孫鵬程，王幫田，王其中

（許繼集團(tuán)有限公司，河南許昌461000）

鐵道部在2007年全國鐵路科技大會上明確指出，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，要建設(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，需要動車組在行駛過程中盡可能不要因?yàn)檫^分相而減速。我國城市分布的特點(diǎn)與日本及歐洲各國均有很大不同，表現(xiàn)為客運(yùn)專線網(wǎng)規(guī)模大，主要城市間距離長，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 000km范圍內(nèi)，高速列車在我國區(qū)域間主要城市的旅行時(shí)間要遠(yuǎn)大于日本和歐洲國家。因此，大量開行長行程高速列車將是我國客運(yùn)專線的重要特點(diǎn)。長行程高速列車的過分相點(diǎn)多，采用現(xiàn)有車載過分相方案，列車動力丟失明顯，不能最大限度地壓縮運(yùn)行時(shí)間，同時(shí)還存在列車維護(hù)工作量大、維護(hù)停運(yùn)時(shí)間長等問題［1］。

為解決上述矛盾，滿足我國客運(yùn)專線發(fā)展的需求，下面將從系統(tǒng)構(gòu)成、系統(tǒng)功能、工作原理及運(yùn)行試驗(yàn)等方面介紹一種新型地面自動過分相系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

新型地面自動過分相系統(tǒng)（以下簡稱“過分相系統(tǒng)”）用于交流50Hz、額定電壓27.5kV的電氣化鐵道接觸網(wǎng)分相區(qū)，具有按照既定控制程序讓動車組在車載主斷路器不分閘的工況下實(shí)現(xiàn)過分相的功能，同時(shí)具有開斷、關(guān)合負(fù)荷電流及短路電流的能力。本系統(tǒng)主要由列車位置檢測子系統(tǒng)（計(jì)軸信號）、邏輯控制子系統(tǒng)、保護(hù)子系統(tǒng)、后臺監(jiān)控子系統(tǒng)、執(zhí)行子系統(tǒng)、阻容吸收子系統(tǒng)等6大子系統(tǒng)組成，同時(shí)還配有輔助電源、防誤操作、環(huán)境監(jiān)控、照明等輔助系統(tǒng)，其系統(tǒng)構(gòu)成圖1所示。

圖1 系統(tǒng)構(gòu)成圖

2 系統(tǒng)功能

（1）依據(jù)從列車位置檢測子系統(tǒng)傳來的列車輪軸信息，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)的接觸網(wǎng)電源按照給定程序依次導(dǎo)入中性段，使列車在車載主斷路器不分閘的工況下安全過分相。

（2）在檢測到開關(guān)系統(tǒng)故障信號時(shí)（比如開關(guān)的拒合、拒分故障，絕緣故障等），能夠通過控制斷路器的合、分，及時(shí)倒換到備用開關(guān)系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行，并閉鎖本套開關(guān)系統(tǒng)，確保行車安全。

（3）能夠及時(shí)準(zhǔn)確檢測到列車位置檢測子系統(tǒng)是否正常，異常情況發(fā)生時(shí)，能及時(shí)進(jìn)行復(fù)歸并把異常信息上傳監(jiān)控后臺子系統(tǒng)，確保行車安全。

（4）當(dāng)本系統(tǒng)不可用時(shí)，能夠立即發(fā)出跳相應(yīng)牽引變電所饋線開關(guān)指令，確保行車安全。

（5）設(shè)置差流速斷保護(hù)，可以快速切除開關(guān)系統(tǒng)主回路的短路或絕緣故障，確保行車安全。

（6）設(shè)置阻容吸收子系統(tǒng)，有效降低諧振頻率、抑制過電壓，有效減小過分相切換開關(guān)操作時(shí)對機(jī)車、接觸網(wǎng)等設(shè)備的影響。

（7）設(shè)置后臺監(jiān)控子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方對過分相系統(tǒng)內(nèi)各種開關(guān)的合（或分）控制、信號復(fù)歸、邏輯控制及保護(hù)裝置的參數(shù)整定等，并能實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的報(bào)表處理、曲線顯示、實(shí)時(shí)打印等信息處理功能，能把采集到的各類信息量上傳調(diào)度，同時(shí)也能接受調(diào)度發(fā)出的指令并做相應(yīng)的處理。

（8）主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 主要技術(shù)參數(shù)

3 工作原理

401、403長壽命真空過分相開關(guān)與411、413、415單極真空斷路器組成1＃開關(guān)系統(tǒng)，405、407長壽命真空過分相開關(guān)與421、423、425單極真空斷路器組成2＃開關(guān)系統(tǒng)，形成相互完全獨(dú)立的冗余配置。當(dāng)正在運(yùn)行的一組開關(guān)系統(tǒng)出現(xiàn)故障（比如開關(guān)的拒合、拒分）或檢修時(shí)，能自動切換到另一組開關(guān)系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行，確保行車安全，同時(shí)能有效提高本系統(tǒng)可使用性（見圖2）。

圖2 工作原理圖

下面就以左側(cè)來車、投入1＃開關(guān)系統(tǒng)為例簡要說明本新型地面自動過分相系統(tǒng)的工作原理。初始狀態(tài)4121、4123、4125上網(wǎng)隔離開關(guān)及411、413、415單極真空斷路器處于合位，其他開關(guān)都處于分位，中性段不帶電。當(dāng)機(jī)車駛?cè)肓熊囆盘柌杉c(diǎn)J1、J1′時(shí)，車輪傳感器把采集到的列車輪軸信息通過數(shù)字信號電纜傳至室內(nèi)計(jì)軸主機(jī)屏，計(jì)軸主機(jī)屏對收集到的列車輪軸信息進(jìn)行處理后再發(fā)出區(qū)段AG1及AG2“占用”及“正向”信號給邏輯控制子系統(tǒng)，邏輯控制子系統(tǒng)發(fā)出合閘指令合上401開關(guān)，中性段取A電源；當(dāng)機(jī)車駛?cè)胄盘柌杉c(diǎn)J2、J2′時(shí)，車輪傳感器又把采集到的列車輪軸信息通過數(shù)字信號電纜傳至室內(nèi)計(jì)軸主機(jī)屏，計(jì)軸主機(jī)屏發(fā)出區(qū)段AG1及AG2“出清”和區(qū)段BG1及BG2“占用”及“正向”信號給邏輯控制子系統(tǒng)，邏輯控制子系統(tǒng)發(fā)出分閘指令分開401開關(guān)，延時(shí)150ms后合上403開關(guān)，中性段取B電源；當(dāng)列車駛出信號采集點(diǎn)J3、J3′時(shí)，車輪傳感器又把采集到的列車輪軸信息通過數(shù)字信號電纜傳至室內(nèi)計(jì)軸主機(jī)屏，計(jì)軸主機(jī)屏發(fā)出區(qū)段BG1及BG2"出清"信號給邏輯控制子系統(tǒng)，邏輯控制子系統(tǒng)發(fā)出指令分開403開關(guān)，從而完成一次完整的過分相過程，系統(tǒng)復(fù)原初始狀態(tài)，等待下一趟列車到來。右側(cè)來車的動作過程與上述左側(cè)來車類同。

保護(hù)子系統(tǒng)設(shè)置了差流速斷保護(hù)，用于快速切除主回路短路或絕緣故障。保護(hù)子系統(tǒng)設(shè)置了兩套完全獨(dú)立的過分相保護(hù)裝置：1＃過分相保護(hù)裝置保護(hù)1＃開關(guān)系統(tǒng)，控制411、413、415斷路器的保護(hù)分閘；2＃過分相保護(hù)裝置保護(hù)2＃開關(guān)系統(tǒng)，控制421、423、425斷路器的保護(hù)分閘。

阻容吸收子系統(tǒng)用于降低諧振頻率、抑制過電壓，減小過分相切換開關(guān)操作時(shí)對機(jī)車、接觸網(wǎng)的影響。41DC放電線圈用于阻容吸收子系統(tǒng)退出運(yùn)行時(shí)對41C防護(hù)電容器進(jìn)行放電，確保人身安全。41I電感在阻容吸收子系統(tǒng)不動作時(shí)呈低阻抗，起到分流的作用，在有效保護(hù)41R電阻的同時(shí)，也能避免整個(gè)阻容室因41R電阻發(fā)熱而導(dǎo)致溫度過高，影響其他設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行；而41I電感在阻容吸收系統(tǒng)動作時(shí)呈高阻抗，通過41I電阻的電流較大，能迅速消耗掉操作沖擊時(shí)所產(chǎn)生的能量。

4 運(yùn)行試驗(yàn)

為充分驗(yàn)證本新型地面自動過分相系統(tǒng)的安全性、可靠性以及與其他相關(guān)設(shè)備的兼容性，根據(jù)鐵道部運(yùn)輸局、科技司的指示和安排，本系統(tǒng)先后在武廣客運(yùn)專線新烏龍泉牽引變電所進(jìn)行了試運(yùn)行（見圖3）以及在中國鐵道科學(xué)研究院（簡稱：鐵科院）環(huán)行基地進(jìn)行CRH2型動車組在線運(yùn)行試驗(yàn)（見圖4）。

圖3 武廣客運(yùn)專線新烏龍泉牽引變電所運(yùn)行現(xiàn)場

圖4 鐵科院北京環(huán)形基地在線運(yùn)行試驗(yàn)現(xiàn)場

在武廣客運(yùn)專線新烏龍泉牽引變電所的試運(yùn)行期間，共計(jì)完成過分相2 000余次，車速12km／h到379 km／h，既有正向行車，也有反向行車，車型包括單編組動車、雙編組動車及工程車等不同車型。在試運(yùn)行期間本系統(tǒng)能夠按照既定程序可靠動作，各種技術(shù)參數(shù)正常，設(shè)備運(yùn)行良好。

在鐵科院環(huán)行基地進(jìn)行的CRH2型動車組在線運(yùn)行試驗(yàn)，其試驗(yàn)項(xiàng)目包括系統(tǒng)靜態(tài)沖擊試驗(yàn)、過電壓測試、系統(tǒng)運(yùn)行試驗(yàn)時(shí)的動車組測試、系統(tǒng)對車載ATP干擾影響測試、系統(tǒng)故障場景模擬試驗(yàn)以及系統(tǒng)在線穩(wěn)定性試驗(yàn)。

4.1 系統(tǒng)靜態(tài)沖擊試驗(yàn)

讓動車組靜止?？吭谥行远蝺?nèi)，由手動控制模擬動車組進(jìn)入分相區(qū)，完成接觸網(wǎng)電壓轉(zhuǎn)換。

試驗(yàn)共計(jì)進(jìn)行了36次，切換過程中產(chǎn)生的過電壓不超過額定電壓的1.8倍，合分閘引起的切換過電壓未造成對機(jī)車、接觸網(wǎng)、變電所及本系統(tǒng)的絕緣破壞；合閘電涌也未造成變電所及本系統(tǒng)的保護(hù)誤動。

4.2 過電壓測試

過電壓測試分靜態(tài)試驗(yàn)測試和動態(tài)試驗(yàn)測試。靜態(tài)試驗(yàn)為動車組靜止停靠在中性段內(nèi)，由手動控制模擬動車組進(jìn)入分相區(qū)，完成接觸網(wǎng)電壓轉(zhuǎn)換。動態(tài)試驗(yàn)為動車組按正常程序通過中性段，本系統(tǒng)自動完成電壓切換程序。

（1）靜態(tài)試驗(yàn)下的過電壓測試

靜態(tài)試驗(yàn)下的過電壓測試與上述第1條系統(tǒng)靜態(tài)沖擊試驗(yàn)的試驗(yàn)方式、試驗(yàn)次數(shù)及試驗(yàn)結(jié)論一致，在此不再贅述。典型波形圖如圖5所示。

圖5 靜態(tài)試驗(yàn)典型波形圖

（2）動態(tài)試驗(yàn)下的過電壓測試

動態(tài)試驗(yàn)為動車組按正常程序通過中性段，本系統(tǒng)自動完成電壓切換程序。試驗(yàn)選取在惰行、牽引滿級、電制動滿級、小級位制動等4種工況下分別以30，80，120km／h和160km／h速度通過中性段。

動車組在以上運(yùn)行工況條件下，本系統(tǒng)能夠按照既定程序可靠動作，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機(jī)車、接觸網(wǎng)、變電所及本系統(tǒng)的絕緣破壞；合閘電涌也未造成變電所及本系統(tǒng)的保護(hù)誤動。典型波形圖如圖6所示。

圖6 動態(tài)試驗(yàn)典型波形圖（速度：160km／h，電制動滿級）

4.3 系統(tǒng)運(yùn)行試驗(yàn)時(shí)的動車組測試

本項(xiàng)試驗(yàn)的目的是為了檢驗(yàn)采用本新型地面自動過分相系統(tǒng)后，動車組牽引及控制系統(tǒng)能否與之匹配，能否安全通過分相區(qū)。試驗(yàn)選取在惰行、牽引滿級、電制動滿級、小級位制動等4種工況下分別以30，80，120 km／h和160km／h速度通過中性段。測試數(shù)據(jù)包括動車組的網(wǎng)壓、原邊電流、牽引繞組電壓、中間電壓、牽引變流器輸出電壓、牽引變流器輸出電流、輔助變流器輸入電壓、輔助變流器輸出電壓和速度等。動車組測試典型電參數(shù)測試結(jié)果數(shù)據(jù)見表2，典型測試波形圖如圖7所示。

試驗(yàn)結(jié)果表明：

（1）動車組經(jīng)過本系統(tǒng)，接觸網(wǎng)供電中斷時(shí)間約為0.3s，在此期間，動車組在慣性作用下繼續(xù)安全運(yùn)行，在網(wǎng)壓恢復(fù)后迅速恢復(fù)到原工況狀態(tài)運(yùn)行。

（2）對于牽引滿級與電制動滿級工況，動車組系統(tǒng)最長恢復(fù)時(shí)間在2.6～3.2s之間，動車組由原工況轉(zhuǎn)為惰行，隨后在電氣系統(tǒng)恢復(fù)后保持原工況狀態(tài)。

（3）對于小級位制動工況，動車組系統(tǒng)最長恢復(fù)時(shí)間在2.1～3.2s之間，動車組由原工況轉(zhuǎn)為惰行，隨后在電氣系統(tǒng)恢復(fù)后仍保持原工況狀態(tài)。

（4）對于惰行工況，動車組系統(tǒng)最長恢復(fù)時(shí)間在1.3～1.4s之間，動車組保持惰行狀態(tài)。

表2 動車組電參數(shù)測試結(jié)果數(shù)據(jù)表（速度160km／h，牽引滿級）

圖7 動車組測試典型波形圖

4.4 系統(tǒng)對車載ATP干擾影響測試

測試的目的是獲取動車組通過本系統(tǒng)時(shí)，車載ATP裝置受干擾數(shù)據(jù)情況，進(jìn)而判斷車載ATP的正常功能是否會受到影響。為此，對動車組車載ATP系統(tǒng)的速度傳感器的電磁干擾情況進(jìn)行了測試，典型測試波形圖如圖8所示（速度150km／h，電制動滿級）。

圖8 車載ATP干擾影響測試典型波形圖

試驗(yàn)結(jié)果表明：

（1）動車組進(jìn)出中性段與分合閘瞬間未見其他電分相裝置過分相時(shí)常見的突發(fā)脈沖干擾，從這一點(diǎn)看，本系統(tǒng)優(yōu)于其他分相裝置。

（2）在此次鐵科院環(huán)行基地試驗(yàn)條件下，動車組進(jìn)入中性段瞬間、分合閘瞬間、出中性段瞬間干擾噪聲均不大，因而不會影響對速度傳感器信號脈沖的判讀。即使中性段分合閘斷電期間偶發(fā)大脈沖，也不會影響速度傳感器正常工作。

4.5 系統(tǒng)故障場景模擬試驗(yàn)

本次故障場景模擬試驗(yàn)共計(jì)進(jìn)行了8類單一開關(guān)故障場景模擬試驗(yàn)和2類主備用開關(guān)均發(fā)生故障（即本系統(tǒng)失效）的場景模擬試驗(yàn)。在單一開關(guān)故障場景模擬試驗(yàn)中，當(dāng)投入的開關(guān)系統(tǒng)出現(xiàn)開關(guān)故障時(shí)，本系統(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，合分閘引起的切換過電壓不會造成對機(jī)車、接觸網(wǎng)、變電所及本系統(tǒng)的絕緣破壞，合閘電涌不會造成變電所及本系統(tǒng)的保護(hù)誤動。在主備用開關(guān)均發(fā)生故障的場景模擬試驗(yàn)中，本系統(tǒng)能迅速給出切除接觸網(wǎng)兩端供電臂電源的信號，機(jī)車、接觸網(wǎng)、變電所及本系統(tǒng)均未受到影響。

4.6 系統(tǒng)在線穩(wěn)定性試驗(yàn)

為進(jìn)一步驗(yàn)證本新型地面自動過分相系統(tǒng)的安全性、可靠性以及本系統(tǒng)與變電所、接觸網(wǎng)、機(jī)車的兼容性，本次試驗(yàn)累計(jì)完成上千次的動車組在線穩(wěn)定性測試。試驗(yàn)結(jié)果表明機(jī)車在任意運(yùn)行工況條件下，本系統(tǒng)能夠按照既定程序可靠動作，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不會造成對機(jī)車、接觸網(wǎng)、變電所及本系統(tǒng)的絕緣破壞；合閘電涌不會造成變電所及本系統(tǒng)的保護(hù)誤動。

5 結(jié)束語

本新型地面自動過分相系統(tǒng)的安全性、可靠性以及本系統(tǒng)與變電所、接觸網(wǎng)、機(jī)車的兼容性已經(jīng)得到了充分試驗(yàn)驗(yàn)證，完全具備上線運(yùn)行的條件。依據(jù)自身特點(diǎn)，本系統(tǒng)的推廣應(yīng)用在提高鐵路運(yùn)輸效率、增強(qiáng)旅客舒適度、減少列車維護(hù)工作量及維護(hù)停運(yùn)時(shí)間等方面具有積極的促進(jìn)作用。

［1］溫建民，王幫田，方志國.高速鐵路地面自動過分相系統(tǒng)的研究與運(yùn)用［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2010，（4）：104-107.