高速鐵路動車組過電分相的列控分閘區(qū)系統(tǒng)技術探討

李紅梅

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司電化處,武漢 430063)

1 概述

我國電氣化鐵道均采用25 kV單相工頻交流供電制式,為了平衡三相供電負荷,提高電力系統(tǒng)利用率,電氣化鐵道牽引變電所采用輪換接線、換相分段供電方式,無論采用何種供電制式,接觸網都不可避免地要設置電分相設施。既有線及普速鐵路電力機車過分相技術發(fā)展多年,是影響鐵路運輸事故頻繁的主要風險之一。

隨著我國高速鐵路的建設和發(fā)展,250 km/h及以上的旅客運輸中采用的是動車組列控過分相技術。該系統(tǒng)技術利用地面應答器、列控系統(tǒng)和車載系統(tǒng),實現了動車組在過接觸網電分相時,依據列控分閘區(qū)的精確參數設置和地面應答器布置,動車組主斷路器在車載設備控制下的分閘和合閘操作,避免了司機疲勞駕駛時手動誤操作帶電闖分相,燒毀接觸網的故障,確保動車組過分相時無電、不帶負荷、安全準確地自動通過電分相的運行，提高了高速運行時動車組過分相的準確性、安全性和可靠性。列控或車載故障時配合行車組織管理和地面斷合標的合理設置,提高了牽引供電系統(tǒng)運行的安全可靠性,有效地提高了高速鐵路綜合運輸能力。

2 高速鐵路接觸網電分相的類型

高速鐵路采用帶無電區(qū)的雙斷口錨段關節(jié)式電分相,中性區(qū)長度需根據受電弓的數量、間距及運用方式等因素綜合確定,并符合雙向行車要求。以錨段關節(jié)的形式實現過電分相,使機車在高速運行時,受電弓平穩(wěn),保證設備良好運行及受流質量。

我國實際運營中容易出現違規(guī)操作導致取流過分相引起燃弧、燒損或燒斷承力索的事故。高速鐵路牽引供電能力大,牽引電流較大,一旦動車組受電弓過分相時誤操作發(fā)生燃弧甚至引起相間短路,是極其重大的運輸事故。

接觸網設計應考慮在中性段或無電區(qū)長度方面參照列車速度,適當考慮加大。根據國際標準IEC62486和運營經驗,電分相無電區(qū)一般不小于最大取流受電弓間距加120 m。電分相無電區(qū)或中性段的長度符合雙弓運行需要時有兩大方式,即使無電區(qū)的長度大于雙弓間距的長無電區(qū)分相方案,或使中性段的長度小于雙弓間距的短中性段電分相。350 km/h技術標準的京津城際、武廣鐵路客運專線、鄭西客運專線均采用的是無電區(qū)的長度大于雙弓間距的長無電區(qū)分相方案,250 km/h技術標準的合寧、合武鐵路采用的是同時兼顧貨運要求的6跨或7跨的短中性段電分相。

武廣鐵路客運專線烏韶段接觸網電分相,在工程情況具備條件時,采用的是按無電區(qū)不小于最大雙弓距離的電分相關節(jié)的長無電區(qū)電分相(圖1),與京津城際和武廣接觸網系統(tǒng)負責外方的技術方案原則是一致的,極少數困難工點采用的是我國常規(guī)鐵路基礎上自主創(chuàng)新的、中性段不大于最大雙弓距離190 m的新型6跨電分相關節(jié)的短中性段電分相(圖2)。

短中性段電分相在動車組誤動(操)作帶電闖中性段時,會導致相間短路、拉弧塌網的運行安全風險,決定于動車組能否在分相區(qū)邊界外可靠分閘；長無電區(qū)電分相從接觸網的構成本身避免了上述嚴重事故的發(fā)生,是最安全可靠的電分相結構。其不足之處是當非正常行車情況下,電分相對應入口速度不滿足通過要求時,存在動車組停在無電區(qū)的風險。但是接觸網電分相關節(jié)在分相兩端均設置了滿足雙向運行的常開電動負荷開關與兩側接觸網相連,可以在此工況下,通過調度和遠動控制,供動車組帶電駛出無電區(qū)。

圖1 多跨雙斷口長無電區(qū)電分相示意(單位：m)

圖2 6跨雙斷口短中性段電分相示意

根據鐵道部科技司的2009年度科研項目《客運專線電分相設置與運行時分關系的仿真評估》的初步研究結論,即使在20‰大坡道上的長無電區(qū)電分相,動車組以350 km/h過分相分閘區(qū)時,每個電分相引起的速度損失約16 km/h,但是對全線運行時分的損失僅不到5 s,因此選擇長無電區(qū)電分相是高速鐵路安全運輸的可靠技術方案。

3 動車組過分相的列控分閘區(qū)的定義

動車組過分相的列控分閘區(qū)長度是在接觸網電分相無電區(qū)的基礎上,結合正常行車時車載控車要求進行確定的,列控分閘區(qū)邊界列控數據應滿足動車組和接觸網的安全運行要求。

據動車組制造商提供的數據,動車組車載設備根據列控數據的設置,如CRH2型動車組在過分相的列控分閘區(qū)進口里程前3 s(CRH3根據前10 s預斷和保護控制實現)啟動主斷路器的分閘操作,確保在受電弓進入分閘區(qū)進口前斷電；動車組出分相時,如CRH2型動車組是根據單雙弓的運行方式,判斷最后一個受電弓出清分閘區(qū)出口列控里程時,繼續(xù)運行130 m后主斷路器合閘,CRH3型動車組則是根據最后一個受電弓的帶電檢測保護回路啟動主斷路器合閘。

根據以上技術數據,為了使我國高速鐵路動車組過分相安全可靠不產生燃弧等事故,列控設計需結合接觸網電分相結構的不同,便于現場施工定測,動車組過分相的列控分閘區(qū)一般可以按以下原則進行布置。

長無電區(qū)分相時,列控分閘區(qū)的入口里程和出口里程宜設置在接觸網電分相的入口中心柱和出口中心柱處,運行雙弓間距在215 m以下時列控分閘區(qū)長度一般不小于420 m,滿足國際最大雙弓間距400 m時一般不小于600 m。

短中性段電分相,列控分閘區(qū)的入口里程和出口里程宜設置在接觸網電分相的入口下錨柱和出口下錨柱處,一般列控分閘區(qū)長度不大于290 m。

4 對動車組過分相的分閘區(qū)近邊界最低速度的行車組織管理要求

在正常運營行車時,為確保列控運行模式時動車組過分相不在分閘區(qū)停車,需行車組織對動車組過分相的入口最低速度提出操控規(guī)定。

根據動車組過分相分閘區(qū)長度和車載控車時間距離等的計算分析,動車組在部分監(jiān)控模式(設定限制速度)、或引導模式(小于40 km/h)、或目視行車模式(小于40 km/h)狀態(tài)下運行時,即使采用短電分相配合的分閘區(qū)方案,也會在出站口或上坡道電分相處的分閘區(qū)內出現停車現象。在這種工況下,需確定動車組停在電分相無電區(qū)后,由行車組織調度SCADA遠動系統(tǒng),控制接觸網分相開關合閘,給停在電分相無電區(qū)的動車組供電。

5 結語

在設計中需根據電分相設置位置,由行車根據列控分閘區(qū)的技術參數,逐一對全線電分相處的列控分閘區(qū)入口邊界速度進行檢算,尤其是車站出口和較大坡道(16‰及以上)設置接觸網電分相時,將動車組過分相的列控分閘區(qū)情況和近邊界最低速度要求納入行規(guī),通過運營行車組織管理,即通過管理和技術的綜合手段的組合適用實現系統(tǒng)技術方案的最優(yōu)性能,是最佳解決途徑。

[1] 鐵道部.鐵路客運專線技術管理辦法(200～250 km/h)(試行)[S].北京：2009.

[2] TB10009—98，鐵路電力牽引供電設計規(guī)范[S].

[3] 鐵運[1999]102號，接觸網運行檢修規(guī)程[S].

[4] DS997 01，德國鐵路規(guī)范[S].

[5] 日本.電氣設施設計施工標準[S].

[6] 法國.接觸網安裝形式SNCF[S].

[7] 鐵建設[2007]47號.新建300～350 km客運專線設計暫行規(guī)定[S].