動車組不分閘過電分相技術(shù)對比分析

楊 浩，韓正慶，崔建強

0 引言

為了減少牽引負荷給電力系統(tǒng)帶來的負序影響，國內(nèi)電氣化鐵道牽引變電所采用輪換接線，分段換相的接線方式。無論是直供、AT供電或者BT供電方式，在變電所的出口處和分區(qū)所都無可避免地要設(shè)置電分相。從目前國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀來看，機車通過電分相的技術(shù)方案主要有3種：地面開關(guān)自動切換方案、柱上開關(guān)自動斷電方案、車載自動控制斷電方案[1～3]。

隨著國內(nèi)高速鐵路的不斷發(fā)展，自動過電分相的技術(shù)也在日益成熟。國內(nèi)的高速鐵路線路在通過電分相時主要采用車載自動控制斷電方案，京滬高速鐵路為了滿足時速 350 km的世界最高運營速度，采用了動車組不分閘過電分相技術(shù)。所謂動車組不分閘過電分相技術(shù)是指：在地面自動過電分相系統(tǒng)的配合下，動車組不分開車上主斷路器，帶負荷通過電分相的運行技術(shù)[4]。

動車組不分閘自動過電分相系統(tǒng)主要由中性段、機車位置檢測裝置、切換控制裝置和切換斷路器4個部分組成。當(dāng)動車組進入電分相的中性段之前，由機車位置檢測裝置發(fā)出機車位置信號，切換控制裝置收到位置信號后控制相應(yīng)的切換斷路器合分。考慮到切換斷路器在切換過程中可能出現(xiàn)的拒動和誤動，還有開關(guān)檢修，因而采取了不同的開關(guān)設(shè)置方案。本文就3種常見的電分相處的接線方案進行對比分析，并給出選取建議。

1 自動過電分相的工作原理

地面開關(guān)自動切換過電分相是當(dāng)機車經(jīng)過電分相時，通過預(yù)埋在地上的傳感器 CG1—CG4檢測機車的位置信號，并控制其相應(yīng)的真空斷路器的分合，實現(xiàn)電分相兩端供電臂對電力機車輪換供電，其結(jié)構(gòu)與原理如圖1所示。當(dāng)沒有電力機車經(jīng)過時，QF1處于合位，QF2分位。當(dāng)機車經(jīng)過CG1時，中性段由α相供電；當(dāng)機車行駛到CG2尚未到達CG3時，傳感器CG2控制QF1分位，QF2合位，此時中性段改由β相供電；當(dāng)機車駛離CG4時，傳感器CG4控制QF1合位，QF2分位，真空斷路器QF1和QF2恢復(fù)到?jīng)]有機車經(jīng)過時的狀態(tài)。機車反向行駛時的過程與上述過程類似。

圖1 地面開關(guān)自動切換方案示意圖

2 機車位置檢測方案

由上述原理可知，動車組在通過電分相時，需要對動車組位置給出準確的判斷，進而由切換控制裝置向切換開關(guān)發(fā)出動作命令。然而考慮到不同的路況，比如橋梁、隧道、坡道或者駝峰場等，又有客運專線，貨運專線，高速鐵路專線線路的不同，并結(jié)合國內(nèi)不同地區(qū)的氣候環(huán)境和地理特點，因而在對機車位置檢測時采取了不同的方案。

2.1 軌道電路檢測方案

軌道電路檢測方案工作原理：軌道電路以2條鋼軌為導(dǎo)線，通過設(shè)置絕緣節(jié)使得信號電流只能在一定長度內(nèi)流通，在該段長度內(nèi)一端接上軌道電源，一端接上軌道繼電器，形成一個軌道檢測回路，傳遞列車對軌道的占用信息[5，6]。

軌道電路檢測機車位置的方案主要應(yīng)用于客運專線，ZPW-2000A移頻軌道電路信息量大，具有濾波特性，不易受環(huán)境影響，被廣泛應(yīng)用于國內(nèi)新型高速鐵路。該方案與軌道關(guān)聯(lián)密切，對軌道周圍的環(huán)境敏感度不高，技術(shù)成熟，因而適用于新型客運專線和高速鐵路專線。

2.2 計軸設(shè)備檢測方案

計軸設(shè)備由電源、雙磁頭傳感器、采集板、計軸板繼電器輸出單元和計軸器復(fù)位單元組成。其工作原理：在鋼軌兩側(cè)安裝計軸設(shè)備，檢測列車通過線路上某一計軸點的車軸數(shù)，通過計算2個計軸點的輪軸數(shù)，判斷軌道區(qū)段的占用情況[7，8]。

計軸設(shè)備安裝簡單，軌道區(qū)段長度不受設(shè)備本身限制，脫離了鋼軌媒介，不受鋼軌表面清潔度影響，沒有軌道電路存在的“死區(qū)段”。但該設(shè)備易受金屬物干擾，且工程造價相對較高。計軸設(shè)備檢測技術(shù)較為成熟，在國內(nèi)外已有很多成功的應(yīng)用先例，因而可以廣泛用于客運專線和高速鐵路。

2.3 其他檢測方案

除了上述2種常用的機車位置檢測方案外，目前國內(nèi)外應(yīng)用的檢測方案還有雷達系統(tǒng)位置檢測、紅外線系統(tǒng)位置檢測、光幕設(shè)備位置檢測以及射頻接觸卡位置檢測。

其中雷達系統(tǒng)位置檢測主要用于駝峰場測速，紅外線系統(tǒng)位置檢測主要用于貨車低速檢測，射頻接觸卡位置檢測主要用于部分貨運列車。但是目前上述技術(shù)尚不成熟，有待進一步研究與改進，結(jié)合國內(nèi)各地區(qū)地理特點和環(huán)境因素可以參考使用。

3 切換開關(guān)的電氣主接線

3.1 第1種接線方案

第1種切換開關(guān)電氣主接線方案如圖2所示，它的主要設(shè)備包括：2套切換監(jiān)控裝置（執(zhí)行過電分相程序）；4臺單極斷路器（CB11、CB12、CB21、CB22，執(zhí)行切換）；6臺單極斷路器（CB1—CB6，切換故障時強斷）；保護裝置（配以電流速斷保護）；計軸裝置（檢測動車組位置）；CR裝置（限制過電壓）；6臺避雷器（限制雷電）；2 km高壓電纜；附件、箱體。

（1）可以采用圓弧邊分析法。所謂3點決定一個圓，1994年7月的325點、2005年6月的998點及2013年6月的1849點可作一圓弧邊，大致上支撐了2018年10月的2449點。但如今又再度接近此圓弧線，恐怕跌破的機會大一些。

圖2 第1種切換開關(guān)電氣主接線方案示意圖

第1種方案的投資約為500萬，其特點是地面冗余配置，兩側(cè)供電臂不用停電。

下面就不同工況下，各種開關(guān)的分合狀況進行討論：

（1）工況 1，正常運營情況下，動車組正向運行。動車組進入電分相之前，CB1、CB2、CB3和CB11處于合位狀態(tài)，其余開關(guān)處于分位狀態(tài)，此時，中性線由左邊供電臂α相供電，動車組進入中性線后，由切換監(jiān)控裝置控制CB11分閘，經(jīng)過300 ms的延時控制CB21合閘，此時中性線由右邊供電臂β相供電。動車組通過電分相后，所有開關(guān)恢復(fù)到動車組進電分相之前的狀態(tài)。

（2）工況2，動車組進入中性區(qū)，CB11拒分。此時單極斷路器CB1—CB3強斷，合CB4—CB6，再合上CB22。

（3）工況3，動車組進入中性區(qū)，CB11拒分，CB22拒合，此時單極斷路器CB1—CB6全部強斷。

（4）工況4，動車組進入中性區(qū)，CB11分閘后，CB21拒合。此時單極斷路器CB1—CB3強斷，合CB4—CB6，再合上CB22。

（5）工況5，裝置檢修狀態(tài)。單極斷路器CB1—CB6全部強斷，僅CB11合閘。

（6）工況 6，機車進入中性段后停車。單極斷路器CB1—CB6全部強斷，僅CB11合閘，合上右邊的隔離開關(guān) GK2，使滯留在中性線的機車受電駛離中性線。

3.2 第2種接線方案

圖3 第2種切換開關(guān)電氣主接線方案示意圖

第2種方案的投資約為450萬，特點是地面開關(guān)切換過電分相技術(shù)與車載自動斷電過電分相技術(shù)相配合，當(dāng)?shù)孛骈_關(guān)發(fā)生雙重切換故障時，啟動車載自動斷電過電分相，兩側(cè)供電臂不用停電，避免了機車帶電闖電分相。

不同工況下，各種開關(guān)的分合狀況如下：

（1）工況 1，正常運營情況下，動車組正向運行。動車組進入電分相之前，CB1、CB2、CB3和CB11處于合位，其余開關(guān)處于分位狀態(tài)，此時，中性線由左邊供電臂α相供電，動車組進入中性線后，由切換監(jiān)控裝置控制CB11分閘，經(jīng)過300 ms的延時控制CB21合閘，此時中性線由右邊供電臂β相供電。動車組通過電分相后，所有開關(guān)恢復(fù)到動車組進入電分相之前的狀態(tài)。

（2）工況2，動車組進入中性區(qū)，CB11拒分。此時單極斷路器CB1強斷，再合上CB21，使中性線由右邊供電臂β相供電。

（3）工況3，動車組進入中性區(qū)，CB1、CB11拒分。此時，單極斷路器 CB2強斷，其余開關(guān)不動作。

（4）工況4，動車組進入中性區(qū)，CB11分閘后，CB21拒合。此時，單極斷路器CB22合閘。

（5）工況5，裝置檢修狀態(tài)。單極斷路器CB1—CB3全部強斷，僅CB11合閘。

（6）工況 6，機車進入中性段后停車。單極斷路器全部強斷。合上右邊的隔離開關(guān) GK2，使滯留在中性線的機車受電駛離中性線。

3.3 第3種接線方案

第3種切換開關(guān)電氣主接線方案如圖4所示，它的主要設(shè)備包括：2套切換監(jiān)控裝置；4臺單極斷路器（CB11、CB12、CB21、CB22）；1 套連接柜（聯(lián)跳臨所）；2臺三極手動隔離開關(guān)（G1、G2）；保護裝置；軌道電路（檢測動車組位置）；CR裝置；6臺避雷器（限制雷電）；2 km高壓電纜；附件、箱體。

圖4 第3種切換開關(guān)電氣主接線方案示意圖

第3種方案的投資約為500萬，特點是地面冗余配置，切換故障則自動使兩側(cè)供電臂短時失電，并切換到備用機。

不同工況下，各種開關(guān)的分合狀況如下：

（1）工況 1，正常運營情況下，動車組正向運行。動車組進入電分相之前，三極手動隔離開關(guān)G1處于合位，CB11合位，其余開關(guān)處于分位狀態(tài)，此時，中性線由左邊供電臂α相供電。動車組進入中性線后，由切換監(jiān)控裝置控制CB11分閘，經(jīng)過300 ms的延時控制CB21合閘，此時，中性線由右邊供電臂β相供電。動車組通過電分相后，所有開關(guān)恢復(fù)到動車組進電分相之前的狀態(tài)。

（2）工況2，動車組進入中性區(qū)，CB11拒分。此時，三極手動隔離開關(guān) G1分，合 G2，再合上CB22，使中性線由右邊供電臂β相供電。

（3）工況3，動車組進入中性區(qū)，CB11拒分，CB22拒合。此時，G1分，G2分。

（4）工況4，動車組進入中性區(qū)，CB11分閘后，CB21拒合。此時三極手動隔離開關(guān)G1分，合上G2，再合上CB22，使中性線由右邊供電臂β相供電。

（5）工況 5，裝置檢修狀態(tài)。三極手動隔離開關(guān)G1、G2處于分位狀態(tài)。僅CB11合閘。

（6）工況 6，機車進入中性段后停車。三極手動隔離開關(guān)G1、G2處于分位狀態(tài)。合上右邊的隔離開關(guān) GK2，使滯留在中性線的機車受電駛離中性線。

上述3種主接線方案對比分析見表1所示。

表1 切換開關(guān)電氣主接線3種方案對比分析表

4 分析結(jié)論

動車組不分閘過電分相技術(shù)中，對機車位置進行檢測時，計軸設(shè)備脫離了鋼軌媒介，對環(huán)境的敏感度不高，抗干擾能力強，技術(shù)也比較成熟，因而推薦在高速鐵路中采用計軸設(shè)備檢測動車組位置。

對于切換開關(guān)的電氣主接線，第1種方案的優(yōu)點是通過配備6個單極斷路器實現(xiàn)常用—備用，設(shè)備的有效利用率高，可維護性強。缺點是采用單極斷路器切換常用—備用，切換時間會成為切換故障時的問題。第2種方案優(yōu)點是可靠性高，當(dāng)?shù)孛骈_關(guān)切換出現(xiàn)雙重切換故障時，轉(zhuǎn)為動車組斷電過電分相，避免了動車組帶電闖電分相。缺點是雙重切換故障或整體檢修時需要車載應(yīng)答器斷開動車組主斷路器。第3種方案優(yōu)點是依靠準確的故障檢出和停電處理實現(xiàn)極少的越區(qū)事故。缺點是和兩相鄰的牽引變電所的關(guān)聯(lián)密切，是大規(guī)模的系統(tǒng)。從工程造價來看，第2種方案要較為便宜，所需的開關(guān)數(shù)量相對較少，但是動車組檢測裝置需要配備1套動車組應(yīng)答器。

正常運行時，3種方案下動車組都會有300 ms的短時失電，故障時 3種方案的停電時間略有不同。第1種方案和第2種方案對牽引供電系統(tǒng)的影響可以不予考慮，但第2種方案需要與車輛協(xié)調(diào)配合，第3種方案發(fā)生故障時需要將兩側(cè)相鄰的變電所停電。綜合各方面來看，結(jié)合國內(nèi)高速鐵路的實際情況，以及第1種方案在國內(nèi)成功應(yīng)用經(jīng)驗，故推薦切換開關(guān)的電氣主接線采用第1種方案。

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