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1、朔黄铁路自动过分相方案设计李德胜（朔黄铁路机辆分公司 河北肃宁县 062350）摘要：对目前国内外自动过分相的技术方案进行了介绍、分析，针对朔黄铁路的特点进行了可靠性方面的 设计，论证了本方案为最优设计。关键词：朔黄铁路 自动过分相 方案0 引言为使电力系统三相负荷尽可能平衡，电气化铁道的接触网采用分段换相供电。为防止相 间短路，各相间用空气或绝缘物分割，称为电分相。国内接触网上每隔20 km25 km就有 一长约30 m的供电死区。在此无电区外一定距离处设有“断” “合”提示牌，电力机车通 过时须退级、关闭辅助机组、断开主断路器，惰行通过无电区后再逐项恢复，这样受电弓是 在无电流情况下进出分
2、相区的，从而保证了受电弓和接触网的寿命。但这样操作，一方面影 响了行车速度，另一方面增加了司机的劳动强度，操作稍有疏忽就会拉电弧烧分相绝缘器。 朔黄铁路分相点一般设置在进出站点，是行车安全的关键点，应确保司机的注意力放在了望 方面，如机车信号、轨面、行人、弓网、等等，同时手动过分相会引起列车降速，延长区段 的运行时间，降低线路运能，如果过早断电，不利于整流器、制动电阻的散热降低使用寿命。 因此必须考虑列车自动过分相的方案，及早取消司机的手动过分相操作。1. 国内外现状及分析国外仅有少数国家研究和采用自动过分相装置，其技术方案基本上有2类：一类是采用 电网自动断电方案，另一类是车上自动断电方案。
3、现就各自的优缺点及实际应用情况作简单 介绍。1.1 电网自动断电方案目前国内外有两种方案，即地面开关自动切换方案和柱上开关自动断电方案。图1 为日本为解决东海道新干线上高速列车自动过分相的方案。国铁西安科研与此原理 相同目前电网自动断电类多采用此方案。这种方案的优点是：接触网无供电死区，无须司机 操作，机车主断路器无须动作，自动换相时接触网中性段瞬间断电时间很短，且此时间与行 车速度无关，可适用于0350 km/h速度范围，对行车中可能出现的限速、一度停车等情况 均能正常工作。2006 年 11 月神朔铁路的南梁分相所和桥头分相所采用本方案投入使用，地 处11%。12%。的上坡区段，双机车牵引
4、单列6670吨的重载列车全速通过分相区，使每列通 过该限制区间的列车运行时分可以压缩34 分钟，极大地提高了神朔线的运输能力，估算 线路的通过能力由目前的88对/日提高到100对/日，产生很大的经济效益和社会效益。曲QF2:真蚊郴 皿、JU:如隸鋪无车昭Q陆輕锄肝撼 机车运ff%图 1 地面开关自动切换方案的工作原理图这种方案的缺点是：(1) 真空负荷开关带负荷分断，因而必须考虑在线备份及检修备份。 图2是实用的主接线图。(2) 中性段的长度难于确定。对于只有1个受电弓的列车或是双机 重联、 2 台机车紧靠的列车，中性段的长度可以按双机长度来确定。对于双机重联，机车分 布在首尾的列车或是多弓动
5、力分散型列车，中性段要按整个列车长度来考虑。中性段的长度 必须考虑本区段运行模式的多样性。(3) 过分相区后合闸时的电流冲击比较大，如果机车上 不采取措施限制合闸冲击电流，有可能造成电机环火，同时列车冲动也使乘客难于忍受。实 际测试某机车第2次的合闸涌流为机车原负荷的9.5倍。这可能是由于负荷开关带负荷分断 后引起的中性段残压恰与合闸后的电压相位接近叠加造成的。为解决这一问题，机车需做改 动，如机车上检测到连续60 ms无网压时，把速度级位给定拉回到0,延时0.5 s,然后再 重新启动机车。司机给定由0到最高值约延时6 s。如果考虑到列车的平稳操作，机车上需 再增加装置控制电机电流的回收/加载
6、速率特性。 (4) 投资巨大，要建分区所，需要有一批 管理和操作维护人员。如神朔铁路一个上行分相区为200多万(不算房建等)，而且后续的 管理维护费用相对也较大。图3为柱上开关自动断电方案，是国铁鹰厦线引进2组瑞士 AF公司的主电路原理图。本方案的工作原理是：延长了绝缘区段的长度，增加了安全性；同时缩短了无电时间。这种 方案的优点是：比上面的方案来得简单，无须设立分区所，相应投资要少些，供电死区比现 有的分相区来得短，无需司机操作，机车上的主断路器不需分断。图 3 柱上开关自动断电方案这种方案的缺点是：(1) 真空开关带负荷分断，需要经常维护，由于是柱式安装，难于 实现 100%备份。 (2)
7、 该方案运行的可靠性与机车通过分相区时的速度有关，即通过速度必 须在一定范围内。如果机车速度太低，机车如果过早地断电，靠惯性闯过供电死区时的速度 损失很大，严重时甚至接近停车；如果机车速度太高，机车通过绝缘区段的时间太短，感应 线圈得电时间太短，导致A组开关不能正常闭合。所以这种方案难于适应临时限速、一度停 车等特殊情况。 (3) 过分相后机车电流有很大的冲击，造成机车主断路器跳闸，如果机车上未采取措施，势必造成机车冲动，影响电机和车钩，使乘客感到不舒适。这点与上一方案类似。(4) 试验中发现在靠近分相两端产生了一些明显的电弧。这主要是机车不同分相区段时， 由于真空开关线圈的接入，引起加到机车
8、上的网压突降，产生了电弧。这是本方案不可克服 的弊病。 (5) 分相区中接触网分段比较多，接触网结构复杂。 (6) 当机车向一个方向行驶时，A/B2组开关中只有一组开关动作是必要的，另一组开关动作是多余的。(7)难于适应多弓运行的列车，一列车过分相会造成真空开关多次动作，且与弓的位置有关。 (8) 存在着一定 长度的供电死区，因而断电时间比上一方案长，且与速度有关。 这种方案由于其本身的缺陷，特别是难于适应不同的通过速度，再加上对过分相后的电 流冲击未采取相应措施，因而未能实际投入使用。1.2车上自动断电方案该方案的工作原理是当机车得到过分相预告信号后，首先进行确认，然后回收电机电流，封锁触发
9、脉冲，断开主断路器，使机车惰行通过无电区。在通过无电区后，检测到过分相后 的信号，并自动检测网压从无到有的跳变并确认，再合主断路器，自起劈相机，顺序启动辅 机，然后加载电机电流。该方案中，除定位标识分相预告信号与地面设施有关外，其余一切 操作都由机车自动完成，无需人工干预。目前京广线、广深线都采用这一方案自动过分相， 所用的牵引高速的电力机车具有自动过分相的功能，实际使用效果好，投资较以上两种方案 都少得多。该方案的优点是：投资最低，仅需解决过分相的预告信号问题。主断路器只分断 辅机的小电流，而不需分断牵引电机电流，因而对主断路器电寿命影响不大。过分相区 后能自动控制电流上升率，不会有冲击电流
10、，对列车造成的冲动也比较小，提高了乘客的舒 适度。过分相的自动控制与列车速度无关，可适应低速、常速、准高速和高速的要求。 预告信号的检测采用了 2套冗余，所以使用可靠，没有发生过问题。无需人工干预。 可以适应多弓的列车。头车在接到分相预告信号后，发出命令到其他动力车，使各动力 车几乎同时封锁脉冲和断开主断路器，由各车自己判断是否通过了分相区。这样合主断路器 命令是相继发出的，因而可减少整个列车牵引力的损失。昆明至石林的动车组上有3台动车、 3 弓并举，就是采用这种方法自动过分相的。该方案的缺点是：机车上有一段时间是断电的，且断电时间比第1 方案长，而断电时间 的长短与通过速度有关。2. 朔黄线
11、路的特点及要求2.1朔黄铁路分相点上/下行各27 处，都设置在入/出车站口处。分相点有的在坡道的 起/终点，并且空车上坡，重车下坡。朔黄线重车方向过分相后都是进入平坦的车站，因此 过分相时机车的断电时间对机车的速度影响不是太大，可以适当延长断电时间，提前断电、 调节好电机电流的降/升速率及特性，使列车平稳运行。2.2 朔黄铁路运量逐渐增加，预计2008 年将达到1 亿 6 千万吨，要提高线路的通过能 力，必须提高列车速度，目前分相点是其中一个制约瓶颈。2.3 要求可靠性高，避免各种情况下的误动作。初装及维护费用要低。各部件的损坏不 能影响到运输生产。修复时间短、所需人员少。2.4 同时要求方案
12、的实施尽量减少作业量的增加，检修提高通过能力，同时从设备上保 证机车断电过分相，减少供电接触网的烧损从而减少检修次数。3. 方案论证3.1通过上面的分析，从朔黄铁路的特点看，应该选择车上自动断电方案，成本比较低， 易维护。目前朔黄全线27个分相区段， 100台机车，车上自动断电方案只需要600万，费 用较低。3.2 车上自动断电方案现状及分析目前国铁的车上自动过分相断电方案有3 种，主要按定位技术来分：地埋式磁铁感应 线圈定位方式，目前在京广等区段使用；射频卡及GPS定位方式，目前在广深线使用；监控 装置公里标定位方式，由于无法解决轮对空转、脉冲丢失引起的距离误差，可靠性较差，目 前已停用。现
13、进行分析比较:3.2.1 地埋式方案是将磁铁埋置在轨枕头部（防盗窃处理），机车前后左右有 4 个感应 线圈，机车通过磁铁处，感应线圈接收到信号进行处理变成110V控制信号，送入微机柜进 行收流及分主断等处理。过分相后,当线圈检测到闭合主断信号后，再结合网压检测，进行 加载电机电流。分析可知，其优点为：在机车反方向运行时，仍可以使用自动过分相。 完全按照原司机操作过分相，没有电压/电流冲击； 对于SS4B机车通过程序修改可以 调整电机电流的降/升速率及特性。其缺点是：SS4改机车要改变电机电流的降/升速率 及特性需外加装置，只有磁铁一感应线圈一种定位检测方式，如定位检测/处理系统故障 只能靠人来
14、处理，可靠性不能保证。磁铁/感应线圈的故障判断及处理复杂，磁铁故障要 换轨枕，作业量大且影响运输生产。本方案由株洲机车研究所设计，在京广线实施。3.2.2射频卡及 GPS 定位方案是将射频卡固定在供电接触网上，通过 GPS 定位及数据处 理预告距前方分相点的距离，根据机车速度和射频卡定位进行精确定位，如其中一个异常提 示司机人工操作。分析可知，其优点是：SS4B和SS4改两型机车方案相同，通用性强， 便于维修；用户可以根据使用情况的变化，修改程序来改变分主断点、电机电流降/升速 率及特性，优化平稳操作；采用两种定位方式联合使用，可靠性高；射频卡检测、维 护容易，人员、材料费用低；更换作业简单。
15、其缺点为：列车反方向运行时不能使用； 射频卡损坏后要在供电接触网检修时间作业，不能及时维修。本方案由深圳丰泰瑞达设 计，在广深线、京广线实施。4.可靠性设计可靠性能主要看以下方面：定位标识卡漏读、错读时，能否检测出并及时提醒乘务 员；机车轮对空转/滑行、转头/换弓后引起的误差能否自动修正；机车电机电流回收 /加载速率、特性能否确保列车的平稳运行；装置故障后能否及时切除，破坏力是否严重。通过上面的分析可知，射频卡及 GPS 定位方案的可靠性高、初装及维护费用低。对实际 运用效果进行了调研，并在广深线添乘机车并进行了交流，上面的分析结论得到验证。结合朔黄铁路的特点，对目前深圳丰泰瑞达的机车断电过分
16、相的技术方案进行分析，提 出以下几点要求以提高其可靠性、通用性、可互换等。4.1 控制继电器的选择闭合主断继电器为列目前朔黄铁路使用的SS4B、SS4改型机车使用两种主断，即BVAC_N99型真空断路器和 TDZ1A型空气断路器。查资料可知，空气断路器分合线圈电阻2124Q ,主接地继电器恢复 线圈电阻205Q，中间继电器电阻1000Q，真空断路器保持线圈功率1550W,闭合电磁阀 功率50200W。计算可知：对空气主断路器的机车，闭合时继电器触头的电流大约12A，断 开时10A；而对真空主断路器的机车，继电器闭合时触头大约6A电流，分断时因具有自持 电路而没有电流。由电弧理论可知对于直流电路来讲，继电器的选择主要考虑断开时的灭弧， 因此不能使用 PCB 继电器来直接控制，选用中间继电器。考虑到外电路发生接地等故障，因
