車輛自動過分相系統(tǒng)研究

倪大勇 于偉凱

[摘 要] 文章根據(jù)線路環(huán)境、主斷斷開方式及控制方式，描述了三種自動過分相方式的組成及控制原理，分析三種自動過分相的優(yōu)缺點(diǎn)，并就目前動車組的自動過分相控制方式提出建議。

[關(guān)鍵詞] 自動過分相；地面自動過分相；地面感應(yīng)磁鋼過分相；車載設(shè)備自動過分相

[作者簡介] 倪大勇，南車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司工程師，研究方向：機(jī)車車輛通信信號，山東 青島，266111；于偉凱，南車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東 青島，266111

[中圖分類號] U260.36 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [文章編號] 1007-7723（2013）01-0045-0004

接觸網(wǎng)是為電力機(jī)車或電動車組提供電能的特有供電線路，是電氣化軌道交通牽引供電系統(tǒng)的重要組成部分。我國電氣化鐵路采用工頻單相交流制供電，為了減小單相電力牽引負(fù)荷對電力系統(tǒng)造成的不良影響，牽引變電所的各供電臂需換相供電，如圖1所示。圖中A、B、C分別指牽引變壓器輸出的A、B、C三相電。

在普速接觸網(wǎng)中，電力機(jī)車過分相是由司機(jī)根據(jù)地面指示標(biāo)志，手動降弓通過接觸網(wǎng)分相絕緣區(qū)的。而在高速運(yùn)行中，靠司機(jī)手動降弓過分相是不可靠、不安全、不現(xiàn)實(shí)的；在高速電氣化鐵路中，為了提高過分相的安全性、可靠性并最大限度地減少動能損失，通常采用自動過分相方式來代替手動方式過分相。目前車輛自動過分相主要有地面自動過分相、地面感應(yīng)磁鋼自動過分相、車載設(shè)備自動過分相三種形式。

一、自動過分相

（一）地面自動過分相

地面過分相的工作原理見圖2。在接觸網(wǎng)分相處嵌入一個(gè)中性段，其兩端分別由絕緣器JY1、JY2與二相接觸網(wǎng)絕緣。JY1、JY2不采用一般的由絕緣物構(gòu)成的分相絕緣器，而采用錨段關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，以保證受電弓滑過時(shí)能連續(xù)受流。2臺真空負(fù)荷開關(guān)QF1、QF2分別跨接在JY1、JY2上，使接觸網(wǎng)兩相能通過它們向中性段供電。在線路邊設(shè)置4臺無絕緣軌道電路CG1～CG4作為機(jī)車位置傳感器。無車通過時(shí)，2臺真空負(fù)荷開關(guān)均斷開，中性段無電。當(dāng)機(jī)車從A相駛來達(dá)到CG1處時(shí)，真空負(fù)荷開關(guān)QF1閉合，中性段接觸網(wǎng)由A相供電。待機(jī)車進(jìn)入中性段、到CG3處時(shí)，QF1分?jǐn)啵琎F2隨即迅速閉合，完成中性段的換向過程。由于此時(shí)中性段已由B相供電，機(jī)車可以在不用任何附加操縱、負(fù)荷基本不變的條件下通過相分段。待機(jī)車駛離CG4處后，QF2分?jǐn)?、裝置回零。反向來車時(shí)，由控制系統(tǒng)自動識別，控制2臺真空負(fù)荷開關(guān)以相反順序輪流閉合，采用這種方法過分相，斷電時(shí)間約為0.1 s～0.15 s。

（二）地面感應(yīng)磁鋼自動過分相

1. 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)組成包括以下設(shè)備：

（1）地面感應(yīng)信號接收器（或稱車感器）：基于電磁感應(yīng)原理，感應(yīng)接收線圈與地面感應(yīng)器的磁場相結(jié)合，完成系統(tǒng)的定位識別。

（2）地面感應(yīng)器：地面感應(yīng)器是嵌入到軌枕里的永久磁鐵。

（3）信號處理器：控制系統(tǒng)是由系統(tǒng)信號處理單元以及控制單元組成。系統(tǒng)控制單元則由動車組的控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，主要功能是采集由系統(tǒng)信號處理器輸出的定位信息、動車組速度、司機(jī)指令、牽引電流、供電網(wǎng)壓等相關(guān)機(jī)車信息，并根據(jù)接收到信號處理器輸出的定位信息、動車組運(yùn)行速度，確定控制牽引電流下降的速率和確定斷開主斷路器的位置。通過分相區(qū)后，根據(jù)接收到信號處理器輸出的定位信息，控制閉合主斷路器和控制牽引電流平穩(wěn)上升。

2. 工作原理

地面感應(yīng)裝置的具體布置圖如圖3所示：圖中1#地面感應(yīng)器為預(yù)告信號感應(yīng)器，2#地面感應(yīng)器為強(qiáng)迫感應(yīng)信號感應(yīng)器，3#為反向強(qiáng)迫感應(yīng)信號感應(yīng)器，4#為反向預(yù)告感應(yīng)信號感應(yīng)器。

地面感應(yīng)信號接收器是安裝在電力機(jī)車或動車組車體（如圖4所示），通過感應(yīng)地面感應(yīng)裝置完成列車定位和過分相動作觸發(fā)，當(dāng)電力機(jī)車通過電分相區(qū)時(shí)，地面感應(yīng)信號接收器將感應(yīng)一個(gè)幅值和寬度與機(jī)車運(yùn)行速度相對應(yīng)的信號。

在通過分相區(qū)前，動車組地面感應(yīng)過分相裝置應(yīng)能夠在列車高速運(yùn)行時(shí)通過裝于列車上的感應(yīng)接收器可靠地感應(yīng)到地面定位磁感應(yīng)器，并能把感應(yīng)到的分相預(yù)告信號和強(qiáng)迫斷開主斷路器信號傳送到自動過分相裝置的信號處理器，信號處理器應(yīng)能夠根據(jù)接收到的信息給動車組車輛信息控制系統(tǒng)傳送相應(yīng)指令，指導(dǎo)動車組控制系統(tǒng)發(fā)出動車組卸載、惰行并斷開主斷路器的功能，以此達(dá)到安全通過接觸網(wǎng)分相區(qū)的目的；通過分相區(qū)后，車載感應(yīng)接收器能夠通過接收地面定位磁感應(yīng)器發(fā)出的信息向信號處理器發(fā)出分相區(qū)已通過的信息，信號處理單元把相應(yīng)信息處理后向動車組控制系統(tǒng)傳送相應(yīng)指令，指導(dǎo)控制系統(tǒng)閉合主斷路器并恢復(fù)負(fù)載，自動過分相裝置復(fù)位，準(zhǔn)備通過下一個(gè)分相區(qū)。

（三）車載設(shè)備自動過分相

1. 車載設(shè)備自動過分相指令

車載設(shè)備（ATP）主要是通過輸出以下兩路信號來控制過分相：

一路是車載/磁鋼選擇信號（ATP/GFX），用以區(qū)分是由車載設(shè)備過分相系統(tǒng)（ATP）還是面感應(yīng)過分相裝置（GFX）來控制列車過分相；

一路用以驅(qū)動列車操縱過分相裝置。

2. 對應(yīng)CTCS等級的車載過分相

車載ATP系統(tǒng)存在CTCS2、CTCS3等級的ATP過分相控制方式，兩種等級下過分相控制方式分別如下：

（1）運(yùn)行等級為CTCS-3時(shí)

當(dāng)車載設(shè)備運(yùn)行等級為CTCS-3級時(shí)，ATP/GFX選擇信號輸出高電平（=“1”），此時(shí)由ATP控制列車過分相，列車收到該信號啟動ATP控制過分相裝置，ATP通過DMI向司機(jī)發(fā)出提示。此時(shí)，牽引供電分相信息與列車行車許可一起由RBC提供給列車，車載設(shè)備不處理接收到的應(yīng)答器提供的過分相信息。

當(dāng)列車運(yùn)行到距牽引供電分相區(qū)前一定距離時(shí)（行車許可已延伸到分相區(qū)時(shí)），RBC向列車發(fā)送前方分相區(qū)信息，包括：至分相區(qū)距離、分相區(qū)長度等。

車載設(shè)備接收到RBC傳送的前方被激活的分相區(qū)信息后，實(shí)時(shí)監(jiān)督列車運(yùn)行速度及位置，并進(jìn)行如下操作：

當(dāng)列車前端距分相區(qū)還有13秒（A點(diǎn)）走行距離時(shí)，車載DMI顯示列車通過前方分相區(qū)；

當(dāng)列車前端距分相區(qū)還有3秒（B點(diǎn)）走行距離時(shí)，車載設(shè)備通過1組繼電器接點(diǎn)或MVB（=“1”）條件，觸發(fā)列車相關(guān)過分相操作。

當(dāng)列車前端越過分相區(qū)一定距離（車頭距離工作受電弓的距離）（E點(diǎn)）后，車載設(shè)備取消原觸發(fā)列車相關(guān)過分相的操作。

詳細(xì)的過分相過程如圖5所示。

（2）運(yùn)行等級為CTCS-2時(shí)

當(dāng)車載設(shè)備運(yùn)行等級為CTCS-2級時(shí)，ATP/GFX選擇信號平常狀態(tài)輸出低電平。牽引供電分相信息與列車行車許可一起由應(yīng)答器提供給列車。

當(dāng)列車運(yùn)行到距牽引供電分相區(qū)前一定距離時(shí)（行車許可已延伸到分相區(qū)時(shí)），在分相區(qū)前相應(yīng)的兩組應(yīng)答器分別向列車發(fā)送分相區(qū)信息，包括：至分相區(qū)距離、分相區(qū)長度等。

車載設(shè)備接收到應(yīng)答器傳送的前方被激活的分相區(qū)信息后，ATP/GFX選擇信號輸出高電平（=“1”），此時(shí)由ATP控制列車自動過分相。

ATP實(shí)時(shí)監(jiān)督列車運(yùn)行速度及位置，并進(jìn)行以上相同于CTCS-3級的操作，不同之處在于在列車前段端越過分相區(qū)一定距離后，必須取消ATP/GFX選擇信號。詳細(xì)的過分相過程如圖6所示。

二、三種自動過分相方式對比

地面自動過分相、地面磁鋼感應(yīng)自動過分相、車載設(shè)備自動過分相系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)對比如下：

（一）地面自動過分相

優(yōu)點(diǎn)：車輛在通過中性區(qū)時(shí)，由安裝于地面的真空開關(guān)進(jìn)行切換，會導(dǎo)致車輛短時(shí)失電，但失電時(shí)間很短且與分相區(qū)長度無關(guān)。

缺點(diǎn)：由于動車組是被動地?cái)嚅_電源，在真空開關(guān)斷開時(shí)以及再次另一相真空開關(guān)合閘時(shí)，可能在中性區(qū)接觸網(wǎng)上會引發(fā)操作過電壓產(chǎn)生，不僅會直接造成接觸網(wǎng)燒傷斷線，牽引變電所饋線斷路器跳閘，中斷供電和運(yùn)輸，而且容易引起車頂過電壓保護(hù)設(shè)備動作，車上變壓器損壞，直接威脅牽引供電系統(tǒng)和車輛的安全運(yùn)行。

（二）地面磁鋼感應(yīng)自動過分相

優(yōu)點(diǎn)：很好地解決了地面自動過分相存在的弊端，采用車輛主動卸載，然后斷開主斷路由的主動斷開電源的自動過分相裝置。

缺點(diǎn)：由于地面磁鋼位置已經(jīng)埋設(shè)固定，無法更改，而車輛在進(jìn)入分相區(qū)前斷開主斷路由需要一定的動作時(shí)間，這樣地面磁鋼的位置以及主斷路由的動作時(shí)間就限制了車輛的速度不能超過一定限值，如果車輛速度超過限制，則會導(dǎo)致車輛帶電沖進(jìn)分相區(qū)，導(dǎo)致弓網(wǎng)拉弧等危害；而且失電時(shí)間與分相區(qū)長度有關(guān)，分相區(qū)長度越長，失電時(shí)間也越長。

（三）車載設(shè)備自動過分相

優(yōu)點(diǎn)：車載設(shè)備自動過分相綜合考慮了主斷動作時(shí)間、車輛運(yùn)行速度以及與分相區(qū)的距離因素，避免了地面磁鋼感應(yīng)自動過分相的弊端，且為主動斷開電源，也解決了地面自動過分相系統(tǒng)的缺點(diǎn)。

缺點(diǎn)：失電時(shí)間與分相區(qū)長度有關(guān)，分相區(qū)長度越長，失電時(shí)間也越長。

三、建 議

綜合以上論述，目前在滿足ATP運(yùn)營要求的CTCS2、CTCS3線路區(qū)段，可以采用車載設(shè)備自動過分相的方式進(jìn)行過分相，同時(shí)，將地面磁鋼感應(yīng)自動過分相方式作為車載設(shè)備自動過分相方式的一種冗余備用，在車載設(shè)備故障或者地面不滿足ATP系統(tǒng)CTCS2、CTCS3運(yùn)營要求時(shí)，可直接采用地面磁鋼感應(yīng)進(jìn)行車輛自動過分相；但是從車輛運(yùn)營角度長遠(yuǎn)考慮，最優(yōu)過分相方式還是車輛失電時(shí)間最短、對車輛速度影響最小的地面過分相，故建議繼續(xù)深化研究地面過分相在兩分相區(qū)切換時(shí)所造成的過電壓以及諧波振蕩的解決方案。

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