崔衍渠

(1.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 成都 610031;2.中國(guó)中鐵“一帶一路”互聯(lián)互通研究中心， 成都 610031)

根據(jù)國(guó)際鐵路聯(lián)盟(UIC)最新統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，截至2020年2月27日，世界高速鐵路運(yùn)營(yíng)總里程達(dá) 52 484 km，其中我國(guó)高速鐵路營(yíng)業(yè)里程為35 388 km，占世界已運(yùn)營(yíng)高速鐵路里程的67.4%。根據(jù)2016年調(diào)整發(fā)布的《中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》，明確構(gòu)建以“八縱八橫”高速鐵路主通道為骨架的高速鐵路網(wǎng)，到2025年、2030年高速鐵路規(guī)模將達(dá)到3.8萬km、4.5萬km，未來高速鐵路將持續(xù)發(fā)展。

電氣化鐵路由于采用不同相序供電，在牽引變電所、分區(qū)所時(shí)需要設(shè)置電分相進(jìn)行絕緣隔離，電分相為不帶電的中性區(qū)。列車到達(dá)電分相時(shí)失去電力，靠慣性通過[1]。耿敬春、唐亮、崔衍渠等人分別就基于CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)動(dòng)車組列車自動(dòng)過分相運(yùn)行檢算[2]、電分相設(shè)置對(duì)高速動(dòng)車組運(yùn)行速度及時(shí)分影響研究[3]、電分相對(duì)區(qū)間通過信號(hào)機(jī)布置的影響分析等問題進(jìn)行研究和探討，對(duì)電分相設(shè)計(jì)過程中確定位置、區(qū)間信號(hào)點(diǎn)(或信號(hào)機(jī))的布置具有重要的參考意義。但值得注意的是，以上探討都基于正常運(yùn)營(yíng)條件。

所謂正常運(yùn)營(yíng)條件，是指列車正常運(yùn)行(列車在電分相后方車站為通過或起停車)時(shí)通過電分相；另外考慮動(dòng)車組列車因故停于區(qū)間通過信號(hào)點(diǎn)前，之后重新起車，獲得一定的入口初速度后惰行通過電分相無電區(qū)，CTCS-3和CTCS-2條件下動(dòng)車組過電分相為車載設(shè)備計(jì)算機(jī)控制下的自動(dòng)過分相。除上述情況外，實(shí)際運(yùn)營(yíng)中還可能遇到更為復(fù)雜的運(yùn)營(yíng)條件，而國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者對(duì)特殊復(fù)雜運(yùn)營(yíng)條件下的電分相設(shè)計(jì)及運(yùn)營(yíng)情況研究不多。因此，本文重點(diǎn)探討特殊復(fù)雜運(yùn)營(yíng)條件下的電分相設(shè)計(jì)及運(yùn)營(yíng)中需注意的幾個(gè)問題。

1 復(fù)雜運(yùn)營(yíng)條件的定義

《鐵路技術(shù)管理規(guī)程(高速鐵路部分)》[4-6](如下簡(jiǎn)稱高鐵技規(guī))第十八章、第十九章分別規(guī)定了設(shè)備故障行車組織、非正常行車組織辦法。其中，第十九章非正常行車的“列車停在接觸網(wǎng)分相無電區(qū)”小節(jié)中，規(guī)定了列車停在接觸網(wǎng)分相無電區(qū)的具體操作方法和要求?？偨Y(jié)來說，即以換弓、退行闖分相等自救方法不具備自救條件時(shí)，采用向中性區(qū)遠(yuǎn)動(dòng)送電的方法或組織救援列車方案。筆者認(rèn)為非正常行車組織條件概率較低，本次不再贅述。

高鐵技規(guī)第十八章《設(shè)備故障行車》規(guī)定了15種設(shè)備故障情況下的行車組織方法。與接觸網(wǎng)電分相設(shè)計(jì)及運(yùn)營(yíng)相關(guān)的設(shè)備故障情況有列控車載設(shè)備不能正常使用、LKJ及機(jī)車信號(hào)故障、區(qū)間通過信號(hào)機(jī)故障或閉塞分區(qū)軌道電路非列車占用紅光帶、自動(dòng)過分相地面設(shè)備故障等。

高鐵技規(guī)第98條、第108條分別規(guī)定了CTCS-3級(jí)列控車載設(shè)備和CTCS-2級(jí)列控車載設(shè)備的7種工作模式，分別為：完全監(jiān)控模式、引導(dǎo)模式、目視行車模式、調(diào)車模式、休眠模式、隔離模式和待機(jī)模式。結(jié)合高鐵技規(guī)，設(shè)備故障行車中與電分相設(shè)計(jì)及運(yùn)營(yíng)相關(guān)的工作模式分為目視行車模式、隔離模式兩種。目視行車模式是司機(jī)控車的固定限速模式，限速 40 km/h；隔離模式是列控車載設(shè)備故障后停用的模式，司機(jī)控車以不超過40 km/h的速度運(yùn)行。以上3種模式最高限速都是40 km/h，故將此類復(fù)雜運(yùn)營(yíng)條件定義為設(shè)備故障限速40 km/h。

高鐵技規(guī)第309～313條規(guī)定了列控限速管理的具體辦法。列控限速作為運(yùn)營(yíng)過程中常用的功能，對(duì)電分相設(shè)計(jì)提出了更高的要求；電分相位置一旦確定，當(dāng)列控限速過低時(shí)，可能導(dǎo)致動(dòng)車組列車無法依靠慣性惰行通過電分相無電區(qū)，造成行車事故，故對(duì)列控限速同樣提出了限制性的要求。綜上分析，本次將此類復(fù)雜運(yùn)營(yíng)情況定義為列控限速。

2 設(shè)備故障限速40 km/h對(duì)電分相設(shè)計(jì)的要求

當(dāng)采用目視行車模式、隔離模式等情況下，動(dòng)車組最高限速40 km/h。這兩種情況下均為司機(jī)操作手動(dòng)過分相。司機(jī)在目視行車模式下操作過分相以“斷”、“合”標(biāo)作為起止點(diǎn)。由于高速鐵路電分相形式有長(zhǎng)、短分相(6跨、12跨、13跨、14跨等)等不同形式，在具體項(xiàng)目設(shè)計(jì)或線路運(yùn)營(yíng)過程中，需根據(jù)具體電分相設(shè)備的形式來分析動(dòng)車組的惰行無電區(qū)長(zhǎng)度，從而分析設(shè)備故障限速40 km/h條件下的電分相適應(yīng)性。

研究方法上，推薦采用牽引計(jì)算軟件模擬的方法，即：在設(shè)定的坡度上，以入口速度v1=40 km/h為前提條件，用牽引計(jì)算軟件進(jìn)行動(dòng)車組的惰行過程模擬，將出清電分相后的出口速度v2和特定安全值v0進(jìn)行對(duì)比，即可得到相應(yīng)坡度的適應(yīng)性。特定安全值v0理論上大于0即可，根據(jù)鐵路運(yùn)營(yíng)部門的調(diào)研結(jié)果，建議一般不低于20 km/h，本次研究暫按20 km/h取值。即：出口速度v2若大于20 km/h，表示此電分相的坡度適應(yīng)設(shè)備故障限速40 km/h；否則不能適應(yīng)設(shè)備故障限速40 km/h情況，在行車組織細(xì)則制定時(shí)應(yīng)特別說明。

我國(guó)中西部某高速鐵路速度目標(biāo)值350 km/h、擬開行CRH380AL系列動(dòng)車組，設(shè)計(jì)采用短分相，如圖1所示，經(jīng)分析，斷、合標(biāo)間距離為670 m。

圖1 某線路電分相形式示意圖

以本項(xiàng)目的惰行無電區(qū)長(zhǎng)度為670 m為前提，通過反復(fù)試算，電分相所在的坡度從1‰逐漸增加至6‰時(shí)，出口速度為21.8 km/h(運(yùn)行工況如圖2所示)，大于20 km/h；但坡度增至7‰時(shí)，出口速度為 15.5 km/h(運(yùn)行工況如圖3所示)，小于20 km/h。

圖2 目視行車過分相示意圖(6‰坡度)

圖3 目視行車過分相示意圖(7‰坡度)

因此，目視行車模式下，能通過電分相(出口速度>20 km/h)的最大上坡度為 6‰。分相上坡方向超過6‰的電分相，不可組織動(dòng)車組在該區(qū)間以目視行車模式運(yùn)行，否則無法惰行過分相。

本次研究還計(jì)算了極限條件特定安全值v0為0，坡度為8‰的出口速度為8.8 km/h；坡度為9‰時(shí)將導(dǎo)致坡停，動(dòng)車組列車將無法正常通過電分相無電區(qū)。值得注意的是，以上數(shù)據(jù)均以斷合標(biāo)間距670 m惰行長(zhǎng)度為計(jì)算前提，具體項(xiàng)目應(yīng)具體分析。

3 列控限速對(duì)電分相設(shè)計(jì)要求及運(yùn)營(yíng)建議

(1)列控限速要求

高鐵技規(guī)第十四章對(duì)限速管理進(jìn)行了規(guī)定，其中第309～313條具體規(guī)定了列控限速的定義、設(shè)置、命令執(zhí)行及設(shè)置不成功的處理方法。分析高鐵技規(guī)具體要求可以看出：列控限速仍然為列控車載設(shè)備控車條件下，動(dòng)車組通過分相原則上還是以列控車載設(shè)備自動(dòng)過分相；列控限速按檔分為不同的限速等級(jí)，最低為45 km/h；設(shè)置列控限速時(shí)，應(yīng)按照不高于限速值的原則選擇相應(yīng)限速等級(jí)進(jìn)行設(shè)置，但低于45 km/h的限速按45 km/h設(shè)置。

(2)研究思路

電分相位置一旦設(shè)計(jì)確定后，采用牽引電算軟件，以列控臨時(shí)限速最低檔45 km/h作為電分相的入口速度，以出口速度不低于20 km/h(暫定)為標(biāo)準(zhǔn)，判斷是否可行。若出口速度大于20 km/h，則繼續(xù)利用牽引計(jì)算的方法，能反推模擬到最低入口速度；若以45 km/h入口速度計(jì)算的出口速度小于20 km/h，則不斷增大入口速度，從而可得出口速度等于20 km/h時(shí)的入口速度。采用上述方法計(jì)算的入口速度，可作為指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)營(yíng)的最低速度，供運(yùn)營(yíng)調(diào)度人員參考。

(3)案例

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，我們對(duì)下坡方向的電分相在列控限速條件下的運(yùn)行情況進(jìn)行系統(tǒng)的分析和模擬，對(duì)電分相惰行區(qū)平均坡度進(jìn)行分析，以初速度45 km/h通過分相無電區(qū)后，其出口速度均大于20 km/h。也就是說，下坡方向一般不構(gòu)成對(duì)列控限速的限制因素。值得注意的是，有些鐵路電分相雖然無電區(qū)在下坡上，但惰行區(qū)域其他地段可能在上坡道上時(shí)，需通過實(shí)際分析、計(jì)算后確定。

以下分析均基于電分相為上坡道方向時(shí)的列控限速要求。前述高速鐵路案例具體電分相設(shè)置方案模擬計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 電分相對(duì)列控限速適應(yīng)情況計(jì)算表(惰行長(zhǎng)按1 200 m)

由表1可以看出，在+1至+4‰上坡道上，以列控最低限速45 km/h作為入口速度，其惰行通過電分相后的出口速度均大于20 km/h，表明當(dāng)電分相設(shè)置在1‰～4‰的上坡道時(shí)，不控制列控限速。自+5‰坡道開始，惰行通過電分相后的出口速度開始低于20 km/h，且超過+7‰(含)后，動(dòng)車組將停車于電分相惰行范圍內(nèi)。

對(duì)不滿足出口速度求算其最低入口速度按表1取值。以+10‰為例，列控限速理論計(jì)算不得低于60 km/h，以+30‰為例，列控限速理論計(jì)算不得低于98 km/h。由于研究方法及計(jì)算均基于理論分析和軟件模擬，其實(shí)際效果可能與加載了列控設(shè)備的動(dòng)車組實(shí)際運(yùn)行工況有差異。故基于安全及保守原則，建議在實(shí)際運(yùn)營(yíng)及設(shè)置列控臨時(shí)限速時(shí)，在理論模擬、計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上上浮5～10 km/h。

4 結(jié)論

本文通過對(duì)復(fù)雜運(yùn)營(yíng)條件下的電分相設(shè)計(jì)及運(yùn)營(yíng)進(jìn)行分析，得出以下主要結(jié)論：

(1)設(shè)備故障限速40 km/h情況下，目視行車模式下司機(jī)手動(dòng)操作過分相受到特定坡度值的限制。以斷合標(biāo)間距670m的惰行距離為例計(jì)算，出口速度滿足20 km/h的最大坡度為+6‰；滿足大于0時(shí)的極限坡度為+8‰；超過(含)+9‰以上坡度將導(dǎo)致坡停。結(jié)合具體項(xiàng)目電分相形式計(jì)算的結(jié)果，可作為今后運(yùn)營(yíng)管理部門制定行車組織細(xì)則的參考依據(jù)。路局實(shí)際運(yùn)營(yíng)前，建議開展專題試驗(yàn)，做好目視行車模式的組織工作。

(2)有電分相的區(qū)段或區(qū)間，應(yīng)盡量不設(shè)置列控臨時(shí)限速。電分相設(shè)置在一定的坡道上，理論上在平直道及上坡道上總存在無法讓列車?yán)脩T性、惰行通過電分相無電區(qū)的入口速度，該速度隨著坡度值的增加而減小。因此，當(dāng)列控臨時(shí)限速值低于理論計(jì)算的入口速度時(shí)，將造成動(dòng)車組在電分相無電區(qū)內(nèi)停車。因此，建議在設(shè)置有電分相的區(qū)間或區(qū)段，盡量不設(shè)置列控臨時(shí)限速地段。

(3)在項(xiàng)目施工圖設(shè)計(jì)階段，建議對(duì)已設(shè)計(jì)的電分相位置進(jìn)行列控最低限速要求計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果上報(bào)建設(shè)單位、運(yùn)營(yíng)單位，供將來實(shí)際運(yùn)營(yíng)設(shè)置列控限速時(shí)參考、借鑒。

(4)通過本次研究可以看出，電分相惰行1.2 km前提條件下，為滿足列控限速或目視行車等極限運(yùn)營(yíng)情況，電分相的位置，有條件時(shí)盡量設(shè)在不超過4‰的坡道上，一般情況下建議不超過6‰。對(duì)具體項(xiàng)目，設(shè)計(jì)過程中應(yīng)結(jié)合實(shí)際設(shè)置的平、縱斷面和具體檢算適應(yīng)情況[7-8]。

(5)由于CRH380AL(14M2T)動(dòng)拖比較高，是當(dāng)前我國(guó)牽引特性最好的動(dòng)車組，實(shí)際運(yùn)營(yíng)中的復(fù)興號(hào)CR400AF或CR400BF及其他動(dòng)車組的牽引性能均不如CRH380AL，具體項(xiàng)目研究設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)根據(jù)選定的特定動(dòng)車組類型進(jìn)行各種運(yùn)營(yíng)邊界條件的計(jì)算和確定。