直流電力機(jī)車過分相降速問題的分析與研究

蔣斌鵬

【摘 要】目前，我國電力機(jī)車按電傳動方式分為：直流電力機(jī)車和交流電力機(jī)車兩大類。本文以直流電力機(jī)車為研究對象，具體分析了機(jī)車過分相過程機(jī)車速度下降的原因，并結(jié)合機(jī)車特性及鐵路運輸實際，開發(fā)了新的風(fēng)速繼電器控制裝置，解決了電力機(jī)車過分相區(qū)時降速大的弊端。同時，機(jī)車風(fēng)速繼電器控制裝置具備對故障位風(fēng)速繼電器的提示、報警功能，有效簡化了機(jī)車乘務(wù)員的應(yīng)急處置流程，提升了鐵路運輸效率。

【關(guān)鍵詞】電力機(jī)車；分相區(qū)；降速；風(fēng)速繼電器；控制裝置

0 概述

當(dāng)前，國家電網(wǎng)為電氣化鐵路供給三相高壓交流電，為保證電網(wǎng)電力系統(tǒng)三相負(fù)荷保持平衡，電氣化鐵路的接觸網(wǎng)采用分段換相供電。為防止相間短路，各相間用絕緣物體進(jìn)行分隔，分隔區(qū)稱為電分相區(qū)。所以，電氣化鐵路接觸網(wǎng)的供電制是不連續(xù)的，一般每隔20-25公里就設(shè)有一個30m左右的分相區(qū)（為無電區(qū)），也叫換相區(qū)。

電氣化鐵路采用分段換相供電，主要目的是保證三相負(fù)荷盡可能保持動態(tài)平衡和提高電網(wǎng)的利用率。基本機(jī)理為：鐵路變電所輸出三相工頻交流電，而路內(nèi)機(jī)車采用25KV單相工頻交流電，如果供電接觸網(wǎng)不采取換相制，機(jī)車會一直使用某一相電受流，最終會出現(xiàn)三相負(fù)荷不平衡的不利局面。當(dāng)三相負(fù)荷不平衡的情況加劇時，發(fā)電機(jī)組會產(chǎn)生負(fù)序分量，對整個電力系統(tǒng)運行很不利，嚴(yán)重時會導(dǎo)致不對稱過負(fù)荷保護(hù)動作，最終導(dǎo)致供電中斷而影響機(jī)車受流?；谏鲜鲈?，電氣化鐵路經(jīng)過設(shè)定的一段接觸網(wǎng)后就需換相。即：一段網(wǎng)用A相電，一段網(wǎng)用B相電，再過一段網(wǎng)就用C相電，不同區(qū)間有不同的列車在運行，基本保證了電力系統(tǒng)三相負(fù)荷平衡的問題，為機(jī)車安全、可靠運行提供了穩(wěn)定的電源。

分相區(qū)主要起到兩個作用。其一、將接觸網(wǎng)上不同相位電能進(jìn)行物理絕緣隔離，防止發(fā)生相間短路故障；其二，將網(wǎng)上相鄰的兩相電進(jìn)行機(jī)械連接，使接觸網(wǎng)成為一個整體，便于機(jī)車受電弓安全滑行通過無電區(qū)，其長度必須大于18m，這一規(guī)定主要考慮到電力機(jī)車雙弓升起時不至于短接不同相位的接觸網(wǎng)。

電力機(jī)車過分相區(qū)時，必須對牽引電機(jī)進(jìn)行減流卸載，若未卸載而帶有大的負(fù)載通過后，受電弓會因拉弧大而燒損，機(jī)車內(nèi)電器也會因“帶電→停電→帶電”的突變過程造成沖擊，嚴(yán)重時可能造成供電部門變壓器因過電壓而絕緣擊穿，這叫“電力機(jī)車帶電闖分相事故”。所以當(dāng)電力機(jī)車過分相前，機(jī)車乘務(wù)員須將主手柄回零，此時牽引電機(jī)無功率輸出，主斷路器自動斷開（由車載自動過分相裝置自動控制完成），各輔機(jī)停止運轉(zhuǎn)，機(jī)車靠惰轉(zhuǎn)慣性越過無電分相區(qū)。當(dāng)機(jī)車安全越過分相區(qū)后，主斷路器自動閉合，乘務(wù)員等待10秒后方可重新加載提速，也就是各風(fēng)機(jī)順序延時3秒啟動完畢（共約10秒），機(jī)車牽引回路條件構(gòu)成。

根據(jù)電力機(jī)車過分相過程可知，機(jī)車的降速分為兩個階段，第一段是30m左右的分相區(qū)惰轉(zhuǎn)導(dǎo)致的機(jī)車降速，第二段為機(jī)車過完分相后乘務(wù)員須等待約10秒才能提手柄加載過程中的降速。很明顯，第一段機(jī)車降速是客觀存在且很難解決的，因此我們應(yīng)著重研究第二段機(jī)車降速問題并提出可行方案，以提高鐵路運輸效率。

以SS8型電力機(jī)車為例，當(dāng)機(jī)車過完分相后，主斷路器自動合上，劈相機(jī)啟動完畢，各輔機(jī)延時3秒順序啟動，即：通風(fēng)機(jī)I→通風(fēng)機(jī)II→硅風(fēng)機(jī)的啟動順序。其LCU邏輯延時啟動關(guān)系，如下圖示：

從圖1知，“劈相機(jī)投入（TEMP490）”經(jīng)“T13”（延時3S）到“輔機(jī)準(zhǔn)備（TEMP507）”，最后到“風(fēng)機(jī)準(zhǔn)備（TEMP999）”，完成了第一個3S的延時過程，為通風(fēng)機(jī)的啟動做準(zhǔn)備）。

從圖2知，498（110V正線）經(jīng)“風(fēng)機(jī)準(zhǔn)備（TEMP999）”到“15QS”、“27QS”，最后使通風(fēng)機(jī)I接觸器18KM得電吸合，完成了通風(fēng)機(jī)1的啟動。

從圖3知，498（110V正線）經(jīng)“風(fēng)機(jī)準(zhǔn)備（TEMP999）”到“T14（延時3S）”、“28QS”，最后使通風(fēng)機(jī)II接觸器19KM得電吸合，完成了通風(fēng)機(jī)II的啟動，通風(fēng)機(jī)II的啟動為第二個3S延時過程。

從圖4知，498（110V正線）經(jīng)“風(fēng)機(jī)準(zhǔn)備（TEMP999）”到“T14”、“T15（延時3S）”、“18KM”、“29QS”，最后使硅風(fēng)機(jī)接觸器22KM得電吸合，完成了硅風(fēng)機(jī)的啟動，硅風(fēng)機(jī)的啟動為第三個3S延時過程。

當(dāng)各風(fēng)道內(nèi)風(fēng)壓達(dá)到294pa±10%Pa時，7、9、11、13、14KF風(fēng)速繼電器觸指導(dǎo)通使?fàn)恳r條件構(gòu)成，此時提手柄加載機(jī)車才能正常給流。如果途經(jīng)分相區(qū)的數(shù)量多，則累積耗費在風(fēng)機(jī)延時啟動上的時間就很長。以廣州→長沙為例，分相區(qū)有35個之多，每次過分相后，機(jī)車速度均下降明顯，嚴(yán)重影響鐵路運輸效率。特別地，當(dāng)列車晚點需趕點時，更加凸顯了機(jī)車風(fēng)機(jī)啟動控制存在的弊端，對乘務(wù)員途中操縱、心理素質(zhì)等提出了嚴(yán)峻的考驗和挑戰(zhàn)！為了解決上述實際問題，設(shè)計一機(jī)車風(fēng)速繼電器控制裝置，解決機(jī)車過完分相后不能立即加載提速致降速的問題。同時，具備運行途中對故障位風(fēng)速繼電器的提示、報警功能。

1 風(fēng)速繼電器控制裝置的工作原理

風(fēng)速繼電器控制裝置基本工作原理為：當(dāng)機(jī)車越過分相區(qū)后，主斷自動閉合，隨即劈相機(jī)接觸器得電動作，劈相機(jī)啟動完畢。此時，風(fēng)速繼電器控制裝置采集到劈相機(jī)接觸器常開觸指的閉合信號，立即自動控制使機(jī)車牽引加載提速電路構(gòu)成，乘務(wù)員便可提手柄加速。當(dāng)延時12秒后（延時時間可根據(jù)機(jī)車實際風(fēng)機(jī)啟動時間進(jìn)行設(shè)置），斷開裝置控制，交由機(jī)車風(fēng)速繼電器控制牽引回路。在機(jī)車運行途中，裝置能實時對風(fēng)速繼電器的狀態(tài)進(jìn)行檢測，當(dāng)某個風(fēng)速繼電器出現(xiàn)故障時，能提示故障位置，并發(fā)出聲光報警以提示乘務(wù)員應(yīng)急處置。其外觀如圖5示。

風(fēng)速繼電器控制裝置具備以下功能：

（1）時效檢測能力：機(jī)車運行中，裝置實時對劈相機(jī)工作狀態(tài)進(jìn)行檢測（取劈相機(jī)15KM接觸器的常開觸指信號），判斷機(jī)車是否過完分相區(qū)。

（2）實時反映功能：主機(jī)面板上設(shè)計有指示燈，可實時反映主機(jī)工作狀態(tài)、劈相機(jī)狀態(tài)、繼電器狀態(tài)等。

（3）固態(tài)繼電器無觸點輸出控制設(shè)計，確保裝置工作穩(wěn)定性。

（4）采用光耦隔離變壓器互感結(jié)構(gòu)設(shè)計，確保裝置控制輸出與信號采集不受干擾，使裝置可靠工作。

（5）針對不同型號電力機(jī)車輔機(jī)延時啟動時間的不同，可在主機(jī)上進(jìn)行延時時間的設(shè)置。

（6）故障快速報警功能：故障報警提示功能由兩部分組成，一是在裝置上通過每個風(fēng)速繼電器狀態(tài)指示燈進(jìn)行顯示；二是某個風(fēng)速繼電器故障，均會通過安裝在司機(jī)室的報警器進(jìn)行報警，提示乘務(wù)員及時應(yīng)急處置。

3 風(fēng)速繼電器控制在SS8機(jī)車上的應(yīng)用

以SS8電力機(jī)車為應(yīng)用研究對象，當(dāng)機(jī)車通過分相區(qū)后，風(fēng)速繼電器控制裝置檢測到劈相機(jī)工作后，立即控制KF1開關(guān)閉合使7、9、11、13、14KF風(fēng)速繼電器的觸指短接，確保牽引加載提速電路構(gòu)成。延時12秒后，待各個風(fēng)機(jī)啟動完畢，控制裝置斷開KF1開關(guān)，交由閉合的風(fēng)速繼電器觸指（7、9、11、13、14KF）控制機(jī)車是否卸載。繼電器7、9KF分別安裝在第一、二通風(fēng)機(jī)風(fēng)道處，11、13、14KF安裝在主整流柜的三個硅風(fēng)機(jī)處。第一、二通風(fēng)機(jī)主要為I、II架牽引電機(jī)進(jìn)行冷卻，三個硅風(fēng)機(jī)主要為主整流柜的硅元件進(jìn)行冷卻。機(jī)車的牽引加載提速回路主要由7-14KF風(fēng)速繼電器（整定值為294pa±10%Pa）的開閉來控制，以確保牽引電機(jī)和主硅柜硅元件的通風(fēng)冷卻。的確，風(fēng)速繼電器控制裝置投入運用后，存在各風(fēng)機(jī)未啟動完畢，通風(fēng)效果未建立好機(jī)車強(qiáng)行加載的情況。但電力機(jī)車在實際運行中，10秒鐘左右無風(fēng)冷且提手柄加載下不會對機(jī)車電器設(shè)備有任何影響，因此設(shè)計方案可行！

另外，在機(jī)車運行中裝置實時對風(fēng)速繼電器的閉合觸指狀態(tài)進(jìn)行檢測，當(dāng)發(fā)生虛接開路故障時具備提示和報警功能，以警醒乘務(wù)員及時應(yīng)急處置，確保機(jī)車完成牽引任務(wù)。SS8機(jī)車風(fēng)速繼電器控制裝置原理、布線及主機(jī)電路，如圖7、8、9所示。

風(fēng)速繼電器控制主機(jī)的運行模式為：

（1）劈相機(jī)信號：劈相機(jī)信號接入系統(tǒng)后先 經(jīng)由二極管和穩(wěn)壓管，然后限流輸入到光耦隔離器件，降壓后由單片機(jī)檢測。當(dāng)有劈相機(jī)信號時單片機(jī)檢測到，同時控制劈相機(jī)信號燈亮，無劈相機(jī)信號時單片機(jī)無法檢測到信號。

（2）檢測到劈相機(jī)信號后，單片機(jī)通過控制固態(tài)繼電器來短接開關(guān)KF1，KF1后端接有二極管。12秒后單片機(jī)控制固態(tài)繼電器輸出端，讓KF1斷開，隨即進(jìn)入7KF、9KF、11KF、13KF、14KF風(fēng)速繼電器觸指開斷狀態(tài)的檢測。

（3）風(fēng)速繼電器觸電一端信號，通過二極管、穩(wěn)壓管、電阻等器件將采集的電壓值與對應(yīng)的參考電壓比較，比較器輸出結(jié)果決定光耦器件的導(dǎo)通或截止從而來判斷該繼電器觸電的開關(guān)動作，另一端分別接到各個對應(yīng)變壓器輸出端的地。

（4）每個繼電器觸電都是通過變壓器進(jìn)行單獨隔離，確保了系統(tǒng)工作穩(wěn)定、可靠！

4 結(jié)束語

本文就直流電力機(jī)車過分相時降速情況進(jìn)行了深入探討，找出了問題癥結(jié)所在。根據(jù)電力機(jī)車實際運用特性，研制了新的風(fēng)速繼電器控制裝置，并在SS8型電力機(jī)車上運用考核?？己似陂g，該裝置工作正常，解決了電力機(jī)車過分相后降速明顯的問題。同時，對故障風(fēng)速繼電器有提示報警功能，簡化了乘務(wù)員故障應(yīng)急處置工作。

目前，直流電力機(jī)車牽引回路均采用風(fēng)速繼電器開、斷來控制，因此其他路局機(jī)務(wù)段存在同樣的問題困擾。新設(shè)計的風(fēng)速繼電器控制器具有通用性，在直流電力機(jī)車上均可適用，有效解決了過分相區(qū)時機(jī)車降速明顯的現(xiàn)狀，提升了鐵路運輸效率，保證了機(jī)車質(zhì)量安全和正點率。

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[責(zé)任編輯：朱麗娜]