■ 方志國

方志國：中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，工程師，湖北 武漢，430063

隨著我國高速鐵路的大規(guī)模建設(shè)和運(yùn)營，其舒適度、安全性、可靠性成為關(guān)注焦點(diǎn)。高速鐵路動(dòng)車組采用電力牽引供電，每隔20～25 km設(shè)有電分相區(qū)。電分相區(qū)一般采用帶無電區(qū)的雙斷口錨段關(guān)節(jié)形式。列車如何安全、可靠通過電分相區(qū)是國內(nèi)外一直研究的問題。動(dòng)車組自動(dòng)通過電分相區(qū)可減少司機(jī)的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高運(yùn)行效率和主斷路器的使用壽命。

1 自動(dòng)過分相的主要方式

動(dòng)車組自動(dòng)過分相主要有車載分閘和不分閘兩種方式。車載分閘自動(dòng)過分相通過車上主斷路器的分合實(shí)現(xiàn)。過分相時(shí)動(dòng)車組存在分閘區(qū)，電分相區(qū)的中性段不帶電。動(dòng)車組通過電分相區(qū)時(shí)，地面應(yīng)答器與列控裝置和ATP配合，強(qiáng)行斷開機(jī)車斷路器。目前，歐洲一些國家采用這種方式，對(duì)我國也適用，我國250 km/h及以下線路采用地面磁缸式車載過分相裝置，屬車載分閘自動(dòng)過分相范圍。

動(dòng)車組不分閘自動(dòng)過分相是通過地面過分相開關(guān)的分合實(shí)現(xiàn)。過分相時(shí)電分相區(qū)的中性段帶電，動(dòng)車組主斷路器不分閘，這種方式以日本新干線為代表，我國既有線上也有應(yīng)用。動(dòng)車組不分閘自動(dòng)過分相與車載自動(dòng)過分相的優(yōu)缺點(diǎn)如下。

（1）根據(jù)鐵道部科學(xué)技術(shù)司2009年度科研項(xiàng)目《客運(yùn)專線電分相設(shè)置與運(yùn)行時(shí)分關(guān)系的仿真評(píng)估》的初步研究結(jié)論，在20‰大坡道上的長無電區(qū)電分相，動(dòng)車組以350 km/h過分相分閘區(qū)時(shí)，每個(gè)電分相引起的速度損失約16 km/h。根據(jù)實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，高速運(yùn)行的動(dòng)車組分閘過分相時(shí)，最大降速10～15 km/h，不分閘自動(dòng)過分相可避免因無電區(qū)車載斷路器分閘而引起無牽引力的降速，可避免給旅客或司機(jī)造成害怕停車的心理壓力。在特定運(yùn)輸組織情況下，動(dòng)車組能以很低的速度正常通過分相區(qū)。

（2）不分閘自動(dòng)過分相對(duì)動(dòng)車組不存在分相區(qū)，列車通過時(shí)與正常線路一樣，不需要車載斷路器頻繁動(dòng)作，可延長車載斷路器壽命。

（3）信號(hào)系統(tǒng)不需要為動(dòng)車組過分相的分閘區(qū)設(shè)置相應(yīng)的應(yīng)答器或磁缸。

（4）動(dòng)車組不分閘自動(dòng)過分相時(shí)，在切換相序的短暫時(shí)間內(nèi)，動(dòng)車組有較大的沖擊電壓，需要車載設(shè)備配合。

目前，動(dòng)車組不分閘自動(dòng)過分相裝置研制成功，并在武廣高速鐵路烏龍泉牽引變電所試驗(yàn)運(yùn)行。

2 動(dòng)車組不分閘自動(dòng)過分相系統(tǒng)的技術(shù)方案及特點(diǎn)

動(dòng)車組不分閘自動(dòng)過分相系統(tǒng)主要由信號(hào)系統(tǒng)、控保系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)三部分組成（見圖1）。

（1）信號(hào)系統(tǒng)。在單側(cè)鋼軌上布設(shè)3個(gè)車輪傳感器，組成AG，BG兩個(gè)軌道分區(qū)（見圖2）。為提高設(shè)備可靠性，采用兩套相同的信號(hào)設(shè)備組成獨(dú)立的信號(hào)系統(tǒng)，完全獨(dú)立于目前的信號(hào)系統(tǒng)，不影響信號(hào)的正常運(yùn)行。

（2）控制系統(tǒng)。由兩套獨(dú)立的控制裝置構(gòu)成，互為備用。每套開關(guān)系統(tǒng)具有獨(dú)立的保護(hù)裝置，可獨(dú)立完成兩套開關(guān)系統(tǒng)的控制，開關(guān)切換控制器采用FTMI 最小化故障影響原則設(shè)計(jì)。

（3）執(zhí)行系統(tǒng)。由一主一備兩套開關(guān)系統(tǒng)組成，采用高性能國際先進(jìn)技術(shù)水平的負(fù)荷開關(guān)，布設(shè)方式采用雙斷口結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)主回路的耐壓水平，提高擊穿電壓，減少發(fā)生重燃的概率，使開關(guān)具有優(yōu)異的絕緣性能和滅弧性能。由于采用雙斷口，單個(gè)滅弧室開距較小，波紋管伸縮距離變短，有利于延長使用壽命。每套開關(guān)系統(tǒng)設(shè)置3臺(tái)斷路器，用以快速切除故障。

動(dòng)車組不分閘自動(dòng)過分相系統(tǒng)應(yīng)具有以下特點(diǎn)：一是安全性，確保不會(huì)危及旅客及公眾，包括業(yè)主、工作人員的人身安全；確保在故障情況下能夠保證運(yùn)行安全，不引起安全災(zāi)難，不帶電闖分相，燒毀接觸網(wǎng)、受電弓，造成異相短路等；不引起接口系統(tǒng)故障。二是高可靠性，采用國際先進(jìn)技術(shù)產(chǎn)品、成熟技術(shù)；采用兩套開關(guān)裝置冗余配備，故障情況下互相切換。三是高可用性，外界故障或人員疏忽引起的故障不應(yīng)導(dǎo)致系統(tǒng)失效；與SCADA系統(tǒng)相連，具備故障診斷功能；通過合理設(shè)置過分相開關(guān)和信號(hào)裝置，局部故障不會(huì)影響臨線供電或縮小故障范圍。四是可維護(hù)性，系統(tǒng)的所有單元應(yīng)在維修時(shí)間內(nèi)可進(jìn)行維護(hù)，系統(tǒng)應(yīng)給出具體的維護(hù)、維修要求，使系統(tǒng)可靠性和可用性性能一致；日常維護(hù)和矯正性維修應(yīng)盡可能減少對(duì)運(yùn)營的影響。

3 動(dòng)車組不分閘自動(dòng)過分相系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及設(shè)備

3.1 機(jī)車位置檢測(cè)技術(shù)

動(dòng)車組不分閘自動(dòng)過分相系統(tǒng)檢測(cè)機(jī)車位置的基本原理是，通過電磁傳感器檢測(cè)車輪通過檢測(cè)點(diǎn)的信息，并通過電纜傳輸?shù)街鳈C(jī)柜由運(yùn)算單元進(jìn)行邏輯判斷，運(yùn)算結(jié)果通過繼電器轉(zhuǎn)換為接點(diǎn)狀態(tài)輸出，表明列車所在區(qū)段。檢測(cè)設(shè)備由室內(nèi)計(jì)軸主機(jī)設(shè)備及室外設(shè)備（車輪傳感器、車輪電子檢測(cè)盒）和與站內(nèi)其他設(shè)備連接的電路等組成。檢測(cè)設(shè)備具有以下特點(diǎn)：一是對(duì)檢測(cè)的軸脈沖處理采用2取2安全計(jì)算機(jī)處理模式，確保安全；二是系統(tǒng)設(shè)計(jì)按故障-安全原則設(shè)計(jì)，具有極高的可靠性；三是傳感器與主設(shè)備間的供電和信息傳輸采用恒流傳輸，受干擾影響??；四是檢測(cè)區(qū)段運(yùn)算單元獨(dú)立，運(yùn)算單元故障影響面?。晃迨敲總€(gè)檢測(cè)區(qū)段均設(shè)有相應(yīng)的復(fù)零按鈕，對(duì)設(shè)備的復(fù)零操作簡便；六是系統(tǒng)采用星型網(wǎng)方式連接，具有較強(qiáng)的抗傳輸干擾能力；七是室外檢測(cè)點(diǎn)連接簡單，且不需要設(shè)置地線；八是器件選擇采用工業(yè)級(jí)或軍用級(jí)，保證設(shè)備可靠運(yùn)行。

3.2 自動(dòng)控制技術(shù)

基于FTMI最小化故障影響設(shè)計(jì)原則開發(fā)的自動(dòng)控制系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上分為應(yīng)用服務(wù)層、集中控制層和分散控制層。

應(yīng)用服務(wù)層主要作為過分相控制系統(tǒng)的信息處理（包括設(shè)備運(yùn)行監(jiān)視、遠(yuǎn)方控制、故障報(bào)警、歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等），由數(shù)據(jù)處理服務(wù)器和客戶端服務(wù)器組成，如監(jiān)控系統(tǒng)、集控系統(tǒng)、調(diào)度系統(tǒng)，信息的傳輸通過工業(yè)總線或以太網(wǎng)。

集中控制層完成過分相系統(tǒng)的信息采集（包括軌道計(jì)軸信號(hào)、過分相開關(guān)信號(hào)、斷路器信號(hào)等）、邏輯處理、過分相和斷路器的控制，由計(jì)軸信號(hào)系統(tǒng)、邏輯控制系統(tǒng)、開關(guān)執(zhí)行機(jī)構(gòu)等組成。

分散控制層完成遠(yuǎn)端牽引變電站信號(hào)的采集和控制，由設(shè)置在牽引變電站的遠(yuǎn)程I/O就地采集信號(hào)和控制出口，信息通過光纖總線網(wǎng)傳送至集中控制系統(tǒng)，并接收集中控制系統(tǒng)發(fā)出的控制命令，實(shí)現(xiàn)牽引供電開關(guān)的分合。

3.3 長壽命過分相開關(guān)技術(shù)

過分相開關(guān)作為高速鐵路地面過分相系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，應(yīng)具有可靠性高、壽命長的特點(diǎn)。在武廣高速鐵路試驗(yàn)運(yùn)行的動(dòng)車組不分閘自動(dòng)過分相裝置采用的是東芝VSW-30MS自動(dòng)過分相開關(guān)，具有高可靠性、壽命長的特點(diǎn)，在日本新干線有成熟的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。東芝VSW-30MS自動(dòng)過分相開關(guān)具有開斷、關(guān)合負(fù)荷電流、過載及短路電流功能，主要用于電氣化鐵道電力系統(tǒng)切換變電所及分區(qū)供電所的不同電源對(duì)接區(qū)間電源。

（1）壽命長。機(jī)械壽命達(dá)到30萬次，電氣壽命達(dá)到15萬次，檢修周期長（5萬次操作為一個(gè)檢修周期），檢修方便易操作。

（2）絕緣性能和滅弧性能強(qiáng)。主回路采用高性能真空滅弧室，采用雙斷口結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)主回路的耐壓水平，提高擊穿電壓，減少發(fā)生重燃概率。

（3）機(jī)構(gòu)可靠。采用電磁操作結(jié)構(gòu)，大大減少開關(guān)的零部件，保證機(jī)械傳動(dòng)部分的使用壽命；采用兩段操作線圈結(jié)構(gòu)，具有操作電流小和動(dòng)作時(shí)間短的特點(diǎn)。

[1]李紅梅. 高速鐵路動(dòng)車組過電分相的列控分閘區(qū)系統(tǒng)技術(shù)探討[J]. 鐵道標(biāo)準(zhǔn)與設(shè)計(jì)，2010（1）

[2]許惠敏，徐鴻燕. 自動(dòng)過分相方式的選擇與運(yùn)營管理的匹配研究[G]//中國鐵道學(xué)會(huì)交流論文，2006

[3]中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司. 萬宜線長大高坡地段自動(dòng)過分相方案的研究科研報(bào)告[R]，2003