溫建民，王幫田，方志國(guó)

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，武漢 430063)

鐵道部在2007年全國(guó)鐵路科技大會(huì)上明確指出，突破鐵路發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)“瓶頸”，從大規(guī)模鐵路建設(shè)看，建設(shè)世界一流水平的客運(yùn)專線，必須下力量深化高速鐵路建設(shè)及運(yùn)營(yíng)管理等領(lǐng)域的基礎(chǔ)理論研究和一些關(guān)鍵技術(shù)的提升。自動(dòng)過分相技術(shù)是牽引供電技術(shù)方面的關(guān)鍵技術(shù)之一。我國(guó)人口基數(shù)龐大，特別在春運(yùn)期間，客流量大，發(fā)車間隔時(shí)間短，需要?jiǎng)榆嚱M在行駛過程中盡可能不要因?yàn)檫^分相而減速。我國(guó)城市分布的特點(diǎn)與日本及歐洲各國(guó)均有很大不同，表現(xiàn)為客運(yùn)專線網(wǎng)規(guī)模大，主要城市間距離長(zhǎng)，北京、上海、廣州和武漢4個(gè)客運(yùn)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(guó)區(qū)域間主要城市的旅行時(shí)間要遠(yuǎn)大于日本和歐洲國(guó)家，因此，大量開行長(zhǎng)行程高速列車將是我國(guó)客運(yùn)專線的重要特點(diǎn)。長(zhǎng)行程高速列車的過分相點(diǎn)多，現(xiàn)有的車載過分相方案，列車動(dòng)力丟失明顯，不能最大限度地壓縮運(yùn)行時(shí)間，高速列車的維護(hù)工作量大、維護(hù)停運(yùn)時(shí)間長(zhǎng);需要有新的自動(dòng)過分相方案，滿足高速列車動(dòng)力丟失少、壓縮運(yùn)行時(shí)間及降低高速列車的維護(hù)工作量、減少維護(hù)停運(yùn)時(shí)間的需求。

1 國(guó)內(nèi)外自動(dòng)過分相系統(tǒng)方案

1.1 國(guó)外的自動(dòng)過分相方案

1.1.1 車載式自動(dòng)過分相方案

車載式自動(dòng)過分相以法國(guó)、德國(guó)、英國(guó)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(jié)構(gòu)形式，但電力機(jī)車通過分相區(qū)時(shí)，都是通過車上主斷路器的分合來實(shí)現(xiàn)接觸網(wǎng)不同相位電源的轉(zhuǎn)換。

(1)主要優(yōu)點(diǎn):過分相區(qū)后能自動(dòng)控制電流上升率，對(duì)列車運(yùn)行造成的沖擊比較小，提高了乘客的舒適度;預(yù)告信號(hào)的檢測(cè)采用了2套冗余，使用較可靠;無需人工干預(yù);可以適應(yīng)多弓的列車。

(2)主要缺點(diǎn):機(jī)車上有一段時(shí)間是斷電的，且斷電時(shí)間長(zhǎng)，而斷電時(shí)間的長(zhǎng)短與通過速度有關(guān);有可能人為失效造成漏檢，發(fā)生拉弧等行車事故;機(jī)車上因過分相需切換的設(shè)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(guān)自動(dòng)過分相方案

(1)典型方案系統(tǒng)(圖1)。

(2)運(yùn)用介紹:地面帶電自動(dòng)過分相系統(tǒng)技術(shù)由列車識(shí)別、邏輯控制、操作執(zhí)行、遠(yuǎn)動(dòng)監(jiān)控、接觸網(wǎng)相分段轉(zhuǎn)換區(qū)、機(jī)車兼容6個(gè)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(dòng)過分相的國(guó)家［3］，1961年開始研制空氣型過分相開關(guān)，1972年在山陽(yáng)新干線投入運(yùn)營(yíng)，1980年?yáng)|北、上越以及東海道新干線路均采用了真空開關(guān)。

(3)主要優(yōu)點(diǎn):停電時(shí)間短，容易保持列車的速度;不需要車載長(zhǎng)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(diǎn):一次性投入較高;對(duì)過分相開關(guān)的性能要求高。

接觸網(wǎng)供電電源通過過分相開關(guān)自動(dòng)轉(zhuǎn)換，僅與列車運(yùn)行的位置相關(guān)，不受列車運(yùn)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(yùn)專線，對(duì)提高列車速度，壓縮區(qū)段運(yùn)行時(shí)間，提高綜合運(yùn)輸能力，效益明顯。

1.2 國(guó)內(nèi)自動(dòng)過分相方案

1.2.1 車載式自動(dòng)過分相方案

廣深線200 km/h電氣化鐵路為適應(yīng)直通九龍的需要，采用了地面磁鐵傳感、車上自動(dòng)轉(zhuǎn)換式過分相裝置，全線上、下行共設(shè)5套。轉(zhuǎn)換裝置由接觸網(wǎng)、地面磁鐵和車上接收及控制設(shè)備組成。當(dāng)機(jī)車通過磁鐵時(shí)，感應(yīng)器接收到信號(hào)，由感應(yīng)器向機(jī)車微機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)送110 V電平的預(yù)告信號(hào)。機(jī)車微機(jī)控制系統(tǒng)在收到該預(yù)告信號(hào)后延遲一定時(shí)間，向感應(yīng)器發(fā)出一個(gè)20 ms寬、110 V電平的復(fù)位信號(hào)，使感應(yīng)器復(fù)位，預(yù)告信號(hào)消失。延遲時(shí)間主要考慮完成對(duì)預(yù)告信號(hào)的確認(rèn)、封鎖觸發(fā)脈沖、等待電機(jī)電流衰減、斷開主斷路器和一定裕度，延時(shí)時(shí)間不能過長(zhǎng)，必須保證機(jī)車開始進(jìn)入分相區(qū)時(shí)使感應(yīng)器復(fù)位，以便進(jìn)行下一次檢測(cè)。當(dāng)機(jī)車駛離分相區(qū)時(shí)，感應(yīng)器也相應(yīng)動(dòng)作，機(jī)車在經(jīng)過同樣延時(shí)后，再次使感應(yīng)器復(fù)位，而這一次感應(yīng)器所發(fā)的信號(hào)只是為了線路上車輛反向行駛的需要才設(shè)置的。

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

1.2.2 地面開關(guān)自動(dòng)過分相方案

我國(guó)也在進(jìn)行積極研究地面開關(guān)自動(dòng)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(jī)車不斷電過分相裝置。該裝置在分相附近設(shè)地面開關(guān)站，通過軌道信號(hào)和控制回路實(shí)現(xiàn)真空斷路器的自動(dòng)開斷。

目前此方案僅在普鐵有小批運(yùn)用，開關(guān)壽命不夠長(zhǎng)，更換周期短。

鑒于國(guó)內(nèi)外自動(dòng)過分相的現(xiàn)狀，結(jié)合我國(guó)客運(yùn)專線自動(dòng)過分相的實(shí)際需求，開展我國(guó)客運(yùn)專線自動(dòng)過分相系統(tǒng)的方案研究勢(shì)在必行，本文提出了動(dòng)車組不分閘地面自動(dòng)過分相系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱地面自動(dòng)過分相系統(tǒng))的解決方案。

2 地面自動(dòng)過分相系統(tǒng)的解決方案

2.1 地面自動(dòng)過分相系統(tǒng)構(gòu)成(圖2)

由2臺(tái)過分相開關(guān)(401/403)組成一組過分相開關(guān)組，開關(guān)組與接觸網(wǎng)和中性段采用3臺(tái)單極斷路器(411/412/413)連接，采用2組過分相開關(guān)冗余設(shè)計(jì)，當(dāng)一組開關(guān)故障、正?；驒z修時(shí)，自動(dòng)切換到另一組開關(guān)(405/407、421/423/425)運(yùn)行。

圖2 地面自動(dòng)過分相系統(tǒng)構(gòu)成

2.2 地面自動(dòng)過分相系統(tǒng)工作原理

考慮雙向行車，以左側(cè)來車為例，處于運(yùn)行的開關(guān)組(以 411/413/415、401/403開關(guān)組為例)斷路器411/413/415處于合狀態(tài)，過分相開關(guān)401、403均斷開，中性段不帶電，當(dāng)機(jī)車駛?cè)肫鹗紮z測(cè)區(qū)間，合上401開關(guān)，中性段帶A相電源，當(dāng)機(jī)車駛?cè)肭袚Q區(qū)間，斷開401，合上403，中性段帶B相電，當(dāng)機(jī)車出清末端檢測(cè)區(qū)間，斷開403，完成一次自動(dòng)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(dòng)過分相系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

地面自動(dòng)過分相系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)主要有計(jì)軸位置檢測(cè)技術(shù)、控制保護(hù)技術(shù)、長(zhǎng)壽命過分相開關(guān)技術(shù)、操作過電壓抑制技術(shù)等，其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 地面自動(dòng)過分相系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)

2.3.1 計(jì)軸位置檢測(cè)技術(shù)

微機(jī)計(jì)軸設(shè)備由室內(nèi)設(shè)備(計(jì)軸運(yùn)算單元、電源、防雷組合)及室外設(shè)備車輪傳感器、車輪電子檢測(cè)器(EAK)及與站內(nèi)其他設(shè)備連接的結(jié)合電路等組成。

微機(jī)計(jì)軸列車位置檢測(cè)系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 微機(jī)計(jì)軸列車位置檢測(cè)系統(tǒng)框圖

由圖3看出，車輪傳感器J1J2J3與J1'J2'J3'在兩個(gè)鋼軌上布置，J1J2構(gòu)成信號(hào)A段，J2J3構(gòu)成信號(hào)B段，J1'J2'構(gòu)成信號(hào) A'段，J2'J3'構(gòu)成信號(hào) B'段，同時(shí)采集占用和方向信號(hào);由此構(gòu)成三雙信號(hào)系統(tǒng)，即雙段、雙信號(hào)(占用和方向)、雙套系統(tǒng)。系統(tǒng)由室內(nèi)設(shè)備、室外設(shè)備和其之間的傳輸電纜組成，室外檢測(cè)設(shè)備通過電磁傳感器檢測(cè)車輪通過檢測(cè)點(diǎn)的信息，并通過電纜傳輸?shù)街鳈C(jī)柜中由運(yùn)算單元進(jìn)行邏輯判斷，運(yùn)算結(jié)果通過繼電器轉(zhuǎn)換為接點(diǎn)狀態(tài)輸出。

這種微機(jī)計(jì)軸列車位置檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)檢測(cè)的軸脈沖處理采用2取2安全計(jì)算機(jī)處理模式，確保安全;系統(tǒng)設(shè)計(jì)按故障－安全原則設(shè)計(jì)，具有極高的可靠性;傳感器和主設(shè)備間供電和信息傳輸采用恒流傳輸，受干擾影響小;檢測(cè)區(qū)段運(yùn)算單元獨(dú)立，運(yùn)算單元故障影響面小;每個(gè)檢測(cè)區(qū)段均設(shè)有相應(yīng)的復(fù)零按鈕，對(duì)設(shè)備的復(fù)零操作簡(jiǎn)便;系統(tǒng)采用星型網(wǎng)方式連接，對(duì)傳輸干擾有較強(qiáng)的抵抗能力;室外檢測(cè)點(diǎn)連接簡(jiǎn)單，且不需要設(shè)置地線。

2.3.2 控制、保護(hù)技術(shù)

系統(tǒng)包括遠(yuǎn)動(dòng)通信單元、當(dāng)?shù)乇O(jiān)控單元、開關(guān)所保護(hù)裝置、開關(guān)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(yuǎn)動(dòng)通信單元、借助變電所或分區(qū)所的遠(yuǎn)動(dòng)通道與SCADA調(diào)度所系統(tǒng)交互遙測(cè)、遙信、遙控等信息。

系統(tǒng)設(shè)置2套過分相控制裝置，當(dāng)投入的控制裝置出現(xiàn)自檢故障或掉電時(shí)能自動(dòng)切換到備用控制裝置，確保過分相系統(tǒng)繼續(xù)安全運(yùn)行。主要功能如下所述。

(1)接受從列車位置檢測(cè)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(guān)的合、分，從而把過分相區(qū)兩側(cè)的電源依次導(dǎo)入中性段，使動(dòng)車組能夠不分閘過分相。

(2)在檢測(cè)到開關(guān)系統(tǒng)故障信號(hào)時(shí)(比如開關(guān)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(guān)系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行，并閉鎖本套開關(guān)系統(tǒng)。

(3)能夠及時(shí)檢測(cè)到列車位置檢測(cè)系統(tǒng)(計(jì)軸信號(hào))是否正常，檢測(cè)到不正常時(shí)，能對(duì)其進(jìn)行復(fù)歸并把此信息上傳監(jiān)控后臺(tái)。

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

開關(guān)切換控制器采用最小化故障影響設(shè)計(jì)原則，當(dāng)發(fā)生開關(guān)分合失敗將開關(guān)系統(tǒng)切換到備用系統(tǒng)。如果2套開關(guān)系統(tǒng)都失效時(shí)，實(shí)時(shí)通知變電所跳開兩側(cè)供電臂的饋線開關(guān)。

系統(tǒng)設(shè)置2套過分相保護(hù)裝置，按照差流速斷保護(hù)原理設(shè)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(hào)過分相保護(hù)裝置保護(hù)1號(hào)開關(guān)系統(tǒng);2號(hào)過分相保護(hù)裝置保護(hù)2號(hào)開關(guān)系統(tǒng)。

2.3.3 長(zhǎng)壽命過分相開關(guān)技術(shù)

過分相開關(guān)作為高速鐵路地面過分相系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，要求有可靠性高、長(zhǎng)壽命的特點(diǎn)，且具有開斷、關(guān)合負(fù)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(duì)接區(qū)間的電源。

本系統(tǒng)采用VSW-30MS型過分相開關(guān)，其主回路采用高性能真空滅弧室，布置方式采用雙斷口結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)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(guān)具有優(yōu)異的絕緣性能和滅弧性能。機(jī)械壽命達(dá)到30萬次，電氣壽命達(dá)到15萬次。開關(guān)5萬次操作為一個(gè)檢修周期，檢修周期長(zhǎng)，檢修方便易操作。

采用電磁操作結(jié)構(gòu)，大大減少了開關(guān)的零部件，保證了機(jī)械傳動(dòng)部分的長(zhǎng)壽命;采用兩段操作線圈結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)操作電流小和動(dòng)作時(shí)間短的特性，主要技術(shù)參數(shù)如表2所示。

2.3.4 操作過電壓抑制技術(shù)

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(dòng)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(dòng)車組主回路絕緣水平、降低諧振點(diǎn)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(zhǎng)壽命過分相開關(guān)技術(shù)參數(shù)

圖4 操作過電壓抑制系統(tǒng)

在中國(guó)鐵道科學(xué)研究院東郊分院試驗(yàn)中心對(duì)CRH2動(dòng)車進(jìn)行在線試驗(yàn)，從試驗(yàn)中測(cè)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(jí))如圖5所示。

圖5 操作過電壓典型波形

2.4 地面自動(dòng)過分相系統(tǒng)的技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)

過分相關(guān)鍵技術(shù)難題的解決，讓我們具備了研究、設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)驗(yàn)證地面自動(dòng)過分相系統(tǒng)的能力，并創(chuàng)造了多項(xiàng)世界第一。世界上第一個(gè)能滿足單軌雙向行車的過分相系統(tǒng)，第一個(gè)能滿足列車在中性段進(jìn)行折返運(yùn)行的過分相系統(tǒng)，第一個(gè)具有自我保護(hù)功能的過分相系統(tǒng)，第一個(gè)采用三雙(雙段+雙信號(hào)+雙套)計(jì)軸信號(hào)系統(tǒng)方案用于列車位置檢測(cè)的過分相系統(tǒng)。

3 地面自動(dòng)過分相系統(tǒng)的試驗(yàn)研究

此方案在中國(guó)鐵道科學(xué)研究院北京環(huán)鐵試驗(yàn)基地進(jìn)行了離線試驗(yàn)、靜態(tài)沖擊試驗(yàn)、在線工況試驗(yàn)、故障場(chǎng)景在線模擬試驗(yàn)和在線穩(wěn)定性試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，機(jī)車在以上運(yùn)行工況條件下，ANS系統(tǒng)能夠按照既定程序可靠動(dòng)作，各種技術(shù)參數(shù)正常，運(yùn)行良好;合分閘引起的切換過電壓未造成對(duì)機(jī)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(hù)誤動(dòng)。

當(dāng)投入的地面自動(dòng)過分相系統(tǒng)出現(xiàn)單一開關(guān)故障時(shí)，該系統(tǒng)能及時(shí)準(zhǔn)確切換到備用開關(guān)系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行，機(jī)車、接觸網(wǎng)、變電所均未出現(xiàn)異常;當(dāng)雙套系統(tǒng)均出現(xiàn)故障時(shí)能迅速給出切除接觸網(wǎng)兩端供電臂電源的信號(hào)，機(jī)車、接觸網(wǎng)、變電所也均未出現(xiàn)異常。

4 地面自動(dòng)過分相系統(tǒng)的運(yùn)用

本系統(tǒng)在烏龍泉變電所試運(yùn)行，對(duì)原接觸網(wǎng)進(jìn)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(dòng)過分相試運(yùn)行系統(tǒng)

試運(yùn)行期間有單編組動(dòng)車、雙編組動(dòng)車及工程車等不同車型通過的機(jī)車過分相區(qū);車速?gòu)?0 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(yùn)專線新烏龍泉牽引變電所(上行線)投入離線試運(yùn)行3個(gè)月以來，能夠按照既定程序可靠動(dòng)作，各種技術(shù)參數(shù)正常。

5 結(jié)語

高速鐵路地面自動(dòng)過分相系統(tǒng)技術(shù)的研究與運(yùn)用，解決了高速列車過分相時(shí)動(dòng)力丟失較多、運(yùn)行時(shí)間被延長(zhǎng)的難題，動(dòng)車組過分相失電間隔時(shí)間降低到300 ms左右，且與動(dòng)車組的速度無關(guān);動(dòng)車組過分相時(shí)主開關(guān)不分閘，大大降低了動(dòng)車組主開關(guān)的維護(hù)工作量，列車維護(hù)停運(yùn)時(shí)間縮短，并在列車位置檢測(cè)信號(hào)技術(shù)、自動(dòng)控制保護(hù)技術(shù)等方面有多項(xiàng)創(chuàng)新，為我國(guó)高速鐵路地面自動(dòng)過分相系統(tǒng)技術(shù)的深入研究提供借鑒。

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