一種動(dòng)車(chē)組自動(dòng)過(guò)分相系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計(jì)

楊明濤

摘要：動(dòng)車(chē)組開(kāi)環(huán)控制自動(dòng)過(guò)分相方法存在掉入分相區(qū)和帶負(fù)載過(guò)分相的隱患，本文通過(guò)闡述自動(dòng)過(guò)分相的必要性，在分析過(guò)分相失敗的原因及危害的基礎(chǔ)上，提出閉環(huán)控制過(guò)分相邏輯，并優(yōu)化部分參數(shù)改進(jìn)了自動(dòng)過(guò)分相控制過(guò)程。目的是減小過(guò)分相失敗的概率，降低對(duì)鐵路運(yùn)營(yíng)秩序的影響。

關(guān)鍵詞：動(dòng)車(chē)組;過(guò)分相控制;磁鋼過(guò)分相

0? 引言

動(dòng)車(chē)組供電采用單相工頻交流供電制式，為避免國(guó)家電網(wǎng)三相電源系統(tǒng)出現(xiàn)三相供電不平衡，造成電網(wǎng)供電質(zhì)量下降，鐵路供電采用分區(qū)段分相供電，以平衡三相負(fù)荷。不同供電區(qū)間之間設(shè)置一段無(wú)電緩沖區(qū)即分相區(qū)，車(chē)輛經(jīng)過(guò)分相區(qū)時(shí)需先將供電的高壓主斷路器斷開(kāi)切斷負(fù)載電流，防止供電區(qū)末端接觸網(wǎng)成為高壓斷路器而產(chǎn)生拉弧燒損。

電氣化鐵路一般每20km設(shè)置一個(gè)分相區(qū)，車(chē)載自動(dòng)過(guò)分相功能能夠保證動(dòng)車(chē)組在進(jìn)入分相區(qū)前主斷路器自動(dòng)斷開(kāi)，離開(kāi)分相區(qū)后主斷路器自動(dòng)閉合，實(shí)現(xiàn)無(wú)負(fù)載通過(guò)分相區(qū)[1]。動(dòng)車(chē)組現(xiàn)行自動(dòng)過(guò)分相功能采用開(kāi)環(huán)控制，各功能模塊相互獨(dú)立，當(dāng)動(dòng)車(chē)組運(yùn)營(yíng)過(guò)程中因意外掉入分相區(qū)或帶負(fù)載經(jīng)過(guò)分相將對(duì)鐵路運(yùn)營(yíng)秩序造成影響，存在安全隱患。

1? 自動(dòng)過(guò)分相方式

自動(dòng)過(guò)分相分為地面自動(dòng)過(guò)分相和車(chē)載自動(dòng)過(guò)分相兩種。

1.1 地面自動(dòng)過(guò)分相

地面設(shè)備自動(dòng)控制分相區(qū)接觸網(wǎng)的通斷電狀態(tài)，車(chē)輛本身不需進(jìn)行相應(yīng)動(dòng)作即可通過(guò)分相區(qū)。地面過(guò)分相設(shè)備控制過(guò)程如圖1所示，由于地面過(guò)分相設(shè)備必須設(shè)置在分相區(qū)附近[2-3]，存在電氣化鐵路分相區(qū)分布較分散，部分位置較偏僻，運(yùn)輸維修設(shè)備不便缺點(diǎn)，使得地面過(guò)分相設(shè)備運(yùn)用產(chǎn)生了一定的局限性。

1.2 車(chē)載自動(dòng)過(guò)分相

車(chē)輛通過(guò)自動(dòng)控制車(chē)載主斷路器斷開(kāi)通過(guò)分相區(qū)，地面及接觸網(wǎng)不需元器件發(fā)生動(dòng)作，車(chē)載自動(dòng)過(guò)分相方式主要包括：GFX磁鋼過(guò)分相[4]、ATP過(guò)分相[5]。

1.2.1 GFX磁鋼過(guò)分相邏輯

用于GFX過(guò)分相控制的自動(dòng)過(guò)分相裝置采集到在車(chē)輛運(yùn)行方向軌道側(cè)磁鋼信號(hào)的“預(yù)告”、“強(qiáng)迫”信號(hào)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)過(guò)分相，但無(wú)法判斷當(dāng)前“預(yù)告”或者“強(qiáng)迫”信號(hào)是用于控制進(jìn)分相還是控制出分相。因此需要自動(dòng)過(guò)分相裝置特殊設(shè)置以及車(chē)輛邏輯的配合實(shí)現(xiàn)自動(dòng)過(guò)分相。車(chē)輛GFX過(guò)分相邏輯如下：

①車(chē)輛首次接收自動(dòng)過(guò)分相裝置發(fā)來(lái)的“磁鋼預(yù)告”信號(hào)，執(zhí)行預(yù)告進(jìn)分相動(dòng)作：封鎖牽引并延時(shí)斷開(kāi)主斷路器。

②車(chē)輛接收到自動(dòng)過(guò)分相裝置發(fā)來(lái)的“磁鋼強(qiáng)迫”信號(hào)，執(zhí)行強(qiáng)迫進(jìn)分相動(dòng)作：立即斷開(kāi)主斷路器。

③車(chē)輛再次接收到自動(dòng)過(guò)分相裝置發(fā)來(lái)的“磁鋼預(yù)告”信號(hào)，執(zhí)行出分相動(dòng)作：行駛一定距離（磁鋼接收器位置與受電弓的間距）后解除牽引封鎖并閉合主斷路器，結(jié)束過(guò)分相，過(guò)分相流程如圖2。

磁鋼過(guò)分相的優(yōu)勢(shì)在于地面設(shè)施簡(jiǎn)單，維護(hù)成本低，車(chē)輛未安裝ATP或ATP功能受限時(shí)也可進(jìn)行自動(dòng)過(guò)分相，但磁鋼過(guò)分相存在信號(hào)抗干擾能力差、信號(hào)指示不明確缺點(diǎn)，磁鋼過(guò)分相的“預(yù)告”信號(hào)既被用來(lái)控制進(jìn)分相，又被用來(lái)控制出分相，缺少校錯(cuò)能力，易造成信號(hào)的誤解讀，造成二次過(guò)分相或帶負(fù)載進(jìn)分相異常。

1.2.2 過(guò)分相失敗的危害

高速鐵路的分相區(qū)中，中性接觸線（無(wú)電）向兩端的供電臂方向延伸，延伸部分與原供電臂接觸線平行等高，絕緣距離為450毫米左右，用于受電弓碳滑板的平穩(wěn)過(guò)渡，受電弓碳滑板在如圖3中的A點(diǎn)處脫離供電臂1接觸線，過(guò)渡到中性接觸網(wǎng)線，在B點(diǎn)處由中性接觸網(wǎng)線過(guò)渡到供電臂2接觸線。

動(dòng)車(chē)組若自動(dòng)過(guò)分相失敗帶負(fù)載進(jìn)入分相區(qū)，供電臂1接觸線將于A點(diǎn)附近產(chǎn)生持續(xù)電弧如圖4所示，A點(diǎn)處供電臂1與中性線等電位;當(dāng)車(chē)輛前行21米，碳滑板在B點(diǎn)與供電臂2接觸線相碰如圖5，供電臂2與無(wú)電區(qū)中性接觸線短接，中性接觸線與供電臂2同電位。若此時(shí)A點(diǎn)電弧尚未完全熄滅或空氣處于電離狀態(tài)，A點(diǎn)中性段與供電臂1之間450毫米空氣間隙將被完全擊穿，從而形成“供電臂1—中性接觸線—供電臂2”相間短路，造成接觸線燒損，供電臂1、2跳閘。

2? 磁鋼過(guò)分相失敗的原因

過(guò)分相失敗原因主要可以分為：速度低導(dǎo)致的二次過(guò)分相或過(guò)分相信號(hào)識(shí)別錯(cuò)誤導(dǎo)致的帶載過(guò)分相。

2.1 低速經(jīng)過(guò)分相區(qū)導(dǎo)致二次過(guò)分相

在車(chē)輛低速GFX過(guò)分相時(shí)，因G2-G3或G3-G4區(qū)段運(yùn)行時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，造成自動(dòng)過(guò)分相裝置在采集到G4后會(huì)將G4信號(hào)誤識(shí)別為G2，輸出“磁鋼強(qiáng)迫”指令時(shí)給車(chē)輛，車(chē)輛再次將主斷路器，造成二次過(guò)分相。（圖6）

2.2 過(guò)分相信號(hào)識(shí)別錯(cuò)誤導(dǎo)致的帶載過(guò)分相

GFX過(guò)分相在進(jìn)分相前受地面干擾采集到錯(cuò)誤的“預(yù)告”信號(hào)會(huì)被識(shí)別成G1，發(fā)送給車(chē)輛“磁鋼預(yù)告”后車(chē)輛執(zhí)行進(jìn)分相動(dòng)作，車(chē)輛繼續(xù)前行，自動(dòng)過(guò)分相裝置采集到真正G1后會(huì)被識(shí)別成G3，再次給車(chē)輛發(fā)送“磁鋼預(yù)告”后，使車(chē)輛在本應(yīng)該執(zhí)行進(jìn)分相動(dòng)作的位置卻執(zhí)行出分相動(dòng)作。車(chē)輛在進(jìn)入無(wú)電區(qū)前主斷路器閉合，產(chǎn)生帶載過(guò)分相。

3? 車(chē)輛GFX過(guò)分相邏輯優(yōu)化

針對(duì)帶載過(guò)分相情況，車(chē)輛GFX過(guò)分相邏輯中可引入網(wǎng)壓及累積行駛距離兩個(gè)參數(shù)，從而避免過(guò)分相信號(hào)判斷錯(cuò)誤的問(wèn)題，相應(yīng)優(yōu)化如下：

①網(wǎng)絡(luò)處于分相區(qū)狀態(tài)時(shí)引入主斷狀態(tài)信號(hào)，當(dāng)主斷路器實(shí)際狀態(tài)與控制目標(biāo)狀態(tài)不一致時(shí)，自動(dòng)發(fā)送主斷路器斷開(kāi)信號(hào)。

②處于“GFX分相區(qū)間”的車(chē)輛只有在檢測(cè)到網(wǎng)壓從無(wú)到有后，才執(zhí)行接收到“GFX預(yù)告過(guò)分相”信號(hào)。

③開(kāi)始執(zhí)行出分相累積行駛邏輯時(shí)，檢測(cè)到無(wú)網(wǎng)壓時(shí)立即將累積距離清零，終止出分相邏輯。檢測(cè)到網(wǎng)壓且滿足累積行駛距離參數(shù)時(shí)執(zhí)行出分相，出分相累積一定距離內(nèi)屏蔽過(guò)分相信號(hào)，過(guò)分相流程如圖7。

過(guò)分相模式在新增網(wǎng)壓及累計(jì)運(yùn)行距離參數(shù)進(jìn)行綜合判斷，可有效避免過(guò)分相信號(hào)識(shí)別錯(cuò)誤導(dǎo)致的帶負(fù)載進(jìn)分相，且網(wǎng)絡(luò)處于分相區(qū)狀態(tài)時(shí)引入主斷狀態(tài)信號(hào)，當(dāng)主斷路器自動(dòng)控制回路電氣元件失效，導(dǎo)致主斷路器實(shí)際狀態(tài)與控制目標(biāo)狀態(tài)不一致時(shí)，自動(dòng)發(fā)送主斷路器斷開(kāi)信號(hào)，完成主斷路器閉環(huán)控制，代替司機(jī)人為操作，避免因人為誤操作導(dǎo)致的次生問(wèn)題。

4? 結(jié)束語(yǔ)

本文在分析現(xiàn)行GFX磁鋼過(guò)分相邏輯缺陷的基礎(chǔ)上，提供了一種動(dòng)車(chē)組自動(dòng)過(guò)分相的優(yōu)化方法及閉環(huán)控制思路，可避免GFX過(guò)分相時(shí)信號(hào)干擾導(dǎo)致的帶負(fù)載過(guò)分相。使用閉環(huán)控制主斷路器邏輯代替原開(kāi)環(huán)控制邏輯，將人為操作控制優(yōu)化為系統(tǒng)自動(dòng)控制，避免人為誤操作。

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