沈迪,田永洙,常振臣
(中國北車集團 長春軌道交通股份有限公司,吉林 長春 130062)*
電氣化鐵道采用單相工頻交流供電方式,為使電力系統(tǒng)的三相供電負荷平衡并提高電網(wǎng)利用率,供電接觸網(wǎng)均采用分相段供電形式.為防止相間短路,在不同相供電臂之間的連接處用空氣或者絕緣裝置分割,形成了兩個供電臂之間絕緣分割區(qū)域,稱為分相區(qū).
在時速200 km/h及以上電氣化鐵路中,列車每隔幾分鐘就要過1次分相區(qū),司乘人員必須在不到1 min的時間內(nèi)手動操縱機車安全通過分相區(qū).如此頻繁和緊張的操作,不僅使司乘人員勞動強度和精神負擔加大,而且稍有不慎就可能引起相間短路,燒壞接觸網(wǎng).因此,在我國準高速或高速鐵路上,為了有效緩解司乘人員工作壓力,列車都相應地采用了車載自動過分相裝置.目前CRH380CL型高速列車上搭載兩套車載過分相裝置:GFX-3A自動過分相系統(tǒng)和ATP系統(tǒng).本文主要研究GFX-3A自動過分相系統(tǒng)的控制策略與應用.
GFX-3A自動過分相系統(tǒng)包括車載GFX-3A自動過分相控制主機、感應接收器和地面應答器.
頭尾兩車車下各裝有四個感應接收器(T1、T2、T3和T4),其中T2與T4安裝在車下右側(cè),T1與T3安裝在車下左側(cè).感應接收器T2與T4、T1與T3互為冗余.
如圖1所示,在分相區(qū)前后各設(shè)有兩個地面應答器,G1為分相預告點,G2為強斷點,G3/G4為分相恢復點,S1=170 m,S2=35 m.在列車通過分相區(qū)時,使用車下感應接收器T2、T4來感應G1和G3,T1、T3來感應G2和G4.
圖1 GFX-3A裝置地面應答器布置圖
頭車通過G1點時,車載GFX-3A控制主機向高速列車中央控制單元(簡稱CCU)發(fā)送“分相預告”脈沖信號(1 s,110 V),CCU收到此信號后,立刻通知牽引變流器控制單元(簡稱C/I).C/I根據(jù)CCU指令封鎖四象限整流器,進入中壓保持狀態(tài),并控制牽引電機進入再生制動工況,其產(chǎn)生的能量用于維持車輛輔助供電系統(tǒng),此后CCU命令斷開主斷路器(簡稱VCB),列車將在無牽引、無高壓狀態(tài)下通過分相區(qū).
頭車通過G2點時,控制主機向CCU發(fā)送“強迫斷VCB”脈沖信號(1 s,110 V),CCU不考慮C/I是否進入中壓保持狀態(tài),隨即斷開VCB.“強迫斷VCB”信號優(yōu)先級高于“分相預告”信號.
頭車通過G3點時,控制主機通過“分相預告”信號通道向CCU發(fā)出合VCB指令,控制VCB重新閉合.在控制主機正常接收到G3信號時,G4信號不起作用.
為了保證高速列車進入分相區(qū)前維持輔助供電系統(tǒng)繼續(xù)工作(CRH380CL高速列車速度高于70 km/h時C/I才能夠進入中壓保持狀態(tài)),高速列車必須在G2信號點前斷開VCB.設(shè)車載GFX-3A控制主機發(fā)出“分相預告”信號到VCB實際斷開時間為to(to應為常數(shù)).設(shè)G1與G2信號點間高速列車運行時間為t,高速列車在G1信號點的速度為Vo,那么
注:由于C/I進入中壓保持狀態(tài)過程中,高速列車速度不斷下降,但下降有限,所以按最不利情況考慮,采用最初的速度Vo.
設(shè)G2信號點前VCB斷開的持續(xù)時間為T,那么
高速列車在不同速度級別下進入G1點時,Vo越低,t越大,T越大,即意味著在高速列車通過G2點前VCB斷開時間越長.考慮到高速列車過分相時產(chǎn)生的再生制動力、高速列車阻力和線路狀況等因素,時間T越長,那么高速列車速度損失也就越大.速度損失雖然不會影響高速列車安全過分相,但是對鐵路線路高密度化運營,節(jié)約全線運行時間都極為不利.為了將CRH380CL型高速列車在過分相前的速度損失減至最低,提高線路運營效率,必須將T縮短.
在收到“分相預告”信號后,如果CCU延時處理過分相控制邏輯,那么VCB斷開時機便向后順延,T即為CCU需要的延時時間.根據(jù)理論計算分析,CRH380CL高速列車C/I的控制時序如圖2所示:
圖2 牽引變流器再生制動控制時序
C/I從收到“分相預告”信號到牽引電機進入弱再生控制的時間為(600+1 000+850)ms/1 000=2.45 s.車載GFX-3A控制主機發(fā)出“分相預告”指令給CCU,CCU經(jīng)邏輯判斷再輸出給C/I,整個分相預告信號的傳輸過程最長大約需要50 ms.VCB從收到斷開信號到實際斷開需要的最長時間約為60 ms.為了盡量減少VCB斷開時間,假定牽引電機剛剛進入弱再生控制時,CCU就立刻發(fā)出斷開VCB指令,那么,上述信號處理時間總共為2.56 s.如果以10%安全余量計算,那么計算結(jié)果為2.85 s.考慮到信號處理、傳輸延遲和其他不利因素,最終取值to=3 s,富余0.44 s,余量占比為14.6%,大于安全余量10%的要求.經(jīng)上述分析,得到公式:
在最不利情況下(即列車在10級牽引工況下運行至分相區(qū)),CCU經(jīng)延時T s后向C/I發(fā)出“分相預告”信號的實際車速Vo'>Vo,所以T'<T.如果仍然按照T進行延時處理,勢必會造成高速列車駛?cè)隚2信號點前C/I無法完全進入中壓保持狀態(tài).因此,需要對公式“T=170/Vo-3”的參數(shù)“170”進行調(diào)整,用于抵消速度增加值(Vo'-Vo).根據(jù)CRH380CL型高速列車10級“牽引-速度”曲線,經(jīng)計算得到如表1所示.
經(jīng)比較,最終將參數(shù)“170”修訂為“150”,計算公式優(yōu)化為:
高速列車在過分相過程中列車速度隨時間不斷變化,準確的變量T應根據(jù)列車實時位置距G2點的距離與實際車速進行積分得出,但是考慮到CCU運算處理能力有限,以及信號傳輸時延等因素,為了保證控制方式可靠,不得不犧牲變量T的準確性而采用上述線性計算公式.
表1 延時時間T計算分析表
根據(jù)上述車載自動過分相控制策略分析,CRH380CL高速列車控制邏輯采用優(yōu)化后的延時控制方案,如圖3所示:
圖3 應用控制邏輯簡圖
CCU收到過分相預告信號后經(jīng)延時T向全列各車CI發(fā)出預告信號“a_TCUC_SO03_7”,再經(jīng)過2.45 s向各車VCB發(fā)出斷主斷路器2 s脈沖信號“b_FTR_DO00_0”,高速列車牽引輔助及制動系統(tǒng)進入過分相工況.
在CRH380CL高速列車型式試驗期間,對車載過分相控制部分進行了一系列驗證,下面列舉了部分數(shù)據(jù),如表2、表3所示(注:軟件采樣周期為200 ms,中間信號略去相同部分).
表2、表3分別記錄了50 km/h和200 km/h速度級別下CRH380CL型高速列車通過分相區(qū)的實測結(jié)果,可以清楚的看到在網(wǎng)壓歸零前,VCB已成功斷開.
表2 列車速度50 km/h時監(jiān)測數(shù)據(jù)
表3 列車速度200 km/h時監(jiān)測數(shù)據(jù)
經(jīng)分析及試驗驗證,本文論述的GFX-3A自動過分相系統(tǒng)控制策略和控制邏輯關(guān)系,能夠滿足CRH380CL型高速列車自動過分相控制要求,在實際運用過程中沒有出現(xiàn)分相區(qū)前VCB斷開不及時的情況,極大的縮短了列車在通過分相區(qū)前VCB斷開時間,完全可以保證CRH380CL高速列車安全、可靠、高效運行.
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