楊 浩，韓正慶，崔建強(qiáng)

0 引言

為了減少牽引負(fù)荷給電力系統(tǒng)帶來(lái)的負(fù)序影響，國(guó)內(nèi)電氣化鐵道牽引變電所采用輪換接線，分段換相的接線方式。無(wú)論是直供、AT供電或者BT供電方式，在變電所的出口處和分區(qū)所都無(wú)可避免地要設(shè)置電分相。從目前國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀來(lái)看，機(jī)車(chē)通過(guò)電分相的技術(shù)方案主要有3種：地面開(kāi)關(guān)自動(dòng)切換方案、柱上開(kāi)關(guān)自動(dòng)斷電方案、車(chē)載自動(dòng)控制斷電方案[1～3]。

隨著國(guó)內(nèi)高速鐵路的不斷發(fā)展，自動(dòng)過(guò)電分相的技術(shù)也在日益成熟。國(guó)內(nèi)的高速鐵路線路在通過(guò)電分相時(shí)主要采用車(chē)載自動(dòng)控制斷電方案，京滬高速鐵路為了滿足時(shí)速 350 km的世界最高運(yùn)營(yíng)速度，采用了動(dòng)車(chē)組不分閘過(guò)電分相技術(shù)。所謂動(dòng)車(chē)組不分閘過(guò)電分相技術(shù)是指：在地面自動(dòng)過(guò)電分相系統(tǒng)的配合下，動(dòng)車(chē)組不分開(kāi)車(chē)上主斷路器，帶負(fù)荷通過(guò)電分相的運(yùn)行技術(shù)[4]。

動(dòng)車(chē)組不分閘自動(dòng)過(guò)電分相系統(tǒng)主要由中性段、機(jī)車(chē)位置檢測(cè)裝置、切換控制裝置和切換斷路器4個(gè)部分組成。當(dāng)動(dòng)車(chē)組進(jìn)入電分相的中性段之前，由機(jī)車(chē)位置檢測(cè)裝置發(fā)出機(jī)車(chē)位置信號(hào)，切換控制裝置收到位置信號(hào)后控制相應(yīng)的切換斷路器合分。考慮到切換斷路器在切換過(guò)程中可能出現(xiàn)的拒動(dòng)和誤動(dòng)，還有開(kāi)關(guān)檢修，因而采取了不同的開(kāi)關(guān)設(shè)置方案。本文就3種常見(jiàn)的電分相處的接線方案進(jìn)行對(duì)比分析，并給出選取建議。

1 自動(dòng)過(guò)電分相的工作原理

地面開(kāi)關(guān)自動(dòng)切換過(guò)電分相是當(dāng)機(jī)車(chē)經(jīng)過(guò)電分相時(shí)，通過(guò)預(yù)埋在地上的傳感器 CG1—CG4檢測(cè)機(jī)車(chē)的位置信號(hào)，并控制其相應(yīng)的真空斷路器的分合，實(shí)現(xiàn)電分相兩端供電臂對(duì)電力機(jī)車(chē)輪換供電，其結(jié)構(gòu)與原理如圖1所示。當(dāng)沒(méi)有電力機(jī)車(chē)經(jīng)過(guò)時(shí)，QF1處于合位，QF2分位。當(dāng)機(jī)車(chē)經(jīng)過(guò)CG1時(shí)，中性段由α相供電；當(dāng)機(jī)車(chē)行駛到CG2尚未到達(dá)CG3時(shí)，傳感器CG2控制QF1分位，QF2合位，此時(shí)中性段改由β相供電；當(dāng)機(jī)車(chē)駛離CG4時(shí)，傳感器CG4控制QF1合位，QF2分位，真空斷路器QF1和QF2恢復(fù)到?jīng)]有機(jī)車(chē)經(jīng)過(guò)時(shí)的狀態(tài)。機(jī)車(chē)反向行駛時(shí)的過(guò)程與上述過(guò)程類似。

圖1 地面開(kāi)關(guān)自動(dòng)切換方案示意圖

2 機(jī)車(chē)位置檢測(cè)方案

由上述原理可知，動(dòng)車(chē)組在通過(guò)電分相時(shí)，需要對(duì)動(dòng)車(chē)組位置給出準(zhǔn)確的判斷，進(jìn)而由切換控制裝置向切換開(kāi)關(guān)發(fā)出動(dòng)作命令。然而考慮到不同的路況，比如橋梁、隧道、坡道或者駝峰場(chǎng)等，又有客運(yùn)專線，貨運(yùn)專線，高速鐵路專線線路的不同，并結(jié)合國(guó)內(nèi)不同地區(qū)的氣候環(huán)境和地理特點(diǎn)，因而在對(duì)機(jī)車(chē)位置檢測(cè)時(shí)采取了不同的方案。

2.1 軌道電路檢測(cè)方案

軌道電路檢測(cè)方案工作原理：軌道電路以2條鋼軌為導(dǎo)線，通過(guò)設(shè)置絕緣節(jié)使得信號(hào)電流只能在一定長(zhǎng)度內(nèi)流通，在該段長(zhǎng)度內(nèi)一端接上軌道電源，一端接上軌道繼電器，形成一個(gè)軌道檢測(cè)回路，傳遞列車(chē)對(duì)軌道的占用信息[5，6]。

軌道電路檢測(cè)機(jī)車(chē)位置的方案主要應(yīng)用于客運(yùn)專線，ZPW-2000A移頻軌道電路信息量大，具有濾波特性，不易受環(huán)境影響，被廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)新型高速鐵路。該方案與軌道關(guān)聯(lián)密切，對(duì)軌道周?chē)沫h(huán)境敏感度不高，技術(shù)成熟，因而適用于新型客運(yùn)專線和高速鐵路專線。

2.2 計(jì)軸設(shè)備檢測(cè)方案

計(jì)軸設(shè)備由電源、雙磁頭傳感器、采集板、計(jì)軸板繼電器輸出單元和計(jì)軸器復(fù)位單元組成。其工作原理：在鋼軌兩側(cè)安裝計(jì)軸設(shè)備，檢測(cè)列車(chē)通過(guò)線路上某一計(jì)軸點(diǎn)的車(chē)軸數(shù)，通過(guò)計(jì)算2個(gè)計(jì)軸點(diǎn)的輪軸數(shù)，判斷軌道區(qū)段的占用情況[7，8]。

計(jì)軸設(shè)備安裝簡(jiǎn)單，軌道區(qū)段長(zhǎng)度不受設(shè)備本身限制，脫離了鋼軌媒介，不受鋼軌表面清潔度影響，沒(méi)有軌道電路存在的“死區(qū)段”。但該設(shè)備易受金屬物干擾，且工程造價(jià)相對(duì)較高。計(jì)軸設(shè)備檢測(cè)技術(shù)較為成熟，在國(guó)內(nèi)外已有很多成功的應(yīng)用先例，因而可以廣泛用于客運(yùn)專線和高速鐵路。

2.3 其他檢測(cè)方案

除了上述2種常用的機(jī)車(chē)位置檢測(cè)方案外，目前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用的檢測(cè)方案還有雷達(dá)系統(tǒng)位置檢測(cè)、紅外線系統(tǒng)位置檢測(cè)、光幕設(shè)備位置檢測(cè)以及射頻接觸卡位置檢測(cè)。

其中雷達(dá)系統(tǒng)位置檢測(cè)主要用于駝峰場(chǎng)測(cè)速，紅外線系統(tǒng)位置檢測(cè)主要用于貨車(chē)低速檢測(cè)，射頻接觸卡位置檢測(cè)主要用于部分貨運(yùn)列車(chē)。但是目前上述技術(shù)尚不成熟，有待進(jìn)一步研究與改進(jìn)，結(jié)合國(guó)內(nèi)各地區(qū)地理特點(diǎn)和環(huán)境因素可以參考使用。

3 切換開(kāi)關(guān)的電氣主接線

3.1 第1種接線方案

第1種切換開(kāi)關(guān)電氣主接線方案如圖2所示，它的主要設(shè)備包括：2套切換監(jiān)控裝置（執(zhí)行過(guò)電分相程序）；4臺(tái)單極斷路器（CB11、CB12、CB21、CB22，執(zhí)行切換）；6臺(tái)單極斷路器（CB1—CB6，切換故障時(shí)強(qiáng)斷）；保護(hù)裝置（配以電流速斷保護(hù)）；計(jì)軸裝置（檢測(cè)動(dòng)車(chē)組位置）；CR裝置（限制過(guò)電壓）；6臺(tái)避雷器（限制雷電）；2 km高壓電纜；附件、箱體。

（1）可以采用圓弧邊分析法。所謂3點(diǎn)決定一個(gè)圓，1994年7月的325點(diǎn)、2005年6月的998點(diǎn)及2013年6月的1849點(diǎn)可作一圓弧邊，大致上支撐了2018年10月的2449點(diǎn)。但如今又再度接近此圓弧線，恐怕跌破的機(jī)會(huì)大一些。

圖2 第1種切換開(kāi)關(guān)電氣主接線方案示意圖

第1種方案的投資約為500萬(wàn)，其特點(diǎn)是地面冗余配置，兩側(cè)供電臂不用停電。

下面就不同工況下，各種開(kāi)關(guān)的分合狀況進(jìn)行討論：

（1）工況 1，正常運(yùn)營(yíng)情況下，動(dòng)車(chē)組正向運(yùn)行。動(dòng)車(chē)組進(jìn)入電分相之前，CB1、CB2、CB3和CB11處于合位狀態(tài)，其余開(kāi)關(guān)處于分位狀態(tài)，此時(shí)，中性線由左邊供電臂α相供電，動(dòng)車(chē)組進(jìn)入中性線后，由切換監(jiān)控裝置控制CB11分閘，經(jīng)過(guò)300 ms的延時(shí)控制CB21合閘，此時(shí)中性線由右邊供電臂β相供電。動(dòng)車(chē)組通過(guò)電分相后，所有開(kāi)關(guān)恢復(fù)到動(dòng)車(chē)組進(jìn)電分相之前的狀態(tài)。

（2）工況2，動(dòng)車(chē)組進(jìn)入中性區(qū)，CB11拒分。此時(shí)單極斷路器CB1—CB3強(qiáng)斷，合CB4—CB6，再合上CB22。

（3）工況3，動(dòng)車(chē)組進(jìn)入中性區(qū)，CB11拒分，CB22拒合，此時(shí)單極斷路器CB1—CB6全部強(qiáng)斷。

（4）工況4，動(dòng)車(chē)組進(jìn)入中性區(qū)，CB11分閘后，CB21拒合。此時(shí)單極斷路器CB1—CB3強(qiáng)斷，合CB4—CB6，再合上CB22。

（5）工況5，裝置檢修狀態(tài)。單極斷路器CB1—CB6全部強(qiáng)斷，僅CB11合閘。

（6）工況 6，機(jī)車(chē)進(jìn)入中性段后停車(chē)。單極斷路器CB1—CB6全部強(qiáng)斷，僅CB11合閘，合上右邊的隔離開(kāi)關(guān) GK2，使滯留在中性線的機(jī)車(chē)受電駛離中性線。

3.2 第2種接線方案

圖3 第2種切換開(kāi)關(guān)電氣主接線方案示意圖

第2種方案的投資約為450萬(wàn)，特點(diǎn)是地面開(kāi)關(guān)切換過(guò)電分相技術(shù)與車(chē)載自動(dòng)斷電過(guò)電分相技術(shù)相配合，當(dāng)?shù)孛骈_(kāi)關(guān)發(fā)生雙重切換故障時(shí)，啟動(dòng)車(chē)載自動(dòng)斷電過(guò)電分相，兩側(cè)供電臂不用停電，避免了機(jī)車(chē)帶電闖電分相。

不同工況下，各種開(kāi)關(guān)的分合狀況如下：

（1）工況 1，正常運(yùn)營(yíng)情況下，動(dòng)車(chē)組正向運(yùn)行。動(dòng)車(chē)組進(jìn)入電分相之前，CB1、CB2、CB3和CB11處于合位，其余開(kāi)關(guān)處于分位狀態(tài)，此時(shí)，中性線由左邊供電臂α相供電，動(dòng)車(chē)組進(jìn)入中性線后，由切換監(jiān)控裝置控制CB11分閘，經(jīng)過(guò)300 ms的延時(shí)控制CB21合閘，此時(shí)中性線由右邊供電臂β相供電。動(dòng)車(chē)組通過(guò)電分相后，所有開(kāi)關(guān)恢復(fù)到動(dòng)車(chē)組進(jìn)入電分相之前的狀態(tài)。

（2）工況2，動(dòng)車(chē)組進(jìn)入中性區(qū)，CB11拒分。此時(shí)單極斷路器CB1強(qiáng)斷，再合上CB21，使中性線由右邊供電臂β相供電。

（3）工況3，動(dòng)車(chē)組進(jìn)入中性區(qū)，CB1、CB11拒分。此時(shí)，單極斷路器 CB2強(qiáng)斷，其余開(kāi)關(guān)不動(dòng)作。

（4）工況4，動(dòng)車(chē)組進(jìn)入中性區(qū)，CB11分閘后，CB21拒合。此時(shí)，單極斷路器CB22合閘。

（5）工況5，裝置檢修狀態(tài)。單極斷路器CB1—CB3全部強(qiáng)斷，僅CB11合閘。

（6）工況 6，機(jī)車(chē)進(jìn)入中性段后停車(chē)。單極斷路器全部強(qiáng)斷。合上右邊的隔離開(kāi)關(guān) GK2，使滯留在中性線的機(jī)車(chē)受電駛離中性線。

3.3 第3種接線方案

第3種切換開(kāi)關(guān)電氣主接線方案如圖4所示，它的主要設(shè)備包括：2套切換監(jiān)控裝置；4臺(tái)單極斷路器（CB11、CB12、CB21、CB22）；1 套連接柜（聯(lián)跳臨所）；2臺(tái)三極手動(dòng)隔離開(kāi)關(guān)（G1、G2）；保護(hù)裝置；軌道電路（檢測(cè)動(dòng)車(chē)組位置）；CR裝置；6臺(tái)避雷器（限制雷電）；2 km高壓電纜；附件、箱體。

圖4 第3種切換開(kāi)關(guān)電氣主接線方案示意圖

第3種方案的投資約為500萬(wàn)，特點(diǎn)是地面冗余配置，切換故障則自動(dòng)使兩側(cè)供電臂短時(shí)失電，并切換到備用機(jī)。

不同工況下，各種開(kāi)關(guān)的分合狀況如下：

（1）工況 1，正常運(yùn)營(yíng)情況下，動(dòng)車(chē)組正向運(yùn)行。動(dòng)車(chē)組進(jìn)入電分相之前，三極手動(dòng)隔離開(kāi)關(guān)G1處于合位，CB11合位，其余開(kāi)關(guān)處于分位狀態(tài)，此時(shí)，中性線由左邊供電臂α相供電。動(dòng)車(chē)組進(jìn)入中性線后，由切換監(jiān)控裝置控制CB11分閘，經(jīng)過(guò)300 ms的延時(shí)控制CB21合閘，此時(shí)，中性線由右邊供電臂β相供電。動(dòng)車(chē)組通過(guò)電分相后，所有開(kāi)關(guān)恢復(fù)到動(dòng)車(chē)組進(jìn)電分相之前的狀態(tài)。

（2）工況2，動(dòng)車(chē)組進(jìn)入中性區(qū)，CB11拒分。此時(shí)，三極手動(dòng)隔離開(kāi)關(guān) G1分，合 G2，再合上CB22，使中性線由右邊供電臂β相供電。

（3）工況3，動(dòng)車(chē)組進(jìn)入中性區(qū)，CB11拒分，CB22拒合。此時(shí)，G1分，G2分。

（4）工況4，動(dòng)車(chē)組進(jìn)入中性區(qū)，CB11分閘后，CB21拒合。此時(shí)三極手動(dòng)隔離開(kāi)關(guān)G1分，合上G2，再合上CB22，使中性線由右邊供電臂β相供電。

（5）工況 5，裝置檢修狀態(tài)。三極手動(dòng)隔離開(kāi)關(guān)G1、G2處于分位狀態(tài)。僅CB11合閘。

（6）工況 6，機(jī)車(chē)進(jìn)入中性段后停車(chē)。三極手動(dòng)隔離開(kāi)關(guān)G1、G2處于分位狀態(tài)。合上右邊的隔離開(kāi)關(guān) GK2，使滯留在中性線的機(jī)車(chē)受電駛離中性線。

上述3種主接線方案對(duì)比分析見(jiàn)表1所示。

表1 切換開(kāi)關(guān)電氣主接線3種方案對(duì)比分析表

4 分析結(jié)論

動(dòng)車(chē)組不分閘過(guò)電分相技術(shù)中，對(duì)機(jī)車(chē)位置進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，計(jì)軸設(shè)備脫離了鋼軌媒介，對(duì)環(huán)境的敏感度不高，抗干擾能力強(qiáng)，技術(shù)也比較成熟，因而推薦在高速鐵路中采用計(jì)軸設(shè)備檢測(cè)動(dòng)車(chē)組位置。

對(duì)于切換開(kāi)關(guān)的電氣主接線，第1種方案的優(yōu)點(diǎn)是通過(guò)配備6個(gè)單極斷路器實(shí)現(xiàn)常用—備用，設(shè)備的有效利用率高，可維護(hù)性強(qiáng)。缺點(diǎn)是采用單極斷路器切換常用—備用，切換時(shí)間會(huì)成為切換故障時(shí)的問(wèn)題。第2種方案優(yōu)點(diǎn)是可靠性高，當(dāng)?shù)孛骈_(kāi)關(guān)切換出現(xiàn)雙重切換故障時(shí)，轉(zhuǎn)為動(dòng)車(chē)組斷電過(guò)電分相，避免了動(dòng)車(chē)組帶電闖電分相。缺點(diǎn)是雙重切換故障或整體檢修時(shí)需要車(chē)載應(yīng)答器斷開(kāi)動(dòng)車(chē)組主斷路器。第3種方案優(yōu)點(diǎn)是依靠準(zhǔn)確的故障檢出和停電處理實(shí)現(xiàn)極少的越區(qū)事故。缺點(diǎn)是和兩相鄰的牽引變電所的關(guān)聯(lián)密切，是大規(guī)模的系統(tǒng)。從工程造價(jià)來(lái)看，第2種方案要較為便宜，所需的開(kāi)關(guān)數(shù)量相對(duì)較少，但是動(dòng)車(chē)組檢測(cè)裝置需要配備1套動(dòng)車(chē)組應(yīng)答器。

正常運(yùn)行時(shí)，3種方案下動(dòng)車(chē)組都會(huì)有300 ms的短時(shí)失電，故障時(shí) 3種方案的停電時(shí)間略有不同。第1種方案和第2種方案對(duì)牽引供電系統(tǒng)的影響可以不予考慮，但第2種方案需要與車(chē)輛協(xié)調(diào)配合，第3種方案發(fā)生故障時(shí)需要將兩側(cè)相鄰的變電所停電。綜合各方面來(lái)看，結(jié)合國(guó)內(nèi)高速鐵路的實(shí)際情況，以及第1種方案在國(guó)內(nèi)成功應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，故推薦切換開(kāi)關(guān)的電氣主接線采用第1種方案。

[1]嚴(yán)云升.電力機(jī)車(chē)自動(dòng)過(guò)分相方案的探討[J].機(jī)車(chē)電傳動(dòng)，1999，（6）：1-3.

[2]孫萬(wàn)啟，單圣熊，鄭國(guó)藩.國(guó)內(nèi)外自動(dòng)過(guò)分相裝置的比較[J].電氣化鐵道，2002，（2）：12-16.

[3]謝興中.電力機(jī)車(chē)過(guò)分相問(wèn)題的探討[J].上海鐵道科技，2008，（1）：1-3.

[4]韓正慶.高速鐵路動(dòng)車(chē)組不分閘過(guò)電分相動(dòng)態(tài)過(guò)程及饋線保護(hù)研究[J].學(xué)術(shù)動(dòng)態(tài)，2009，（2）：9-12.

[5]趙會(huì)兵.高速鐵路軌道電路數(shù)字仿真系統(tǒng)的研究[J].北方交通大學(xué)學(xué)報(bào)，1999，（5）：69-72.

[6]熊平，劉奇.ZPW-2000軌道電路信息傳輸仿真設(shè)計(jì)[J].電氣化鐵道，2011，22（3）：48-50.

[7]弓劍.各類電子式計(jì)軸設(shè)備工程應(yīng)用淺析[J].鐵道通信信號(hào)，2011，（6）：34-37.

[8]王力.計(jì)軸設(shè)備在軌道交通信號(hào)領(lǐng)域的應(yīng)用[J].鐵道通信信號(hào)，2011，（1）：20-22.