CRH380CL型高速列車(chē)車(chē)載自動(dòng)過(guò)分相控制策略

沈迪，田永洙，常振臣

(中國(guó)北車(chē)集團(tuán) 長(zhǎng)春軌道交通股份有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130062)*

0 引言

電氣化鐵道采用單相工頻交流供電方式，為使電力系統(tǒng)的三相供電負(fù)荷平衡并提高電網(wǎng)利用率，供電接觸網(wǎng)均采用分相段供電形式.為防止相間短路，在不同相供電臂之間的連接處用空氣或者絕緣裝置分割，形成了兩個(gè)供電臂之間絕緣分割區(qū)域，稱(chēng)為分相區(qū).

在時(shí)速200 km/h及以上電氣化鐵路中，列車(chē)每隔幾分鐘就要過(guò)1次分相區(qū)，司乘人員必須在不到1 min的時(shí)間內(nèi)手動(dòng)操縱機(jī)車(chē)安全通過(guò)分相區(qū).如此頻繁和緊張的操作，不僅使司乘人員勞動(dòng)強(qiáng)度和精神負(fù)擔(dān)加大，而且稍有不慎就可能引起相間短路，燒壞接觸網(wǎng).因此，在我國(guó)準(zhǔn)高速或高速鐵路上，為了有效緩解司乘人員工作壓力，列車(chē)都相應(yīng)地采用了車(chē)載自動(dòng)過(guò)分相裝置.目前CRH380CL型高速列車(chē)上搭載兩套車(chē)載過(guò)分相裝置:GFX-3A自動(dòng)過(guò)分相系統(tǒng)和ATP系統(tǒng).本文主要研究GFX-3A自動(dòng)過(guò)分相系統(tǒng)的控制策略與應(yīng)用.

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

GFX-3A自動(dòng)過(guò)分相系統(tǒng)包括車(chē)載GFX-3A自動(dòng)過(guò)分相控制主機(jī)、感應(yīng)接收器和地面應(yīng)答器.

頭尾兩車(chē)車(chē)下各裝有四個(gè)感應(yīng)接收器(T1、T2、T3和T4)，其中T2與T4安裝在車(chē)下右側(cè)，T1與T3安裝在車(chē)下左側(cè).感應(yīng)接收器T2與T4、T1與T3互為冗余.

如圖1所示，在分相區(qū)前后各設(shè)有兩個(gè)地面應(yīng)答器，G1為分相預(yù)告點(diǎn)，G2為強(qiáng)斷點(diǎn)，G3/G4為分相恢復(fù)點(diǎn)，S1=170 m，S2=35 m.在列車(chē)通過(guò)分相區(qū)時(shí)，使用車(chē)下感應(yīng)接收器T2、T4來(lái)感應(yīng)G1和G3，T1、T3來(lái)感應(yīng)G2和G4.

圖1 GFX-3A裝置地面應(yīng)答器布置圖

1.2 工作原理

頭車(chē)通過(guò)G1點(diǎn)時(shí)，車(chē)載GFX-3A控制主機(jī)向高速列車(chē)中央控制單元(簡(jiǎn)稱(chēng)CCU)發(fā)送“分相預(yù)告”脈沖信號(hào)(1 s，110 V)，CCU收到此信號(hào)后，立刻通知牽引變流器控制單元(簡(jiǎn)稱(chēng)C/I).C/I根據(jù)CCU指令封鎖四象限整流器，進(jìn)入中壓保持狀態(tài)，并控制牽引電機(jī)進(jìn)入再生制動(dòng)工況，其產(chǎn)生的能量用于維持車(chē)輛輔助供電系統(tǒng)，此后CCU命令斷開(kāi)主斷路器(簡(jiǎn)稱(chēng)VCB)，列車(chē)將在無(wú)牽引、無(wú)高壓狀態(tài)下通過(guò)分相區(qū).

頭車(chē)通過(guò)G2點(diǎn)時(shí)，控制主機(jī)向CCU發(fā)送“強(qiáng)迫斷VCB”脈沖信號(hào)(1 s，110 V)，CCU不考慮C/I是否進(jìn)入中壓保持狀態(tài)，隨即斷開(kāi)VCB.“強(qiáng)迫斷VCB”信號(hào)優(yōu)先級(jí)高于“分相預(yù)告”信號(hào).

頭車(chē)通過(guò)G3點(diǎn)時(shí)，控制主機(jī)通過(guò)“分相預(yù)告”信號(hào)通道向CCU發(fā)出合VCB指令，控制VCB重新閉合.在控制主機(jī)正常接收到G3信號(hào)時(shí)，G4信號(hào)不起作用.

2 高速列車(chē)過(guò)分相速度損失分析

為了保證高速列車(chē)進(jìn)入分相區(qū)前維持輔助供電系統(tǒng)繼續(xù)工作(CRH380CL高速列車(chē)速度高于70 km/h時(shí)C/I才能夠進(jìn)入中壓保持狀態(tài))，高速列車(chē)必須在G2信號(hào)點(diǎn)前斷開(kāi)VCB.設(shè)車(chē)載GFX-3A控制主機(jī)發(fā)出“分相預(yù)告”信號(hào)到VCB實(shí)際斷開(kāi)時(shí)間為to(to應(yīng)為常數(shù)).設(shè)G1與G2信號(hào)點(diǎn)間高速列車(chē)運(yùn)行時(shí)間為t，高速列車(chē)在G1信號(hào)點(diǎn)的速度為Vo，那么

注:由于C/I進(jìn)入中壓保持狀態(tài)過(guò)程中，高速列車(chē)速度不斷下降，但下降有限，所以按最不利情況考慮，采用最初的速度Vo.

設(shè)G2信號(hào)點(diǎn)前VCB斷開(kāi)的持續(xù)時(shí)間為T(mén)，那么

高速列車(chē)在不同速度級(jí)別下進(jìn)入G1點(diǎn)時(shí)，Vo越低，t越大，T越大，即意味著在高速列車(chē)通過(guò)G2點(diǎn)前VCB斷開(kāi)時(shí)間越長(zhǎng).考慮到高速列車(chē)過(guò)分相時(shí)產(chǎn)生的再生制動(dòng)力、高速列車(chē)阻力和線(xiàn)路狀況等因素，時(shí)間T越長(zhǎng)，那么高速列車(chē)速度損失也就越大.速度損失雖然不會(huì)影響高速列車(chē)安全過(guò)分相，但是對(duì)鐵路線(xiàn)路高密度化運(yùn)營(yíng)，節(jié)約全線(xiàn)運(yùn)行時(shí)間都極為不利.為了將CRH380CL型高速列車(chē)在過(guò)分相前的速度損失減至最低，提高線(xiàn)路運(yùn)營(yíng)效率，必須將T縮短.

3 CRH380CL型高速列車(chē)過(guò)分相控制策略研究

3.1 控制時(shí)序

在收到“分相預(yù)告”信號(hào)后，如果CCU延時(shí)處理過(guò)分相控制邏輯，那么VCB斷開(kāi)時(shí)機(jī)便向后順延，T即為CCU需要的延時(shí)時(shí)間.根據(jù)理論計(jì)算分析，CRH380CL高速列車(chē)C/I的控制時(shí)序如圖2所示:

圖2 牽引變流器再生制動(dòng)控制時(shí)序

3.2 延時(shí)時(shí)間計(jì)算

C/I從收到“分相預(yù)告”信號(hào)到牽引電機(jī)進(jìn)入弱再生控制的時(shí)間為(600+1 000+850)ms/1 000=2.45 s.車(chē)載GFX-3A控制主機(jī)發(fā)出“分相預(yù)告”指令給CCU，CCU經(jīng)邏輯判斷再輸出給C/I，整個(gè)分相預(yù)告信號(hào)的傳輸過(guò)程最長(zhǎng)大約需要50 ms.VCB從收到斷開(kāi)信號(hào)到實(shí)際斷開(kāi)需要的最長(zhǎng)時(shí)間約為60 ms.為了盡量減少VCB斷開(kāi)時(shí)間，假定牽引電機(jī)剛剛進(jìn)入弱再生控制時(shí)，CCU就立刻發(fā)出斷開(kāi)VCB指令，那么，上述信號(hào)處理時(shí)間總共為2.56 s.如果以10%安全余量計(jì)算，那么計(jì)算結(jié)果為2.85 s.考慮到信號(hào)處理、傳輸延遲和其他不利因素，最終取值to=3 s，富余0.44 s，余量占比為14.6%，大于安全余量10%的要求.經(jīng)上述分析，得到公式:

3.3 延時(shí)時(shí)間優(yōu)化

在最不利情況下(即列車(chē)在10級(jí)牽引工況下運(yùn)行至分相區(qū))，CCU經(jīng)延時(shí)T s后向C/I發(fā)出“分相預(yù)告”信號(hào)的實(shí)際車(chē)速Vo'＞Vo，所以T'＜T.如果仍然按照T進(jìn)行延時(shí)處理，勢(shì)必會(huì)造成高速列車(chē)駛?cè)隚2信號(hào)點(diǎn)前C/I無(wú)法完全進(jìn)入中壓保持狀態(tài).因此，需要對(duì)公式“T=170/Vo-3”的參數(shù)“170”進(jìn)行調(diào)整，用于抵消速度增加值(Vo'-Vo).根據(jù)CRH380CL型高速列車(chē)10級(jí)“牽引-速度”曲線(xiàn)，經(jīng)計(jì)算得到如表1所示.

經(jīng)比較，最終將參數(shù)“170”修訂為“150”，計(jì)算公式優(yōu)化為:

高速列車(chē)在過(guò)分相過(guò)程中列車(chē)速度隨時(shí)間不斷變化，準(zhǔn)確的變量T應(yīng)根據(jù)列車(chē)實(shí)時(shí)位置距G2點(diǎn)的距離與實(shí)際車(chē)速進(jìn)行積分得出，但是考慮到CCU運(yùn)算處理能力有限，以及信號(hào)傳輸時(shí)延等因素，為了保證控制方式可靠，不得不犧牲變量T的準(zhǔn)確性而采用上述線(xiàn)性計(jì)算公式.

表1 延時(shí)時(shí)間T計(jì)算分析表

3.4 控制邏輯關(guān)系

根據(jù)上述車(chē)載自動(dòng)過(guò)分相控制策略分析，CRH380CL高速列車(chē)控制邏輯采用優(yōu)化后的延時(shí)控制方案，如圖3所示:

圖3 應(yīng)用控制邏輯簡(jiǎn)圖

CCU收到過(guò)分相預(yù)告信號(hào)后經(jīng)延時(shí)T向全列各車(chē)CI發(fā)出預(yù)告信號(hào)“a_TCUC_SO03_7”，再經(jīng)過(guò)2.45 s向各車(chē)VCB發(fā)出斷主斷路器2 s脈沖信號(hào)“b_FTR_DO00_0”，高速列車(chē)牽引輔助及制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)入過(guò)分相工況.

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

在CRH380CL高速列車(chē)型式試驗(yàn)期間，對(duì)車(chē)載過(guò)分相控制部分進(jìn)行了一系列驗(yàn)證，下面列舉了部分?jǐn)?shù)據(jù)，如表2、表3所示(注:軟件采樣周期為200 ms，中間信號(hào)略去相同部分).

表2、表3分別記錄了50 km/h和200 km/h速度級(jí)別下CRH380CL型高速列車(chē)通過(guò)分相區(qū)的實(shí)測(cè)結(jié)果，可以清楚的看到在網(wǎng)壓歸零前，VCB已成功斷開(kāi).

表2 列車(chē)速度50 km/h時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

表3 列車(chē)速度200 km/h時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

5 結(jié)論

經(jīng)分析及試驗(yàn)驗(yàn)證，本文論述的GFX-3A自動(dòng)過(guò)分相系統(tǒng)控制策略和控制邏輯關(guān)系，能夠滿(mǎn)足CRH380CL型高速列車(chē)自動(dòng)過(guò)分相控制要求，在實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中沒(méi)有出現(xiàn)分相區(qū)前VCB斷開(kāi)不及時(shí)的情況，極大的縮短了列車(chē)在通過(guò)分相區(qū)前VCB斷開(kāi)時(shí)間，完全可以保證CRH380CL高速列車(chē)安全、可靠、高效運(yùn)行.

［1］廖軍華.自動(dòng)過(guò)分相地面感應(yīng)裝置在高速鐵路中的應(yīng)用［J］.鐵路技術(shù)創(chuàng)新，2011(1):52-53.

［2］姚孝剛.自動(dòng)過(guò)分相系統(tǒng)設(shè)計(jì)與改進(jìn)［J］.機(jī)車(chē)電傳動(dòng)，2009(4):41-43.

［3］劉柏思，王青元.電力機(jī)車(chē)斷電過(guò)分相的速度與時(shí)分損失研究［J］.電氣技術(shù)，2010(7):16-18.

［4］敖曉峰，劉仕兵.車(chē)載斷電自動(dòng)過(guò)分相裝置［J］.電氣化鐵道，2006(2):5-8.

［5］嚴(yán)新.電力機(jī)車(chē)車(chē)上控制自動(dòng)過(guò)分相的幾個(gè)問(wèn)題［J］.機(jī)車(chē)電傳動(dòng)，2004(2):66-68.

［6］王元厚.客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)過(guò)分相方案與運(yùn)行時(shí)分關(guān)系研究［J］.鐵道機(jī)車(chē)車(chē)輛，2010，30(4):102-103.

［7］耿敬春.基于CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)動(dòng)車(chē)組列車(chē)自動(dòng)過(guò)分相運(yùn)行檢算［J］.鐵道工程學(xué)報(bào)，2010，145(10):93-98.

［8］于萬(wàn)聚.高速電氣化鐵路接觸網(wǎng)［M］.成都:西南交通大學(xué)出版社，2002.