王曉棟

(1.軌道交通工程信息化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中鐵一院)；2.陜西省鐵道及地下交通工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中鐵一院)，西安 710043)

1 概述

川藏鐵路地處高海拔、大高差、空氣稀薄的高原高寒地區(qū)，線路六起六伏，需要克服巨大高程障礙[1-3]，即使采用30‰的坡度，全線仍有長(zhǎng)達(dá)300多km的路段位于緊坡地段，其中最長(zhǎng)坡段長(zhǎng)達(dá)80 km。電分相是用以保證電氣化鐵道供電系統(tǒng)不同相供電臂間的機(jī)械連接和電氣隔離的重要元件，在分相區(qū)內(nèi)，接觸網(wǎng)不帶電，列車(chē)需要惰行通過(guò)電分相。目前，我國(guó)主要采用C2/C3控車(chē)模式下自動(dòng)過(guò)分相及磁鋼自動(dòng)過(guò)電分相。

川藏鐵路擬運(yùn)行動(dòng)車(chē)組、普速客車(chē)和貨物列車(chē)[4]，電分相若設(shè)置在長(zhǎng)大上坡，為保障列車(chē)可以惰行通過(guò)電分相，對(duì)列車(chē)過(guò)分相入口速度及加速距離有很高要求，而這又是難以實(shí)現(xiàn)的。因此，為確保3種列車(chē)安全通過(guò)電分相，需要結(jié)合不同列車(chē)自動(dòng)過(guò)分相的特點(diǎn)，研究適合的電分相緩坡設(shè)置方案。

2 川藏鐵路擬采用的電分相

2.1 電分相結(jié)構(gòu)方案

電分相裝置是在兩段不同相位或不同電壓處，避免在受電弓通過(guò)時(shí)將兩個(gè)不同區(qū)段接觸網(wǎng)連通的裝置，接觸網(wǎng)專(zhuān)業(yè)通常根據(jù)供電方案，在變電所、分區(qū)所附近設(shè)置電分相。

2.2 電分相類(lèi)型

接觸網(wǎng)電分相方式主要有器件式和帶中性段的空氣間隙絕緣的錨段關(guān)節(jié)形式。

2.2.1 器件式電分相

器件式電分相通過(guò)在接觸線上安裝3組分段絕緣器的方式，隔斷不同相位。器件式電分相有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝方便，機(jī)車(chē)不可取電的距離小等優(yōu)點(diǎn)。器件式分相沒(méi)有中性區(qū)段，斷合標(biāo)及電磁枕設(shè)置時(shí)，以無(wú)電區(qū)為基準(zhǔn)，因此機(jī)車(chē)通過(guò)時(shí)實(shí)際斷電長(zhǎng)度短，有利于行車(chē)。但器件式分相裝置安裝時(shí)需截?cái)嘟佑|線安裝分段絕緣器，接觸導(dǎo)線上會(huì)不可避免地出現(xiàn)接續(xù)點(diǎn)，產(chǎn)生硬點(diǎn)，機(jī)車(chē)高速通過(guò)時(shí)會(huì)出現(xiàn)打弓甚至導(dǎo)線燒蝕現(xiàn)象，因此不適合于高速線路，僅用于120 km/h及以下線路[5-7]。

2.2.2 錨段關(guān)節(jié)式電分相

錨段關(guān)節(jié)式電分相一般由2個(gè)絕緣錨段關(guān)節(jié)或經(jīng)改造的絕緣關(guān)節(jié)(八跨三斷口電分相)構(gòu)成，利用2個(gè)絕緣錨段關(guān)節(jié)間的無(wú)電區(qū)，對(duì)不同相位的電進(jìn)行分隔。目前常用的錨段關(guān)節(jié)式電分相有2種，中性區(qū)段小于雙弓最小間距的短分相、無(wú)電區(qū)滿足雙弓或多弓最大間距要求的長(zhǎng)分相。較器件式電分相，錨段關(guān)節(jié)式電分相在利用轉(zhuǎn)換柱上導(dǎo)線間空氣間隙形成電氣隔斷，接觸線上無(wú)斷點(diǎn)，受電弓可高速通過(guò)，適用于運(yùn)行速度大的線路。錨段關(guān)節(jié)式電分相以中性段為基準(zhǔn)設(shè)置斷合標(biāo)及電磁枕，機(jī)車(chē)不能取電的距離較長(zhǎng)，在長(zhǎng)大坡道、車(chē)站出站口、列車(chē)限速等工況下，對(duì)列車(chē)運(yùn)行影響較大[8-9]。

2.3 川藏鐵路擬采用的電分相

川藏鐵路電分相方案擬采用帶中性段、空氣間隙絕緣的雙斷口錨段關(guān)節(jié)形式[10]。電分相處按TG/01—2014《鐵路技術(shù)管理規(guī)程》[11]、TB/T 3197—2018《車(chē)載控制自動(dòng)過(guò)分相系統(tǒng)技術(shù)條件》[12]的規(guī)定設(shè)置標(biāo)識(shí)牌和地面磁感應(yīng)器，如圖1所示。

圖1 川藏鐵路電分相處電磁枕設(shè)置位置(單位：m)

2.4 自動(dòng)控制過(guò)分相特點(diǎn)分析

自動(dòng)控制過(guò)分相方式有自動(dòng)斷電過(guò)分相和自動(dòng)帶電過(guò)分相2種方式。自動(dòng)帶電過(guò)分相方式目前采用較少，投資較大，存在問(wèn)題較多，呼局之前部分線路采用，效果不好，未推廣；蘭渝線設(shè)計(jì)時(shí)有3處電分相處于大坡度上，按自動(dòng)帶電過(guò)分相設(shè)計(jì)，投資1 000萬(wàn)元/處，開(kāi)通運(yùn)行時(shí)未使用?，F(xiàn)狀設(shè)計(jì)均采用自動(dòng)斷電過(guò)分相方式。自動(dòng)斷電過(guò)分相控制方式分為列控自動(dòng)控制和車(chē)載自動(dòng)控制。正常運(yùn)行情況下，列車(chē)斷電過(guò)分相系統(tǒng)根據(jù)列車(chē)行駛速度、接觸網(wǎng)電分相位置、電分相中性區(qū)段長(zhǎng)度、分相區(qū)長(zhǎng)度，由車(chē)載控制設(shè)備采集過(guò)分相信息，及時(shí)控制列車(chē)主斷路器的分閘或合閘，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制列車(chē)斷電過(guò)分相。

3 川藏鐵路電分相設(shè)置原則

3.1 相關(guān)規(guī)范要求

3.1.1 電分相位置

非客運(yùn)專(zhuān)線鐵路電分相設(shè)置滿足TB/T 10009—2016《鐵路電力牽引供電設(shè)計(jì)規(guī)范》相關(guān)規(guī)定，電分相位置應(yīng)滿足電力機(jī)車(chē)運(yùn)行、調(diào)車(chē)作業(yè)方便，供電線經(jīng)路的合理及進(jìn)站信號(hào)機(jī)位置和顯示等要求[13]。當(dāng)電分相設(shè)置在坡道區(qū)段時(shí)，應(yīng)進(jìn)行行車(chē)檢算。錨段關(guān)節(jié)式電分相應(yīng)滿足運(yùn)輸組織的需要。

3.1.2 斷合標(biāo)設(shè)置

非客運(yùn)專(zhuān)線鐵路電分相處斷、合標(biāo)設(shè)置滿足《接觸網(wǎng)電分相標(biāo)識(shí)設(shè)置補(bǔ)充規(guī)定》(鐵總運(yùn)[2015]145號(hào))[11]，如圖2所示。

圖2 電分相處斷合標(biāo)設(shè)置示意(單位：m)

3.1.3 電磁枕設(shè)置

非重載鐵路電分相處電磁枕設(shè)置滿足TB/T 3197—2018《車(chē)載控制自動(dòng)過(guò)分相系統(tǒng)技術(shù)條件》[12]，如圖3所示(其中，a=a0+5)。

圖3 電分相處電磁枕設(shè)置示意(單位：m)

3.1.4 相鄰坡段坡度代數(shù)差

根據(jù)TB 10098-2017《鐵路線路設(shè)計(jì)規(guī)范》，相鄰坡段的坡度差不宜大于表1規(guī)定的數(shù)值[14]。

表1 相鄰坡段最大坡度差

3.2 電分相緩坡設(shè)置原則

(1)電分相緩坡設(shè)置的最大坡度按從8‰，10‰，12‰三種典型坡度比選考慮。

(2)電分相設(shè)置的緩坡坡段與前后方相鄰坡段坡度代數(shù)差不超過(guò)15‰。

(3)本線過(guò)分相檢算貨車(chē)采用HXD2雙機(jī)牽引、普速客車(chē)采用HXD1D雙機(jī)牽引，計(jì)算斷電位置按磁枕1、取電位置按磁枕4。動(dòng)車(chē)組采用CRH5型車(chē)、CRH380AL型車(chē)、CR400AF型車(chē)，當(dāng)動(dòng)車(chē)組在磁枕控制模式下運(yùn)行時(shí)，計(jì)算斷電位置按磁枕1、取電位置按磁枕4，電分相長(zhǎng)度按750 m；當(dāng)動(dòng)車(chē)組在ATP控車(chē)模式下運(yùn)行時(shí)，電分相長(zhǎng)度按1 000 m。

(4)不同種類(lèi)列車(chē)過(guò)分相末速度按25 km/h[15-19]。

(5)區(qū)間閉塞分區(qū)最大長(zhǎng)度按2 km，電分相后方區(qū)間信號(hào)機(jī)按200 m考慮[19-21]。

4 電分相緩坡設(shè)置方案研究

4.1 電分相緩坡設(shè)置方案

結(jié)合電分相緩坡設(shè)置原則，考慮緩坡坡長(zhǎng)不小于電分相長(zhǎng)度1 km，對(duì)緩坡坡長(zhǎng)從1，1.5，2，2.5 km四種情況，緩坡坡度從8‰，10‰，12‰三種情況考慮。當(dāng)電分相緩坡設(shè)置為8‰，10‰，12‰時(shí)，相鄰坡段分別為長(zhǎng)600 m的23‰，25‰，27‰坡道(按滿足1列車(chē)長(zhǎng)度考慮)。

4.2 不同緩坡設(shè)置方案列車(chē)過(guò)分相檢算

通過(guò)模擬牽引計(jì)算，分析貨物列車(chē)、普速客車(chē)、動(dòng)車(chē)組在不同緩坡設(shè)置方案上的出口速度，以及達(dá)到出口速度25 km/h的入口速度和加速距離。其中，貨物列車(chē)編組采用HXD2雙機(jī)牽引，車(chē)輛采用C62型，編組25輛，牽引總質(zhì)量2 014 t，列車(chē)總質(zhì)量2 415 t，列車(chē)總長(zhǎng)373 m。普速客車(chē)采用HXD1D雙機(jī)牽引，車(chē)輛采用25型客車(chē)，編組18輛，牽引總質(zhì)量999 t，列車(chē)總質(zhì)量1 251 t，列車(chē)總長(zhǎng)521 m。采用CRH5型動(dòng)車(chē)組，16輛編組(10M6T)，列車(chē)總質(zhì)量1 000 t，總長(zhǎng)423 m。采用CRH380AL型動(dòng)車(chē)組，16輛編組(14M2T)，列車(chē)總質(zhì)量903t，總長(zhǎng)403 m。采用CR400AF型車(chē)，16輛編組(8M8T)，列車(chē)總質(zhì)量940 t，總長(zhǎng)417 m。

4.2.1 緩坡坡長(zhǎng)為1 km(方案Ⅰ)

區(qū)間信號(hào)機(jī)暫按2 km布設(shè)，緩坡坡長(zhǎng)恰好滿足電分相長(zhǎng)度1 000 m，前架信號(hào)機(jī)位于緩坡前方800 m處，列車(chē)在該信號(hào)機(jī)處起車(chē)，后架信號(hào)機(jī)位于緩坡終點(diǎn)后方200 m。通過(guò)模擬牽引計(jì)算，得到緩坡坡度為8‰時(shí)不同類(lèi)型列車(chē)通過(guò)電分相時(shí)的入口速度和出口速度，如表2所示。

表2 方案Ⅰ不同種類(lèi)列車(chē)通過(guò)電分相入口及出口速度

由表2可見(jiàn)，動(dòng)車(chē)組以ATP模式過(guò)分相最受控制，其次為貨物列車(chē)。不同種類(lèi)動(dòng)車(chē)相比，CRH380AL型動(dòng)車(chē)更受控制。當(dāng)緩坡坡度為8‰時(shí)，所有列車(chē)均不能通過(guò)檢算。進(jìn)而，當(dāng)緩坡坡度為10‰及以上時(shí)，出口速度也均不滿足25 km/h的要求。因此，將緩坡坡長(zhǎng)設(shè)為1 km不可行。

4.2.2 緩坡坡長(zhǎng)為1.5 km(方案Ⅱ)

區(qū)間信號(hào)機(jī)暫按2 km布設(shè)，緩坡坡長(zhǎng)大于電分相長(zhǎng)度，前架信號(hào)機(jī)位于緩坡前方500 m處，列車(chē)在該信號(hào)機(jī)處起車(chē)，后架信號(hào)機(jī)位于緩坡終點(diǎn)。通過(guò)模擬牽引計(jì)算，得到當(dāng)緩坡坡度為8‰和10‰時(shí)，不同類(lèi)型列車(chē)通過(guò)電分相時(shí)的入口速度和出口速度情況如表3所示。

表3 方案Ⅱ不同種類(lèi)列車(chē)通過(guò)電分相入口及出口速度

由表3可見(jiàn)，當(dāng)緩坡坡度為8‰時(shí)，動(dòng)車(chē)組以ATP模式過(guò)分相不滿足出口速度要求，CRH380AL以電磁枕模式過(guò)分相不滿足出口速度要求；當(dāng)緩坡坡度為10‰時(shí)，除CRH5以電磁枕模式過(guò)分相外，其余列車(chē)均不能通過(guò)檢算。進(jìn)而，當(dāng)緩坡坡度為12‰及以上時(shí)，出口速度也均不滿足25 km/h的要求。因此，將緩坡坡長(zhǎng)設(shè)為1.5 km也不可行。

4.2.3 緩坡坡長(zhǎng)為2 km(方案Ⅲ)

區(qū)間信號(hào)機(jī)按2 km布設(shè)，前架信號(hào)機(jī)位于緩坡與前方坡道變坡點(diǎn)處，列車(chē)在緩坡前方坡道起車(chē)，后架信號(hào)機(jī)位于緩坡終點(diǎn)。通過(guò)模擬牽引計(jì)算，得到不同類(lèi)型列車(chē)通過(guò)電分相時(shí)的入口速度和出口速度情況如表4所示。

表4 方案Ⅲ不同種類(lèi)列車(chē)通過(guò)電分相入口及出口速度

由表4可見(jiàn)，當(dāng)電分相緩坡設(shè)為8‰，10‰時(shí)，不同種類(lèi)列車(chē)過(guò)分相的出口速度均滿足要求。當(dāng)緩坡設(shè)在12‰及以上坡道時(shí)，動(dòng)車(chē)組按ATP模式過(guò)分相的出口速度不滿足要求。

4.2.4 緩坡坡長(zhǎng)為2.5 km(方案Ⅳ)

區(qū)間信號(hào)機(jī)暫按2 km布設(shè)，前架信號(hào)機(jī)位于距緩坡起點(diǎn)500 m處，列車(chē)在該處起車(chē)，不同種類(lèi)列車(chē)起車(chē)位置均處于緩坡坡段，后架信號(hào)機(jī)位于緩坡終點(diǎn)。通過(guò)模擬牽引計(jì)算，得到不同類(lèi)型列車(chē)通過(guò)電分相時(shí)的入口速度和出口速度情況如表5所示。

表5 方案Ⅳ不同種類(lèi)列車(chē)通過(guò)電分相入口及出口速度

由表5可見(jiàn)，當(dāng)電分相緩坡設(shè)為8‰，10‰時(shí)，不同種類(lèi)列車(chē)過(guò)分相均滿足出口速度要求。當(dāng)緩坡設(shè)在12‰坡道時(shí)，CRH380AL以ATP模式過(guò)分相不滿足出口速度要求。

4.2.5 不同緩坡方案結(jié)果對(duì)比

比較不同緩坡長(zhǎng)度及緩坡坡度的電分相緩坡設(shè)置方案下列車(chē)過(guò)分相的出入口速度結(jié)果，如表6所示。

由表6可見(jiàn)，當(dāng)電分相緩坡長(zhǎng)度為1，1.5 km時(shí)，即使設(shè)在8‰的緩坡，也不能滿足列車(chē)過(guò)分相要求；當(dāng)電分相緩坡長(zhǎng)度設(shè)為2 km、緩坡坡度設(shè)為8‰及10‰時(shí)，可以滿足不同種類(lèi)列車(chē)過(guò)分相出口速度25 km/h要求；若延長(zhǎng)電分相緩坡長(zhǎng)度為2.5 km，不同類(lèi)型列車(chē)均在緩坡坡段起車(chē)，僅緩坡坡度設(shè)為8‰及10‰時(shí)，可滿足列車(chē)過(guò)分相出口速度25 km/h要求，當(dāng)緩坡坡度為12‰時(shí)，CRH380AL型車(chē)以ATP模式過(guò)分相不能滿足出口速度要求。因此，為節(jié)省工程投資，推薦緩坡長(zhǎng)度采用2 km。

表6 不同動(dòng)車(chē)組對(duì)各種緩坡設(shè)置方案的適應(yīng)情況

4.2.6 出口速度按25 km/h控制的緩坡段長(zhǎng)度

當(dāng)過(guò)分相出口速度按25 km/h控制時(shí)，通過(guò)各型列車(chē)在不同坡道上按電分相長(zhǎng)度惰行，倒推出合適的入口速度，并根據(jù)入口速度倒推列車(chē)所需的牽引加速距離，從而推算得到列車(chē)過(guò)分相時(shí)需要的最短坡段長(zhǎng)度，如表7所示。列車(chē)起車(chē)位置設(shè)定為緩坡與前方坡道的變坡點(diǎn)位置。

表7 出口速度按25 km/h控制時(shí)需要的最短緩坡段長(zhǎng)度

由表7可知，最短坡段長(zhǎng)度主要受CRH380AL型動(dòng)車(chē)以ATP模式過(guò)分相控制。若不考慮后架信號(hào)機(jī)位于緩坡終點(diǎn)，結(jié)合各車(chē)型過(guò)電分相時(shí)對(duì)緩坡段長(zhǎng)度的要求，不同坡度方案所需緩坡長(zhǎng)度如表8所示。

由表8可知，隨著坡度的增加，列車(chē)過(guò)分相時(shí)需要的緩坡段長(zhǎng)度增加，但在足坡地段一定線路長(zhǎng)度范圍內(nèi)，坡度越大，所需緩坡段高程損失越大，對(duì)地形的適應(yīng)性越好。若不考慮后架信號(hào)機(jī)位于緩坡終點(diǎn)，當(dāng)緩坡設(shè)在12‰坡度以下時(shí)，所需緩坡坡長(zhǎng)不超過(guò)2 km；若考慮后架信號(hào)機(jī)位于緩坡終點(diǎn)，當(dāng)緩坡設(shè)在10‰坡度以下時(shí)，所需緩坡坡長(zhǎng)不超過(guò)2 km，與前述不同緩坡設(shè)置方案出入口速度分析結(jié)果一致。

表8 不同坡度方案所需緩坡長(zhǎng)度

4.3 電分相緩坡設(shè)置對(duì)運(yùn)輸質(zhì)量的影響

結(jié)合不同緩坡設(shè)置方案的列車(chē)過(guò)分相檢算結(jié)果，以克服2 100 m高差為例，通過(guò)對(duì)70 km長(zhǎng)、30‰上坡段設(shè)置電分相緩坡，對(duì)設(shè)緩坡方案與不設(shè)緩坡方案的列車(chē)運(yùn)行時(shí)分進(jìn)行對(duì)比分析。其中設(shè)置緩坡方案選取1 km/8‰方案、1.5 km/8‰方案、2 km/8‰方案、2 km/10‰方案、2.5 km/8‰方案、2.5 km/10‰方案、2.5 km/12‰方案。其中動(dòng)車(chē)組初速設(shè)為200 km/h，普客初速設(shè)為160 km/h，普貨初速設(shè)為90 km/h。不同種類(lèi)列車(chē)在不同緩坡設(shè)置方案的運(yùn)行時(shí)分如表9所示。

表9 不同緩坡設(shè)置方案運(yùn)行時(shí)分統(tǒng)計(jì) min

由表9可知，不同緩坡設(shè)置方案在克服高差一定的情況下，不同種類(lèi)列車(chē)運(yùn)行時(shí)分相差較少。

4.4 電分相緩坡設(shè)置對(duì)工程情況的影響

結(jié)合川藏鐵路全線供電設(shè)置方案，電分相緩坡的設(shè)置主要對(duì)夏里車(chē)站高程以及夏里大橋橋高、橋長(zhǎng)有較大的影響，造成夏里車(chē)站高程以及夏里大橋橋高、橋長(zhǎng)均有不同程度增加，且電分相緩坡采用的坡度越大，對(duì)夏里車(chē)站高程以及夏里大橋橋高、橋長(zhǎng)影響越小，影響最大的為8‰電分相緩坡，最大橋高增加33.2 m，最大橋長(zhǎng)增加78 m。若需保證夏里車(chē)站高程以及夏里大橋橋高、橋長(zhǎng)不變，需要調(diào)整夏里隧道的最大坡度24‰，則夏里隧道無(wú)法實(shí)現(xiàn)坡度軟化；若需實(shí)現(xiàn)夏里隧道軟化坡度24‰，則必須展線，對(duì)于8‰，10‰，12‰三種坡度的電分相緩坡，線路長(zhǎng)度依次增加1 383,1 167,1 000 m。

對(duì)于緊坡地段設(shè)置電分相緩坡，高程損失還會(huì)造成隧道埋深增大，對(duì)應(yīng)的隧道埋深增大、斜井長(zhǎng)度增大，但以上3種坡度方案的緩坡設(shè)置造成隧道埋深增大量不超過(guò)52.4 m。

綜上所述，電分相緩坡設(shè)置對(duì)緊坡地段的工程影響較大，但仍可通過(guò)線路方案局部?jī)?yōu)化得以實(shí)現(xiàn)，且電分相緩坡采用的坡度值越大，對(duì)工程的影響程度越小，對(duì)工程就越有利。

5 結(jié)論

本文采用組合方案對(duì)比法，根據(jù)川藏鐵路擬采用的電分相設(shè)置方案，從緩坡坡長(zhǎng)1，1.5，2，2.5 km以及緩坡坡度8‰，10‰，12‰對(duì)電分相緩坡設(shè)置方案進(jìn)行組合，通過(guò)模擬牽引計(jì)算分別對(duì)動(dòng)車(chē)組、普速客車(chē)、貨物列車(chē)進(jìn)行過(guò)分相檢算。根據(jù)不同種類(lèi)列車(chē)在不同緩坡設(shè)置方案的電分相出入口速度結(jié)果，采用反推法，按出口速度25 km/h反推得到不同坡度方案最短緩坡長(zhǎng)度，得出電分相出口速度受CRH380AL動(dòng)車(chē)組以ATP模式過(guò)分相控制。從減少工程規(guī)模、節(jié)約工程投資角度考慮，推薦川藏鐵路長(zhǎng)大坡道電分相設(shè)置采用緩坡坡長(zhǎng)≮2 km、緩坡坡度≯10‰方案。研究結(jié)論有力地支撐了川藏鐵路的建設(shè)實(shí)施，同時(shí)為其他長(zhǎng)大坡道鐵路的勘察設(shè)計(jì)提供參考和借鑒。