量大、維護停運時間長;需要有新的自動過分相方案，滿足高速列車動力丟失少、壓縮運行時間及降低高速列車的維護工作量、減少維護停運時間的需求。

1 國內(nèi)外自動過分相系統(tǒng)方案

1.1 國外的自動過分相方案

1.1.1 車載式自動過分相方案

車載式自動過分相以法國、德國、英國以及西班牙鐵路為代表［2］，盡管其接觸網(wǎng)分相采用不同的結構形式，但電力機車通過分相區(qū)時，都是通過車上主斷路器的分合來實現(xiàn)接觸網(wǎng)不同相位電源的轉換。

(1)主要優(yōu)點:過分相區(qū)后能自動控制電流上升率，對列車運行造成的沖擊比較小，提高了乘客的舒適度;預告信號的檢測采用了2套冗余，使用較可靠;無需人工干預;可以適應多弓的列車。

(2)主要缺點:機車上有一段時間是斷電的，且斷電時間長，而斷電時間的長短與通過速度有關;有可能人為失效造成漏檢，發(fā)生拉弧等行車事故;機車上因過分相需切換的設備較多;地面磁鐵的安裝需要在路基上施工，牽涉部門多、施工難度大。

1.1.2 地面開關自動過分相方案

(1)典型方案系統(tǒng)(圖1)。

(2)運用介紹:地面帶電自動過分相系統(tǒng)技術由列車識別、邏輯控制、操作執(zhí)行、遠動監(jiān)控、接觸網(wǎng)相分段轉換區(qū)、機車兼容6個子系統(tǒng)組成。

圖1 典型方案系統(tǒng)

日本是世界上最早使用地面切換方式自動過分相的國家［3］，1961年開始研制空氣型過分相開關，1972年在山陽新干線投入運營，1980年東北、上越以及東海道新干線路均采用了真空開關。

(3)主要優(yōu)點:停電時間短，容易保持列車的速度;不需要車載長壽命斷路器;可以在低速狀態(tài)下通過過分相區(qū)間。

(4)主要缺點:一次性投入較高;對過分相開關的性能要求高。

接觸網(wǎng)供電電源通過過分相開關自動轉換，僅與列車運行的位置相關，不受列車運行速度、編組方式等限制。適用于高速、高坡、重載電氣化鐵路、客運專線，對提高列車速度，壓縮區(qū)段運行時間，提高綜合運輸能力，效益明顯。

1.2 國內(nèi)自動過分相方案

1.2.1 車載式自動過分相方案

廣深線200 km/h電氣化鐵路為適應直通九龍的需要，采用了地面磁鐵傳感、車上自動轉換式過分相裝置，全線上、下行共設5套。轉換裝置由接觸網(wǎng)、地面磁鐵和車上接收及控制設備組成。當機車通過磁鐵時，感應器接收到信號，由感應器向機車微機控制系統(tǒng)發(fā)送110 V電平的預告信號。機車微機控制系統(tǒng)在收到該預告信號后延遲一定時間，向感應器發(fā)出一個20 ms寬、110 V電平的復位信號，使感應器復位，預告信號消失。延遲時間主要考慮完成對預告信號的確認、封鎖觸發(fā)脈沖、等待電機電流衰減、斷開主斷路器和一定裕度，延時時間不能過長，必須保證機車開始進入分相區(qū)時使感應器復位，以便進行下一次檢測。當機車駛離分相區(qū)時，感應器也相應動作，機車在經(jīng)過同樣延時后，再次使感應器復位，而這一次感應器所發(fā)的信號只是為了線路上車輛反向行駛的需要才設置的。

廣深線是國內(nèi)最早采用這種方法的線路。它是從英國進口的，經(jīng)過幾年使用后，由于缺少維修，車上感應接收器絕大部分已失效，提供過分相預告信號的極化繼電器觸點間存在很高的接觸電阻，有的甚至卡位不動作，從而妨礙廣深線上機車自動過分相。

1.2.2 地面開關自動過分相方案

我國也在進行積極研究地面開關自動過分相方案，在寶成線的觀音山變電所所在的分相處較早采用了地面式機車不斷電過分相裝置。該裝置在分相附近設地面開關站，通過軌道信號和控制回路實現(xiàn)真空斷路器的自動開斷。

目前此方案僅在普鐵有小批運用，開關壽命不夠長，更換周期短。

鑒于國內(nèi)外自動過分相的現(xiàn)狀，結合我國客運專線自動過分相的實際需求，開展我國客運專線自動過分相系統(tǒng)的方案研究勢在必行，本文提出了動車組不分閘地面自動過分相系統(tǒng)(以下簡稱地面自動過分相系統(tǒng))的解決方案。

2 地面自動過分相系統(tǒng)的解決方案

2.1 地面自動過分相系統(tǒng)構成(圖2)

由2臺過分相開關(401/403)組成一組過分相開關組，開關組與接觸網(wǎng)和中性段采用3臺單極斷路器(411/412/413)連接，采用2組過分相開關冗余設計，當一組開關故障、正常或檢修時，自動切換到另一組開關(405/407、421/423/425)運行。

圖2 地面自動過分相系統(tǒng)構成

2.2 地面自動過分相系統(tǒng)工作原理

考慮雙向行車，以左側來車為例，處于運行的開關組(以 411/413/415、401/403開關組為例)斷路器411/413/415處于合狀態(tài)，過分相開關401、403均斷開，中性段不帶電，當機車駛入起始檢測區(qū)間，合上401開關，中性段帶A相電源，當機車駛入切換區(qū)間，斷開401，合上403，中性段帶B相電，當機車出清末端檢測區(qū)間，斷開403，完成一次自動過分相，系統(tǒng)處于初始狀態(tài)，等待下一趟列車。

2.3 地面自動過分相系統(tǒng)關鍵技術

地面自動過分相系統(tǒng)關鍵技術主要有計軸位置檢測技術、控制保護技術、長壽命過分相開關技術、操作過電壓抑制技術等，其主要技術參數(shù)如表1所示。

表1 地面自動過分相系統(tǒng)技術參數(shù)

2.3.1 計軸位置檢測技術

微機計軸設備由室內(nèi)設備(計軸運算單元、電源、防雷組合)及室外設備車輪傳感器、車輪電子檢測器(EAK)及與站內(nèi)其他設備連接的結合電路等組成。

微機計軸列車位置檢測系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 微機計軸列車位置檢測系統(tǒng)框圖

由圖3看出，車輪傳感器J1J2J3與J1'J2'J3'在兩個鋼軌上布置，J1J2構成信號A段，J2J3構成信號B段，J1'J2'構成信號 A'段，J2'J3'構成信號 B'段，同時采集占用和方向信號;由此構成三雙信號系統(tǒng)，即雙段、雙信號(占用和方向)、雙套系統(tǒng)。系統(tǒng)由室內(nèi)設備、室外設備和其之間的傳輸電纜組成，室外檢測設備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?shù)街鳈C柜中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(tài)輸出。

這種微機計軸列車位置檢測系統(tǒng)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;系統(tǒng)設計按故障－安全原則設計，具有極高的可靠性;傳感器和主設備間供電和信息傳輸采用恒流傳輸，受干擾影響小;檢測區(qū)段運算單元獨立，運算單元故障影響面小;每個檢測區(qū)段均設有相應的復零按鈕，對設備的復零操作簡便;系統(tǒng)采用星型網(wǎng)方式連接，對傳輸干擾有較強的抵抗能力;室外檢測點連接簡單，且不需要設置地線。

2.3.2 控制、保護技術

系統(tǒng)包括遠動通信單元、當?shù)乇O(jiān)控單元、開關所保護裝置、開關切換控制器，系統(tǒng)內(nèi)部通信基于光纖工業(yè)以太網(wǎng)，采用IEC60870-5-104通信規(guī)約，通過遠動通信單元、借助變電所或分區(qū)所的遠動通道與SCADA調(diào)度所系統(tǒng)交互遙測、遙信、遙控等信息。

系統(tǒng)設置2套過分相控制裝置，當投入的控制裝置出現(xiàn)自檢故障或掉電時能自動切換到備用控制裝置，確保過分相系統(tǒng)繼續(xù)安全運行。主要功能如下所述。

(1)接受從列車位置檢測系統(tǒng)傳來的列車信息，經(jīng)過邏輯判斷，按照給定的控制程序來控制過分相開關的合、分，從而把過分相區(qū)兩側的電源依次導入中性段，使動車組能夠不分閘過分相。

(2)在檢測到開關系統(tǒng)故障信號時(比如開關拒合、拒分，差流速斷故障等)，能夠通過控制斷路器的合、分，倒換到另一套開關系統(tǒng)繼續(xù)運行，并閉鎖本套開關系統(tǒng)。

(3)能夠及時檢測到列車位置檢測系統(tǒng)(計軸信號)是否正常，檢測到不正常時，能對其進行復歸并把此信息上傳監(jiān)控后臺。

(4)當本過分相系統(tǒng)不可用時，能夠立即發(fā)出跳上側牽引變電所指令，保護行車安全。

開關切換控制器采用最小化故障影響設計原則，當發(fā)生開關分合失敗將開關系統(tǒng)切換到備用系統(tǒng)。如果2套開關系統(tǒng)都失效時，實時通知變電所跳開兩側供電臂的饋線開關。

系統(tǒng)設置2套過分相保護裝置，按照差流速斷保護原理設置，用于快速切除過分相系統(tǒng)主回路短路或絕緣故障。1號過分相保護裝置保護1號開關系統(tǒng);2號過分相保護裝置保護2號開關系統(tǒng)。

2.3.3 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(tǒng)的關鍵設備，要求有可靠性高、長壽命的特點，且具有開斷、關合負荷電流、過載及短路電流的功能，能夠用于電氣化鐵道電力系統(tǒng)切換變電所及分區(qū)供電所不同電源對接區(qū)間的電源。

本系統(tǒng)采用VSW-30MS型過分相開關，其主回路采用高性能真空滅弧室，布置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(fā)生重燃的概率，使開關具有優(yōu)異的絕緣性能和滅弧性能。機械壽命達到30萬次，電氣壽命達到15萬次。開關5萬次操作為一個檢修周期，檢修周期長，檢修方便易操作。

采用電磁操作結構，大大減少了開關的零部件，保證了機械傳動部分的長壽命;采用兩段操作線圈結構，實現(xiàn)操作電流小和動作時間短的特性，主要技術參數(shù)如表2所示。

2.3.4 操作過電壓抑制技術

由于二次重燃弧、斷流過電壓等產(chǎn)生的操作過電，易造成動車組主回路絕緣破壞、降低斷路器觸頭壽命。通常通過提高動車組主回路絕緣水平、降低諧振點或中性段增加RC沖擊吸收裝置，降低操作過電壓的不利影響。本方案在中性段增加阻容吸收系統(tǒng)抑制操作過電壓，如圖4所示。

表2 長壽命過分相開關技術參數(shù)

圖4 操作過電壓抑制系統(tǒng)

在中國鐵道科學研究院東郊分院試驗中心對CRH2動車進行在線試驗，從試驗中測試得到的數(shù)據(jù)顯示，操作過電壓被抑制在1.8倍額定電壓以內(nèi)，典型波形圖(速度:160 km/h，電制滿級)如圖5所示。

圖5 操作過電壓典型波形

2.4 地面自動過分相系統(tǒng)的技術創(chuàng)新點

過分相關鍵技術難題的解決，讓我們具備了研究、設計、制造、試驗驗證地面自動過分相系統(tǒng)的能力，并創(chuàng)造了多項世界第一。世界上第一個能滿足單軌雙向行車的過分相系統(tǒng)，第一個能滿足列車在中性段進行折返運行的過分相系統(tǒng)，第一個具有自我保護功能的過分相系統(tǒng)，第一個采用三雙(雙段+雙信號+雙套)計軸信號系統(tǒng)方案用于列車位置檢測的過分相系統(tǒng)。

3 地面自動過分相系統(tǒng)的試驗研究

此方案在中國鐵道科學研究院北京環(huán)鐵試驗基地進行了離線試驗、靜態(tài)沖擊試驗、在線工況試驗、故障場景在線模擬試驗和在線穩(wěn)定性試驗，試驗結果表明，機車在以上運行工況條件下，ANS系統(tǒng)能夠按照既定程序可靠動作，各種技術參數(shù)正常，運行良好;合分閘引起的切換過電壓未造成對機車、接觸網(wǎng)、變電所及ANS過分相系統(tǒng)的絕緣破壞;合閘涌流未造成變電所及ANS系統(tǒng)的保護誤動。

當投入的地面自動過分相系統(tǒng)出現(xiàn)單一開關故障時，該系統(tǒng)能及時準確切換到備用開關系統(tǒng)繼續(xù)運行，機車、接觸網(wǎng)、變電所均未出現(xiàn)異常;當雙套系統(tǒng)均出現(xiàn)故障時能迅速給出切除接觸網(wǎng)兩端供電臂電源的信號，機車、接觸網(wǎng)、變電所也均未出現(xiàn)異常。

4 地面自動過分相系統(tǒng)的運用

本系統(tǒng)在烏龍泉變電所試運行，對原接觸網(wǎng)進行改造，與接觸網(wǎng)電源采用“T”接方式接線(圖6)，改造工程量小。

圖6 地面自動過分相試運行系統(tǒng)

試運行期間有單編組動車、雙編組動車及工程車等不同車型通過的機車過分相區(qū);車速從30 km/h到350 km/h;既有正向行車，也有反向行車。該系統(tǒng)在武廣客運專線新烏龍泉牽引變電所(上行線)投入離線試運行3個月以來，能夠按照既定程序可靠動作，各種技術參數(shù)正常。

5 結語

高速鐵路地面自動過分相系統(tǒng)技術的研究與運用，解決了高速列車過分相時動力丟失較多、運行時間被延長的難題，動車組過分相失電間隔時間降低到300 ms左右，且與動車組的速度無關;動車組過分相時主開關不分閘，大大降低了動車組主開關的維護工作量，列車維護停運時間縮短，并在列車位置檢測信號技術、自動控制保護技術等方面有多項創(chuàng)新，為我國高速鐵路地面自動過分相系統(tǒng)技術的深入研究提供借鑒。

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