電力機(jī)車斷電過分相的速度和時(shí)分損失研究

劉柏思 王青元

（西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，成都 610031）

1 引言

電分相是用以保證電氣化鐵道供電系統(tǒng)不同相供電臂間的機(jī)械連接和電氣隔離的重要元件。常用的電分相分為器件式和關(guān)節(jié)式兩種形式，器件式電分相因硬點(diǎn)問題突出已逐漸被淘汰[1]，而關(guān)節(jié)式電分相則在既有鐵路電氣化改造和新建高速客運(yùn)專線中得到廣泛應(yīng)用。

我國(guó)大部分普速鐵路和高速鐵路（如京津、石太高速客運(yùn)專線）上運(yùn)營(yíng)的電力機(jī)車（或電力動(dòng)車組）采用斷電過分相方式。機(jī)車通過電分相的一般操縱方法為[2]：退級(jí)、關(guān)閉輔助機(jī)組、斷開主斷路器，惰行通過電分相，過分相后按線路標(biāo)志閉合主斷路器、閉合輔助機(jī)組、進(jìn)級(jí)牽引。

電力機(jī)車斷電過分相時(shí)，牽引傳動(dòng)系統(tǒng)不再輸出牽引力，此時(shí)列車所受合外力為制動(dòng)力與阻力之和，列車運(yùn)行速度一般會(huì)有所降低，區(qū)間運(yùn)行時(shí)間有所增加。為優(yōu)化電分相設(shè)置方案，在前期設(shè)計(jì)中需要綜合考慮線路狀況[4]、機(jī)車特性[3]、無(wú)電區(qū)長(zhǎng)度等因素，通過定量分析計(jì)算來(lái)證明方案的合理性。本文就此方面進(jìn)行了分析和研究，給出了仿真計(jì)算結(jié)果，并就電分相的設(shè)置方案提出了建議。

2 電力機(jī)車過分相的速度和時(shí)分損失

電力機(jī)車切斷主斷路器開始惰行進(jìn)入無(wú)電區(qū)的速度為入分相速度vin，閉合主斷路器開始取流牽引、離開無(wú)電區(qū)時(shí)刻的速度為出分相速度vout，機(jī)車進(jìn)出分相的速度差即過分相的速度損失為

設(shè)機(jī)車過分相惰行距離為sidle，機(jī)車離開分相重新取流牽引至速度達(dá)到vin行進(jìn)距離為strac，機(jī)車通過tidle所用時(shí)間為tidle，機(jī)車通過strac所用時(shí)間為ttrac，則機(jī)車過分相的速度損失△t可表示為

3 影響電力機(jī)車過分相速度和時(shí)分損失的因素

電力機(jī)車斷電過分相時(shí)，切斷主斷路器通過整個(gè)無(wú)電區(qū)，其間不再?gòu)臓恳╇娋W(wǎng)取流，牽引傳動(dòng)系統(tǒng)無(wú)法輸出牽引力，機(jī)車所受合外力為制動(dòng)力、列車基本運(yùn)行阻力和坡道、曲線、隧道等附加阻力。從運(yùn)動(dòng)學(xué)角度分析造成機(jī)車過分相速度和時(shí)分損失的原因大致包括以下幾個(gè)方面：

（1）列車阻力特性。列車阻力特性是列車固有的屬性，反映了列車在平直線路運(yùn)行時(shí)所受阻力的狀況。列車阻力是過分相過程中列車所受合外力的主要構(gòu)成因素。

（2）列車再生制動(dòng)力。對(duì)于某些類型的動(dòng)車組，為保證其通過電分相過程中輔助系統(tǒng)持續(xù)工作，需要通過再生制動(dòng)的產(chǎn)生的電能為輔助系統(tǒng)供電。列車發(fā)揮的再生制動(dòng)力的大小依輔助系統(tǒng)功率和列車運(yùn)行速度而定。在此情況下，列車的再生制動(dòng)力將加劇列車速度的衰減。

（3）列車牽引特性。列車牽引特性決定了列車離開分相后的速度恢復(fù)能力，是影響時(shí)分損失的主要因素。

（4）線路狀況。線路的平縱斷面，即坡道和曲線，以及隧道的分布導(dǎo)致了列車運(yùn)行的附加阻力，加劇了列車惰行通過無(wú)電區(qū)的速度衰減。因此，在大上坡或隧道路段設(shè)置電分相會(huì)使通過的列車產(chǎn)生較大的速度和時(shí)分損失。

（5）無(wú)電區(qū)長(zhǎng)度。列車以相同速度進(jìn)入無(wú)電區(qū)，無(wú)電區(qū)越長(zhǎng)，列車損失的動(dòng)能越多，出分相速度越低，速度損失越大。因此，對(duì)于中低速線路應(yīng)避免設(shè)置無(wú)電區(qū)較長(zhǎng)類型的電分相，以免列車速度損失過大，甚至發(fā)生在電分相內(nèi)停車事故。

綜上所述，造成機(jī)車斷電過分相速度損失的因素并非單一的機(jī)車、線路或電分相的特性，而應(yīng)是三者的共同作用。機(jī)車入分相速度、出分相速度和速度損失是評(píng)估電分相、線路和機(jī)車耦合系統(tǒng)設(shè)置方案合理性的一組重要指標(biāo)。

4 速度和時(shí)分損失的計(jì)算

列車基本運(yùn)行阻力特性通常以Davis公式表示

其中，f為列車單位基本運(yùn)行阻力；v為列車運(yùn)行速度；a，b，c為基本運(yùn)行阻力公式各項(xiàng)系數(shù)。

列車運(yùn)行中所受附加阻力中，坡道阻力為ig，曲線附加阻力可等效為坡道阻力形式ic，隧道阻力it主要來(lái)源于空氣阻力，其作用效果類似基本運(yùn)行阻力中的cv2項(xiàng)，設(shè)隧道阻力

其中，d隧道附加阻力公式系數(shù)。

設(shè)列車提供給輔助系統(tǒng)的單位質(zhì)量再生功率為pr，則列車所受單位再生制動(dòng)力為

設(shè)重力加速度為g，列車回轉(zhuǎn)質(zhì)量系數(shù)為γ，則電力機(jī)車惰行通過無(wú)電區(qū)的單質(zhì)點(diǎn)模型運(yùn)動(dòng)方程為

由式（3）～（8）可得

該方程反映了列車斷電過分相過程中，列車速度與惰行距離、機(jī)車特性和線路狀況的耦合關(guān)系，此關(guān)系為多質(zhì)點(diǎn)模型列車在多線路斷面上的運(yùn)行仿真提供了理論基礎(chǔ)。

基于方程（9），利用VC++語(yǔ)言可編程實(shí)現(xiàn)列車斷電過分相速度變化的精確計(jì)算模型，并對(duì)CRH2型動(dòng)車組以200km/h和250km/h的入分相速度通過處在線路坡度為-15‰～15‰路段的電分相的速度損失和時(shí)分損失情況進(jìn)行了仿真計(jì)算，結(jié)果如圖1、圖2和表1所示。

圖1 CRH 2型動(dòng)車組斷電過分相的速度損失情況（入分相速度為200km）

圖2 CRH 2型動(dòng)車組斷電過分相的速度損失情況（入分相速度為250km）

表1 CRH 2型動(dòng)車組斷電通過1000m無(wú)電區(qū)時(shí)的時(shí)分損失情況

5 結(jié)論

通過上述理論分析和仿真計(jì)算，得到以下結(jié)論：

（1）電力機(jī)車斷電過分相時(shí)的速度損失并非機(jī)車特性、線路狀況或無(wú)電區(qū)長(zhǎng)度等單一因素作用的結(jié)果，而是三者耦合構(gòu)成的系統(tǒng)共同作用的結(jié)果。

（2）考慮電分相位置與線路斷面關(guān)系時(shí)，應(yīng)避免將電分相設(shè)置在大上坡或大下坡（因列車反向運(yùn)行時(shí)為大上坡）位置，以避免電力機(jī)車過分相時(shí)產(chǎn)生較大的速度損失或在分相內(nèi)發(fā)生停車事故。

（3）考慮電分相長(zhǎng)度與線路限速關(guān)系時(shí)，為避免過分相產(chǎn)生較大的速度損失，應(yīng)避免在中低運(yùn)營(yíng)速度路段設(shè)置長(zhǎng)無(wú)電區(qū)的電分相；而高速運(yùn)營(yíng)速度路段則可適當(dāng)采用長(zhǎng)無(wú)電區(qū)電分相。

[1] 馬德明,高仕斌.斷電過電分相的過電壓暫態(tài)過程分析[J].供變電,2008(3).

[2] 李官軍,馮曉云,王利軍等.電工技術(shù)學(xué)報(bào)[J].高速動(dòng)車組自動(dòng)過分相控制策略研究與仿真,2007(7).

[3] 馮曉云.電力牽引交流傳動(dòng)及其控制系統(tǒng)[M].北京:高等教育出版社,2009:15-18.

[4] 孫中央.列車牽引計(jì)算規(guī)程[M].北京:中國(guó)鐵道出版社,2005:48-51.