一種新型地面自動過分相系統(tǒng)研究

孫鵬程，王幫田，王其中

（許繼集團有限公司，河南許昌461000）

鐵道部在2007年全國鐵路科技大會上明確指出，突破鐵路發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)“瓶頸”，從大規(guī)模鐵路建設(shè)看，要建設(shè)世界一流水平的客運專線，必須下力量深化高速鐵路建設(shè)及運營管理等領(lǐng)域的基礎(chǔ)理論研究和一些關(guān)鍵技術(shù)的提升。自動過分相技術(shù)是牽引供電技術(shù)方面的關(guān)鍵技術(shù)之一。我國人口基數(shù)龐大，特別在春運期間，客流量大，發(fā)車間隔時間短，需要動車組在行駛過程中盡可能不要因為過分相而減速。我國城市分布的特點與日本及歐洲各國均有很大不同，表現(xiàn)為客運專線網(wǎng)規(guī)模大，主要城市間距離長，北京、上海、廣州和武漢4個客運專線中心樞紐間的距離都在1 000～2 000km范圍內(nèi)，高速列車在我國區(qū)域間主要城市的旅行時間要遠(yuǎn)大于日本和歐洲國家。因此，大量開行長行程高速列車將是我國客運專線的重要特點。長行程高速列車的過分相點多，采用現(xiàn)有車載過分相方案，列車動力丟失明顯，不能最大限度地壓縮運行時間，同時還存在列車維護工作量大、維護停運時間長等問題［1］。

為解決上述矛盾，滿足我國客運專線發(fā)展的需求，下面將從系統(tǒng)構(gòu)成、系統(tǒng)功能、工作原理及運行試驗等方面介紹一種新型地面自動過分相系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

新型地面自動過分相系統(tǒng)（以下簡稱“過分相系統(tǒng)”）用于交流50Hz、額定電壓27.5kV的電氣化鐵道接觸網(wǎng)分相區(qū)，具有按照既定控制程序讓動車組在車載主斷路器不分閘的工況下實現(xiàn)過分相的功能，同時具有開斷、關(guān)合負(fù)荷電流及短路電流的能力。本系統(tǒng)主要由列車位置檢測子系統(tǒng)（計軸信號）、邏輯控制子系統(tǒng)、保護子系統(tǒng)、后臺監(jiān)控子系統(tǒng)、執(zhí)行子系統(tǒng)、阻容吸收子系統(tǒng)等6大子系統(tǒng)組成，同時還配有輔助電源、防誤操作、環(huán)境監(jiān)控、照明等輔助系統(tǒng)，其系統(tǒng)構(gòu)成圖1所示。

圖1 系統(tǒng)構(gòu)成圖

2 系統(tǒng)功能

（1）依據(jù)從列車位置檢測子系統(tǒng)傳來的列車輪軸信息，經(jīng)過邏輯判斷，按照給定的控制程序來控制過分相開關(guān)的合、分，從而把過分相區(qū)兩側(cè)的接觸網(wǎng)電源按照給定程序依次導(dǎo)入中性段，使列車在車載主斷路器不分閘的工況下安全過分相。

（2）在檢測到開關(guān)系統(tǒng)故障信號時（比如開關(guān)的拒合、拒分故障，絕緣故障等），能夠通過控制斷路器的合、分，及時倒換到備用開關(guān)系統(tǒng)繼續(xù)運行，并閉鎖本套開關(guān)系統(tǒng)，確保行車安全。

（3）能夠及時準(zhǔn)確檢測到列車位置檢測子系統(tǒng)是否正常，異常情況發(fā)生時，能及時進行復(fù)歸并把異常信息上傳監(jiān)控后臺子系統(tǒng)，確保行車安全。

（4）當(dāng)本系統(tǒng)不可用時，能夠立即發(fā)出跳相應(yīng)牽引變電所饋線開關(guān)指令，確保行車安全。

（5）設(shè)置差流速斷保護，可以快速切除開關(guān)系統(tǒng)主回路的短路或絕緣故障，確保行車安全。

（6）設(shè)置阻容吸收子系統(tǒng)，有效降低諧振頻率、抑制過電壓，有效減小過分相切換開關(guān)操作時對機車、接觸網(wǎng)等設(shè)備的影響。

（7）設(shè)置后臺監(jiān)控子系統(tǒng)，實現(xiàn)遠(yuǎn)方對過分相系統(tǒng)內(nèi)各種開關(guān)的合（或分）控制、信號復(fù)歸、邏輯控制及保護裝置的參數(shù)整定等，并能實現(xiàn)相應(yīng)的報表處理、曲線顯示、實時打印等信息處理功能，能把采集到的各類信息量上傳調(diào)度，同時也能接受調(diào)度發(fā)出的指令并做相應(yīng)的處理。

（8）主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 主要技術(shù)參數(shù)

3 工作原理

401、403長壽命真空過分相開關(guān)與411、413、415單極真空斷路器組成1＃開關(guān)系統(tǒng)，405、407長壽命真空過分相開關(guān)與421、423、425單極真空斷路器組成2＃開關(guān)系統(tǒng)，形成相互完全獨立的冗余配置。當(dāng)正在運行的一組開關(guān)系統(tǒng)出現(xiàn)故障（比如開關(guān)的拒合、拒分）或檢修時，能自動切換到另一組開關(guān)系統(tǒng)繼續(xù)運行，確保行車安全，同時能有效提高本系統(tǒng)可使用性（見圖2）。

圖2 工作原理圖

下面就以左側(cè)來車、投入1＃開關(guān)系統(tǒng)為例簡要說明本新型地面自動過分相系統(tǒng)的工作原理。初始狀態(tài)4121、4123、4125上網(wǎng)隔離開關(guān)及411、413、415單極真空斷路器處于合位，其他開關(guān)都處于分位，中性段不帶電。當(dāng)機車駛?cè)肓熊囆盘柌杉cJ1、J1′時，車輪傳感器把采集到的列車輪軸信息通過數(shù)字信號電纜傳至室內(nèi)計軸主機屏，計軸主機屏對收集到的列車輪軸信息進行處理后再發(fā)出區(qū)段AG1及AG2“占用”及“正向”信號給邏輯控制子系統(tǒng)，邏輯控制子系統(tǒng)發(fā)出合閘指令合上401開關(guān)，中性段取A電源；當(dāng)機車駛?cè)胄盘柌杉cJ2、J2′時，車輪傳感器又把采集到的列車輪軸信息通過數(shù)字信號電纜傳至室內(nèi)計軸主機屏，計軸主機屏發(fā)出區(qū)段AG1及AG2“出清”和區(qū)段BG1及BG2“占用”及“正向”信號給邏輯控制子系統(tǒng)，邏輯控制子系統(tǒng)發(fā)出分閘指令分開401開關(guān)，延時150ms后合上403開關(guān)，中性段取B電源；當(dāng)列車駛出信號采集點J3、J3′時，車輪傳感器又把采集到的列車輪軸信息通過數(shù)字信號電纜傳至室內(nèi)計軸主機屏，計軸主機屏發(fā)出區(qū)段BG1及BG2"出清"信號給邏輯控制子系統(tǒng)，邏輯控制子系統(tǒng)發(fā)出指令分開403開關(guān)，從而完成一次完整的過分相過程，系統(tǒng)復(fù)原初始狀態(tài)，等待下一趟列車到來。右側(cè)來車的動作過程與上述左側(cè)來車類同。

保護子系統(tǒng)設(shè)置了差流速斷保護，用于快速切除主回路短路或絕緣故障。保護子系統(tǒng)設(shè)置了兩套完全獨立的過分相保護裝置：1＃過分相保護裝置保護1＃開關(guān)系統(tǒng)，控制411、413、415斷路器的保護分閘；2＃過分相保護裝置保護2＃開關(guān)系統(tǒng)，控制421、423、425斷路器的保護分閘。

阻容吸收子系統(tǒng)用于降低諧振頻率、抑制過電壓，減小過分相切換開關(guān)操作時對機車、接觸網(wǎng)的影響。41DC放電線圈用于阻容吸收子系統(tǒng)退出運行時對41C防護電容器進行放電，確保人身安全。41I電感在阻容吸收子系統(tǒng)不動作時呈低阻抗，起到分流的作用，在有效保護41R電阻的同時，也能避免整個阻容室因41R電阻發(fā)熱而導(dǎo)致溫度過高，影響其他設(shè)備的穩(wěn)定運行；而41I電感在阻容吸收系統(tǒng)動作時呈高阻抗，通過41I電阻的電流較大，能迅速消耗掉操作沖擊時所產(chǎn)生的能量。

4 運行試驗

為充分驗證本新型地面自動過分相系統(tǒng)的安全性、可靠性以及與其他相關(guān)設(shè)備的兼容性，根據(jù)鐵道部運輸局、科技司的指示和安排，本系統(tǒng)先后在武廣客運專線新烏龍泉牽引變電所進行了試運行（見圖3）以及在中國鐵道科學(xué)研究院（簡稱：鐵科院）環(huán)行基地進行CRH2型動車組在線運行試驗（見圖4）。

圖3 武廣客運專線新烏龍泉牽引變電所運行現(xiàn)場

圖4 鐵科院北京環(huán)形基地在線運行試驗現(xiàn)場

在武廣客運專線新烏龍泉牽引變電所的試運行期間，共計完成過分相2 000余次，車速12km／h到379 km／h，既有正向行車，也有反向行車，車型包括單編組動車、雙編組動車及工程車等不同車型。在試運行期間本系統(tǒng)能夠按照既定程序可靠動作，各種技術(shù)參數(shù)正常，設(shè)備運行良好。

在鐵科院環(huán)行基地進行的CRH2型動車組在線運行試驗，其試驗項目包括系統(tǒng)靜態(tài)沖擊試驗、過電壓測試、系統(tǒng)運行試驗時的動車組測試、系統(tǒng)對車載ATP干擾影響測試、系統(tǒng)故障場景模擬試驗以及系統(tǒng)在線穩(wěn)定性試驗。

4.1 系統(tǒng)靜態(tài)沖擊試驗

讓動車組靜止?？吭谥行远蝺?nèi)，由手動控制模擬動車組進入分相區(qū)，完成接觸網(wǎng)電壓轉(zhuǎn)換。

試驗共計進行了36次，切換過程中產(chǎn)生的過電壓不超過額定電壓的1.8倍，合分閘引起的切換過電壓未造成對機車、接觸網(wǎng)、變電所及本系統(tǒng)的絕緣破壞；合閘電涌也未造成變電所及本系統(tǒng)的保護誤動。

4.2 過電壓測試

過電壓測試分靜態(tài)試驗測試和動態(tài)試驗測試。靜態(tài)試驗為動車組靜止?？吭谥行远蝺?nèi)，由手動控制模擬動車組進入分相區(qū)，完成接觸網(wǎng)電壓轉(zhuǎn)換。動態(tài)試驗為動車組按正常程序通過中性段，本系統(tǒng)自動完成電壓切換程序。

（1）靜態(tài)試驗下的過電壓測試

靜態(tài)試驗下的過電壓測試與上述第1條系統(tǒng)靜態(tài)沖擊試驗的試驗方式、試驗次數(shù)及試驗結(jié)論一致，在此不再贅述。典型波形圖如圖5所示。

圖5 靜態(tài)試驗典型波形圖

（2）動態(tài)試驗下的過電壓測試

動態(tài)試驗為動車組按正常程序通過中性段，本系統(tǒng)自動完成電壓切換程序。試驗選取在惰行、牽引滿級、電制動滿級、小級位制動等4種工況下分別以30，80，120km／h和160km／h速度通過中性段。

動車組在以上運行工況條件下，本系統(tǒng)能夠按照既定程序可靠動作，各種技術(shù)參數(shù)正常，運行良好；合分閘引起的切換過電壓未造成對機車、接觸網(wǎng)、變電所及本系統(tǒng)的絕緣破壞；合閘電涌也未造成變電所及本系統(tǒng)的保護誤動。典型波形圖如圖6所示。

圖6 動態(tài)試驗典型波形圖（速度：160km／h，電制動滿級）

4.3 系統(tǒng)運行試驗時的動車組測試

本項試驗的目的是為了檢驗采用本新型地面自動過分相系統(tǒng)后，動車組牽引及控制系統(tǒng)能否與之匹配，能否安全通過分相區(qū)。試驗選取在惰行、牽引滿級、電制動滿級、小級位制動等4種工況下分別以30，80，120 km／h和160km／h速度通過中性段。測試數(shù)據(jù)包括動車組的網(wǎng)壓、原邊電流、牽引繞組電壓、中間電壓、牽引變流器輸出電壓、牽引變流器輸出電流、輔助變流器輸入電壓、輔助變流器輸出電壓和速度等。動車組測試典型電參數(shù)測試結(jié)果數(shù)據(jù)見表2，典型測試波形圖如圖7所示。

試驗結(jié)果表明：

（1）動車組經(jīng)過本系統(tǒng)，接觸網(wǎng)供電中斷時間約為0.3s，在此期間，動車組在慣性作用下繼續(xù)安全運行，在網(wǎng)壓恢復(fù)后迅速恢復(fù)到原工況狀態(tài)運行。

（2）對于牽引滿級與電制動滿級工況，動車組系統(tǒng)最長恢復(fù)時間在2.6～3.2s之間，動車組由原工況轉(zhuǎn)為惰行，隨后在電氣系統(tǒng)恢復(fù)后保持原工況狀態(tài)。

（3）對于小級位制動工況，動車組系統(tǒng)最長恢復(fù)時間在2.1～3.2s之間，動車組由原工況轉(zhuǎn)為惰行，隨后在電氣系統(tǒng)恢復(fù)后仍保持原工況狀態(tài)。

（4）對于惰行工況，動車組系統(tǒng)最長恢復(fù)時間在1.3～1.4s之間，動車組保持惰行狀態(tài)。

表2 動車組電參數(shù)測試結(jié)果數(shù)據(jù)表（速度160km／h，牽引滿級）

圖7 動車組測試典型波形圖

4.4 系統(tǒng)對車載ATP干擾影響測試

測試的目的是獲取動車組通過本系統(tǒng)時，車載ATP裝置受干擾數(shù)據(jù)情況，進而判斷車載ATP的正常功能是否會受到影響。為此，對動車組車載ATP系統(tǒng)的速度傳感器的電磁干擾情況進行了測試，典型測試波形圖如圖8所示（速度150km／h，電制動滿級）。

圖8 車載ATP干擾影響測試典型波形圖

試驗結(jié)果表明：

（1）動車組進出中性段與分合閘瞬間未見其他電分相裝置過分相時常見的突發(fā)脈沖干擾，從這一點看，本系統(tǒng)優(yōu)于其他分相裝置。

（2）在此次鐵科院環(huán)行基地試驗條件下，動車組進入中性段瞬間、分合閘瞬間、出中性段瞬間干擾噪聲均不大，因而不會影響對速度傳感器信號脈沖的判讀。即使中性段分合閘斷電期間偶發(fā)大脈沖，也不會影響速度傳感器正常工作。

4.5 系統(tǒng)故障場景模擬試驗

本次故障場景模擬試驗共計進行了8類單一開關(guān)故障場景模擬試驗和2類主備用開關(guān)均發(fā)生故障（即本系統(tǒng)失效）的場景模擬試驗。在單一開關(guān)故障場景模擬試驗中，當(dāng)投入的開關(guān)系統(tǒng)出現(xiàn)開關(guān)故障時，本系統(tǒng)能及時準(zhǔn)確切換到備用開關(guān)系統(tǒng)繼續(xù)運行，合分閘引起的切換過電壓不會造成對機車、接觸網(wǎng)、變電所及本系統(tǒng)的絕緣破壞，合閘電涌不會造成變電所及本系統(tǒng)的保護誤動。在主備用開關(guān)均發(fā)生故障的場景模擬試驗中，本系統(tǒng)能迅速給出切除接觸網(wǎng)兩端供電臂電源的信號，機車、接觸網(wǎng)、變電所及本系統(tǒng)均未受到影響。

4.6 系統(tǒng)在線穩(wěn)定性試驗

為進一步驗證本新型地面自動過分相系統(tǒng)的安全性、可靠性以及本系統(tǒng)與變電所、接觸網(wǎng)、機車的兼容性，本次試驗累計完成上千次的動車組在線穩(wěn)定性測試。試驗結(jié)果表明機車在任意運行工況條件下，本系統(tǒng)能夠按照既定程序可靠動作，各種技術(shù)參數(shù)正常，運行良好；合分閘引起的切換過電壓不會造成對機車、接觸網(wǎng)、變電所及本系統(tǒng)的絕緣破壞；合閘電涌不會造成變電所及本系統(tǒng)的保護誤動。

5 結(jié)束語

本新型地面自動過分相系統(tǒng)的安全性、可靠性以及本系統(tǒng)與變電所、接觸網(wǎng)、機車的兼容性已經(jīng)得到了充分試驗驗證，完全具備上線運行的條件。依據(jù)自身特點，本系統(tǒng)的推廣應(yīng)用在提高鐵路運輸效率、增強旅客舒適度、減少列車維護工作量及維護停運時間等方面具有積極的促進作用。

［1］溫建民，王幫田，方志國.高速鐵路地面自動過分相系統(tǒng)的研究與運用［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2010，（4）：104-107.