神朔鐵路地面自動過分相系統(tǒng)中性區(qū)設(shè)計優(yōu)化

呂順凱

0 引言

神朔鐵路西起大柳塔站，東至朔州西站，與神延鐵路接軌，和北同蒲鐵路、朔黃鐵路、包神鐵路貫通，電氣化復(fù)線全長266 km，是我國繼大秦鐵路之后第二條西煤東運大通道，主要承擔(dān)國家能源集團所屬神府、東勝煤田煤炭及部分地方煤炭外運任務(wù)，2012—2019 年，連續(xù)8 年突破2 億噸運輸大關(guān)。

地面自動過分相系統(tǒng)于2006 年起在神朔鐵路試點運行，2012 年完成適用萬噸重載列車的技術(shù)改造，滿足了神朔鐵路高坡、重載線路運能持續(xù)增長的需求。地面自動過分相技術(shù)的運用最大限度地發(fā)揮了電力機車的牽引力控制，充分保持了列車通過電分相時的運行速度，縮短了過分相的運行時間（每列車通過自動過分相區(qū)間用時平均壓縮3～4 min），顯著提高了神朔鐵路的運輸能力[1]。

現(xiàn)場長期應(yīng)用經(jīng)驗表明，地面自動過分相系統(tǒng)有效解決了重載列車斷電通過長大坡道分相導(dǎo)致的降速、坡停等問題，消除了司乘人員手動控制過分相時由于操作不當(dāng)引起的拉弧甚至燒毀接觸網(wǎng)的安全隱患，而且錨段關(guān)節(jié)式分相的應(yīng)用避免了器件式分相對電力機車受電弓的硬點沖擊，“人-機-網(wǎng)”綜合經(jīng)濟效益顯著。但同時，隨著現(xiàn)場投運數(shù)量的增加及線路運量的加大，設(shè)備故障頻率也同步增加[2]。現(xiàn)有中性區(qū)按照萬噸重載運煤專列“同收同放”極限需求設(shè)計[3]，長度超過1.2 km，當(dāng)?shù)孛孀詣舆^分相系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，列車無法滑行通過，線路暫時中斷，越區(qū)送電操作復(fù)雜費時，嚴(yán)重影響運能；而且導(dǎo)致地面自動過分相系統(tǒng)長時間帶重負(fù)荷工作，不利于今后小型化和簡統(tǒng)化的發(fā)展，急需優(yōu)化設(shè)計改造。

1 地面自動過分相系統(tǒng)原理及其構(gòu)成

地面自動過分相系統(tǒng)的工作原理較簡單，即依據(jù)列車位置檢測信號，按照預(yù)定控制邏輯進(jìn)行開關(guān)切換，使得通常狀態(tài)下不帶電的中性區(qū)在不同時段交替帶電，實現(xiàn)列車無感知平穩(wěn)通過，但由于其串聯(lián)于牽引供電網(wǎng)絡(luò)，對可用性、可靠性、可維護(hù)性及安全性要求極高，涵蓋供電、接觸網(wǎng)、信號及控制等多個專業(yè)，屬于交叉學(xué)科復(fù)雜工程。

圖1 為地面自動過分相系統(tǒng)構(gòu)成示意圖。圖中的PT1～PT3 分別為A 臂、B 臂、中性區(qū)的電壓互感器；CT1～CT3 分別為A 臂、B 臂、中性區(qū)的電流互感器；PS1～PS4 分別駛?cè)胫行詤^(qū)前、中性區(qū)內(nèi)切換以及駛出中性區(qū)的列車位置檢測傳感器，通常采用功能豐富、安全性好的計軸裝置，正向行車采用PS1、PS3 和PS4，反向行車采用PS4、PS2和PS1；K1～K2 為執(zhí)行單元，早期普遍采用選相斷路器，目前已示范應(yīng)用可靠性更高、毫秒級切換且可以精確選相的高壓電力電子開關(guān)；JY1～JY2為空氣絕緣錨段關(guān)節(jié)，滿足機車受電弓在各區(qū)間平穩(wěn)過渡和連續(xù)受流，兩者之間即為中性區(qū)。

圖1 地面過分相系統(tǒng)構(gòu)成

按照功能單元劃分，地面自動過分相系統(tǒng)主要包括位置檢測單元、邏輯控制單元、安全保護(hù)單元、執(zhí)行單元、接觸網(wǎng)中性區(qū)等，各單元間的關(guān)聯(lián)關(guān)系見圖2。

圖2 地面過分相單元關(guān)聯(lián)關(guān)系

2 地面自動過分相中性區(qū)設(shè)計原則

中性區(qū)是地面自動過分相系統(tǒng)的重要組成部分，機車需要在中性區(qū)完成電壓和（或）相位不同的高壓電源切換，設(shè)置是否合理將直接影響過分相時的行車及供電系統(tǒng)安全。

中性區(qū)設(shè)計時需考慮多方面因素，主要包括列車的相關(guān)信息，如列車的編組方式、長度、車速等，過分相系統(tǒng)自身的一些技術(shù)參數(shù)，如位置檢測時間、程序運行周期、預(yù)定切換時間、開關(guān)分合時間和故障情況下保護(hù)動作所需時間，以及地面自動過分相系統(tǒng)對于復(fù)雜編組列車的邏輯控制策略等。

地面過分相系統(tǒng)中性區(qū)設(shè)計目前尚無統(tǒng)一的規(guī)范性文件，參考接觸網(wǎng)錨段關(guān)節(jié)式電分相設(shè)計相關(guān)規(guī)定[4]，同時結(jié)合地面自動過分相的工作原理及系統(tǒng)構(gòu)成，編制無電區(qū)長度需求計算式如下：

式中：L0為地面自動過分相系統(tǒng)進(jìn)行電源切換前中性區(qū)內(nèi)第一臺機車的第一個前軸至最后一臺機車的受電弓之間的距離，m；V為線路允許的最高運行速度或該電分相處線路限制的運行速度，m/s；T為地面自動過分相系統(tǒng)的位置檢測時間、程序運行周期、預(yù)定切換時間、開關(guān)分合時間以及故障保護(hù)動作等時間之和，s；L1為預(yù)留安全距離，依據(jù)線路類別、運行速度、共線列車等綜合因素選擇，m。

中性區(qū)包含過渡區(qū)與無電區(qū)，構(gòu)成示意圖見圖3，具體設(shè)計時需要根據(jù)線路情況，合理設(shè)置錨段關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)形式及位置，確保無電區(qū)長度滿足安全行車需求。

圖3 中性區(qū)構(gòu)成示意圖

3 神朔鐵路中性區(qū)設(shè)置現(xiàn)狀及存在的主要問題

與常規(guī)鐵路單機或雙機固定編組方式不同，神朔鐵路采用SS4 型直流機車和神華號HXD1 型交流機車牽引5 000 噸或萬噸級列車，編組方式多樣，包括“2+0”、“3+0”、“2+1”和“2+2”等數(shù)種類型[5]。“2+0”和“3+0”表示多臺電力機車均在列車前部牽引，運煤敞車全部掛于機車之后；“2+1”和“2+2”表示列車前部和中間均有電力機車，部分運煤敞車掛于前部電力機車和中部電力機車之間，部分運煤敞車掛于中部電力機車之后。敞車型號包括C64、C70、C80 等，敞車的數(shù)量根據(jù)型號不同存在差異。

神朔鐵路現(xiàn)有地面自動過分相系統(tǒng)中性區(qū)長度按照各種復(fù)雜編組類型列車的受電弓均能夠“同收同放”的一次性全包絡(luò)方案進(jìn)行設(shè)計，結(jié)構(gòu)形式如圖4 所示。

圖4 現(xiàn)有中性區(qū)結(jié)構(gòu)形式示意圖

基于各項已知條件，包括神朔鐵路線路運行的SS4 機車長度為32.832 m，神華號HXD1 機車長度為35.304 m，線路允許最高運行速度為80 km/h，地面自動過分相位置檢測及開關(guān)分合等時間之和小于0.5 s，安全距離設(shè)定為列車以線路允許最高運行速度運行0.5 s 的距離等，按照式（1）將各種編組方式下無電區(qū)長度需求進(jìn)行計算并整理，如表1所示。

表1 無電區(qū)長度需求計算 m

由表1 可知，在考慮充分安全裕量的前提下，滿足全部編組類型列車受電弓一次性“同收同放”的中性區(qū)長度必須大于1 033 m；“2+1”和“2+2”編組列車由于在前部和中部機車之間加掛敞車，導(dǎo)致整列編組受電弓一次性換相等效長度過長，是造成中性區(qū)長度超過1 033 m 的主要原因。

目前神朔鐵路地面過分相系統(tǒng)中性區(qū)設(shè)置均采用“8+N+4”超長絕緣錨段關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，平均長度超1.2 km，可一次性完成整列編組中全部機車供電電源的切換，滿足各種復(fù)雜編組列車應(yīng)用需求，但是由于涉及多次技術(shù)改造，構(gòu)成復(fù)雜，故障點多，且存在列車無法滑行通過，停于分相時救援組織困難等一系列問題。

神朔鐵路現(xiàn)有中性區(qū)存在以下主要問題：

（1）對線路運能的影響。神朔鐵路地面自動過分相裝置均位于上坡地段，最大坡度達(dá)12‰，同時，由于上行方向為重車，列車限速80 km/h，通過分相時的速度一般不超過60 km/h，中性區(qū)長達(dá)1.2 km，使得地面自動過分相故障由人工控制過分相時列車無法滑行通過，導(dǎo)致線路中斷，需采取越區(qū)供電。而越區(qū)供電需要電力調(diào)度、生產(chǎn)調(diào)度、牽引變電所值班人員多方參與，操作復(fù)雜費時，并且列車在坡停狀態(tài)下速度恢復(fù)慢，長時間占據(jù)單線閉塞區(qū)間，以及越區(qū)供電情況下需要限制列車追蹤間隔，都將極大影響整條線路的運輸能力和效率。

（2）對系統(tǒng)自身的影響。地面自動過分相各子系統(tǒng)的設(shè)計與中性區(qū)密切相關(guān)，尤其是采用超長中性區(qū)時，執(zhí)行單元（K1 和K2）的額定電流和散熱條件等均需依據(jù)各種編組列車的峰值容量及全部機車在中性區(qū)內(nèi)的累計運行時長進(jìn)行等效設(shè)計，導(dǎo)致系統(tǒng)總體設(shè)計容量較大且長期在高負(fù)荷工況下運行，不利于今后系統(tǒng)小型化和簡統(tǒng)化發(fā)展。

（3）對巡視檢修的影響。神朔鐵路地面自動過分相系統(tǒng)中性區(qū)是由供電專業(yè)歸口提出需求，工務(wù)專業(yè)建設(shè)維護(hù)，雙方共同巡視的交叉區(qū)域。中性區(qū)構(gòu)成復(fù)雜，故障點多，增加了線路巡視和檢修工作量，同時，進(jìn)行故障處理時，需多方到場協(xié)同，不利于現(xiàn)場快速恢復(fù)。

4 地面過分相中性區(qū)設(shè)計優(yōu)化研究

由上述分析可知，如果能夠可靠檢測中部機車，將“2+1”和2+2”編組列車等效視為連掛運行的2 列獨立短編組列車，在中部機車通過中性區(qū)時進(jìn)行二次換相，即可減少對無電區(qū)的需求，有效縮減中性區(qū)的長度。同時，需將邏輯控制策略進(jìn)行優(yōu)化，在確保安全及兼容“2+0 和“3+0”編組列車通行的前提下，實現(xiàn)“2+1”和“2+2”編組列車二次換相。另外，還需依據(jù)線路的情況，對中性區(qū)的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行簡化設(shè)計。

4.1 中部機車檢測方案

確保中部機車被安全、可靠、準(zhǔn)確檢測是地面自動過分相系統(tǒng)中性區(qū)優(yōu)化的核心，邏輯控制單元需要依據(jù)中部機車運行位置選擇第二次換相的導(dǎo)通和關(guān)斷時刻。基于系統(tǒng)現(xiàn)有配置情況，在新增設(shè)備最少及工程量最小的前提下，提出一種基于“電流加計軸”和“雙激光雷達(dá)”的雙重安全檢測方案（圖5），能夠適應(yīng)機車各種運行工況，消除單一檢測方式存在的盲區(qū)。

圖5 雙重安全檢測方案示意圖

4.1.1 電流加計軸檢測

機車通過JY1 進(jìn)入中性區(qū)之后，將從中性區(qū)獲取電能，流經(jīng)中性區(qū)電流互感器的電流顯著增加，而且由于神朔鐵路地面自動過分相系統(tǒng)中性區(qū)的線路坡度為10‰～12‰，在整個過分相過程中，機車均需維持高功率輸出，因此可以將閾值限制的中性區(qū)電流作為中部機車進(jìn)入的檢測依據(jù)，可靠性很高。但是對于中部機車是否全部進(jìn)入中性區(qū)，僅通過電流無法獲知，需通過計軸裝置輔助檢測。電流加計軸檢測方案如圖6 所示。

圖6 電流加計軸檢測方案示意圖

計軸裝置是鐵路信號系統(tǒng)中用于列車位置檢測和完整性檢查的重要設(shè)備，以安裝在鋼軌軌腰上的傳感器為探測手段，直接計取和檢查經(jīng)過列車的軸數(shù)，并通過計算比較判別區(qū)段是否有車占用，因其具有工作不受道床、軌道狀態(tài)和氣候條件的影響，附屬設(shè)備較少，可靠性高，抗干擾性能好等諸多優(yōu)點，已在地面自動過分相系統(tǒng)中應(yīng)用。計軸傳感器有2 個磁頭，列車通過時，輪對將切割磁感線，導(dǎo)致接收端接收到的磁場強度變化，每切割一次，計軸裝置記錄一次，同時通過2 個接收端的時間差判別機車行進(jìn)方向，計算列車運行速度。檢測中部機車是否全部進(jìn)入中性區(qū)時，由于計軸傳感器無法有效區(qū)分機車和貨車敞車的輪對，因此需要間接判別。判別方法主要包括兩種，第一種是采用計軸裝置輸出的輪對新增計數(shù)，第二種是通過計軸裝置測算的列車運行速度與時間進(jìn)行積分，進(jìn)而計算出距離，優(yōu)先采用更為直接和便捷的輪對計數(shù)法。

采用電流加計軸檢測時無需新增硬件，中性區(qū)電流信號通過電流互感器CT3 采集，輪對計數(shù)信號使用計軸傳感器（正向行車時為PS2，反向行車時為PS3）輸出的脈沖。當(dāng)中性區(qū)電流超過設(shè)定閾值，邏輯控制裝置計算進(jìn)入中性區(qū)的新增輪對數(shù)量，進(jìn)而判斷中部機車是否已完全進(jìn)入。

4.1.2 雙激光雷達(dá)探測

為消除機車惰行工況電流檢測存在的盲區(qū)，采用雙激光雷達(dá)探測作為在線同步檢測方案（圖7），提高檢測的安全性。目前，激光雷達(dá)已在汽車自動駕駛、空間測繪、物體識別和安防等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，其利用光頻波段的電磁波向目標(biāo)發(fā)射探測信號，然后將其接收到的同波信號與發(fā)射信號相比較，獲得目標(biāo)的位置（距離、方位和高度）、運動狀態(tài)（速度、姿態(tài)）等信息，實現(xiàn)對目標(biāo)的探測、跟蹤和識別，具有距離和速度分辨率高、抗干擾能力強、體積小、質(zhì)量輕且不受無線電波干擾等優(yōu)勢。憑借激光雷達(dá)“精準(zhǔn)、快速、高效”的特點，能夠可靠檢測進(jìn)入中性區(qū)的中部機車。

圖7 雙激光雷達(dá)探測方案示意圖

機車受電弓本體是激光雷達(dá)探測的主要目標(biāo)。通過測量激光信號的時間差、相位差確定距離，經(jīng)水平旋轉(zhuǎn)掃描或相控掃描測量角度，根據(jù)這2 個數(shù)據(jù)建立二維的極坐標(biāo)系，再通過獲取不同俯仰角度的信號獲得第三維的高度信息，經(jīng)信號處理后，激光雷達(dá)可生成精確的受電弓三維立體圖像。由于電力機車與運煤敞車存在一定的高度差，而工作中的受電弓又高于機車車體，因此可以通過檢測高度差的方式限定檢測區(qū)域，縮短受電弓檢測時間。

分別在中性區(qū)前及中性區(qū)內(nèi)的接觸網(wǎng)支柱側(cè)邊安裝1#和2#激光雷達(dá)，當(dāng)激光雷達(dá)檢測到運行中的機車受電弓時，通過電纜硬接線方式送出若干對狀態(tài)節(jié)點信號，同時采用光纖與邏輯控制單元進(jìn)行極低延時通信，準(zhǔn)確記錄和傳送受電弓通過檢測點的時刻、機車運行速度、受電弓數(shù)量等信息。中部機車進(jìn)入中性區(qū)前，通過1#激光雷達(dá)檢測中部機車受電弓的數(shù)量等相關(guān)信息，并結(jié)合機車運行速度及通過的時刻，預(yù)判抵達(dá)2#激光雷達(dá)的時間，增強可靠性；中部機車進(jìn)入中性區(qū)通過2#激光雷達(dá)時，與1#激光雷達(dá)檢測受電弓的數(shù)量進(jìn)行比較，當(dāng)兩者相等時，說明中部機車已全部進(jìn)入。

4.2 控制邏輯設(shè)計優(yōu)化

4.2.1 現(xiàn)有控制邏輯

由于現(xiàn)有中性區(qū)長度超過1.2 km，可一次性完成整列編組中全部機車高壓電源的切換，因此目前的控制邏輯如下：

（1）列車抵達(dá)PS1 位置，閉合左側(cè)開關(guān)K1，中性區(qū)帶A 相電。

（2）列車抵達(dá)PS3 位置，分?jǐn)嘧髠?cè)開關(guān)K1，閉合右側(cè)開關(guān)K2，電源切換，中性區(qū)由A 相電轉(zhuǎn)換為B 相電。

（3）列車完全通過PS4，分?jǐn)嘤覀?cè)開關(guān)K2，中性區(qū)恢復(fù)初始無電狀態(tài)，等待下一趟機車到來。

現(xiàn)有控制邏輯流程如圖8 所示。

圖8 現(xiàn)有控制邏輯流程

4.2.2 控制邏輯優(yōu)化

為滿足“2+1”和“2+2”編組列車的二次換相需求，同時兼容“2+0”和“3+0”編組列車，確保各種編組列車均能夠安全通行，將控制邏輯進(jìn)行如下優(yōu)化：

（1）列車抵達(dá)PS1 位置，閉合左側(cè)開關(guān)K1，中性區(qū)帶A 相電。

（2）列車抵達(dá)PS3 位置，分?jǐn)嘧髠?cè)開關(guān)K1，閉合右側(cè)開關(guān)K2，電源切換，中性區(qū)由A 相電轉(zhuǎn)換為B 相電。

（3）列車抵達(dá)PS4 位置，分?jǐn)嘤覀?cè)開關(guān)K2，閉合左側(cè)開關(guān)K1，中性區(qū)由B 相電轉(zhuǎn)換為A 相電。

（4）如果檢測到中部機車并確認(rèn)中部機車已完全進(jìn)入中性區(qū)，分?jǐn)嘧髠?cè)開關(guān)K1，閉合右側(cè)開關(guān)K2，進(jìn)行第二次換相，中性區(qū)由A 相電轉(zhuǎn)換為B 相電；如果未檢測到中部機車，保持K1 和K2的當(dāng)前狀態(tài)。

（5）列車完全通過PS4，分?jǐn)喈?dāng)前閉合的開關(guān)，中性區(qū)恢復(fù)初始無電狀態(tài)，等待下一趟列車到來。

優(yōu)化后的控制邏輯流程如圖9 所示。

圖9 優(yōu)化后的控制邏輯流程

4.3 結(jié)構(gòu)形式簡化設(shè)計

通過中部機車的可靠檢測與邏輯優(yōu)化，將“2+1”和“2+2”方式編組列車等效視為2 列單獨的列車，進(jìn)行2 次切換，則無電區(qū)的長度只需大于“2+0”和“3+0”編組對無電區(qū)需求的較大值，即大于“3+0”編組的112 m。按照接觸網(wǎng)跨距為40 m進(jìn)行設(shè)計，結(jié)構(gòu)形式優(yōu)化方案可采用“4+4”構(gòu)成的九跨絕緣錨段關(guān)節(jié)，中性區(qū)長度小于280 m，無電區(qū)長度大于120 m，滿足現(xiàn)有各種復(fù)雜編組列車地面自動過分相需求[6]。與現(xiàn)有1.2 km中性區(qū)相比，優(yōu)化后長度縮減達(dá)76.67%，小于列車斷電滑行距離，當(dāng)?shù)孛孀詣舆^分相系統(tǒng)故障時，司機人工操控列車能夠安全通過。中性區(qū)簡化結(jié)構(gòu)形式示意圖見圖10。

圖10 中性區(qū)簡化結(jié)構(gòu)形式示意圖

5 結(jié)語

中性區(qū)是地面自動過分相系統(tǒng)的重要組成部分，其設(shè)置是否合理將直接影響列車過分相時的行車安全及運營效率。神朔鐵路現(xiàn)有中性區(qū)按照萬噸重載運煤專列“同收同放”極限需求設(shè)計，長度超過1.2 km，構(gòu)成復(fù)雜，故障點多，且存在列車無法滑行通過、停于分相區(qū)救援困難等一系列問題。為此，本文全面分析了地面自動過分相系統(tǒng)原理、構(gòu)成及中性區(qū)的設(shè)計原則，提出了一種基于“電流加計軸”和“雙激光雷達(dá)”的中部機車雙重檢測方案，優(yōu)化了系統(tǒng)控制邏輯，可顯著縮短各種復(fù)雜編組列車對于中性區(qū)長度的要求，并對現(xiàn)有中性區(qū)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡化。通過設(shè)計優(yōu)化，中性區(qū)長度縮減超900 m；當(dāng)?shù)孛孀詣舆^分相系統(tǒng)故障時，列車能夠在人工控制方式下滑行通過，無需中斷行車和越區(qū)供電，有效降低對線路運能的影響，而且也相應(yīng)減少了地面自動過分相系統(tǒng)的等效負(fù)荷，有利于今后系統(tǒng)小型化和簡統(tǒng)化發(fā)展。同時，隨著地面自動過分相系統(tǒng)在電氣化鐵路進(jìn)一步推廣應(yīng)用，對于存在類似復(fù)雜編組方式的客貨混運、高低速列車混跑、重載鐵路等其他線路中性區(qū)設(shè)計，本文研究內(nèi)容也具有重要的指導(dǎo)意義。