杜 珩，石修路

DU Heng，SHI Xiulu

（中鐵二院重慶勘察設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司 交通規(guī)劃設(shè)計(jì)處，重慶 401120)

0 引言

我國(guó)高速鐵路快速發(fā)展，對(duì)列車(chē)運(yùn)行安全及運(yùn)輸效率提出了更高的要求。作為保證電氣化鐵道供電系統(tǒng)不同相位供電臂間的機(jī)械連接和電氣隔離的重要原件，電分相設(shè)置位置對(duì)列車(chē)運(yùn)行安全及運(yùn)輸效率造成一定影響。

國(guó)內(nèi)相關(guān)學(xué)者[1-2]針對(duì)速度、閉塞分區(qū)、線(xiàn)路坡度等因素，對(duì)高速鐵路追蹤間隔的影響進(jìn)行相關(guān)研究。耿敬春[3]研究電分相設(shè)置形式和位置對(duì)列車(chē)最小追蹤間隔時(shí)間的影響，認(rèn)為車(chē)站出發(fā)間隔受電分相影響最大，區(qū)間追蹤次之，車(chē)站到達(dá)追蹤幾乎無(wú)影響。唐亮[4]研究列車(chē)不帶電過(guò)分相方式對(duì)運(yùn)行速度及運(yùn)行時(shí)分的影響，并在建立相應(yīng)算法的基礎(chǔ)上，對(duì)不同運(yùn)行條件、不同設(shè)置位置及縱斷面情況下，電分相對(duì)列車(chē)速度及運(yùn)行時(shí)分的影響。溫建民等[5]仿真分析各種電分相設(shè)置方案在高速運(yùn)行和低速運(yùn)行時(shí)對(duì)運(yùn)行時(shí)分的影響，認(rèn)為高速運(yùn)行狀態(tài)下，帶電過(guò)分相和列控過(guò)分相對(duì)運(yùn)行時(shí)分影響很小。然而，電分相設(shè)置于車(chē)站附近時(shí)，列控過(guò)分相方案要求列車(chē)進(jìn)入電分相的初始速度滿(mǎn)足一定要求。由既有研究成果可知，眾多學(xué)者在進(jìn)行高速鐵路電分相設(shè)置及影響研究時(shí)，雖然得出了不同條件、不同過(guò)分相方式、不同設(shè)置形式及位置條件下，電分相對(duì)運(yùn)行時(shí)分及追蹤間隔的影響，但針對(duì)車(chē)站附近的分相設(shè)置及不同條件下的影響程度均未給出明確結(jié)論，也未給出電分相允許距離車(chē)站的合理范圍。

由于高速動(dòng)車(chē)組出站狀態(tài)下電分相設(shè)置要求應(yīng)盡量避免設(shè)置在長(zhǎng)大上坡道上，避免設(shè)置在列車(chē)出站加速區(qū)段及區(qū)間限速區(qū)段[6]。然而，實(shí)際設(shè)計(jì)受到多種條件限制，往往難以落實(shí)相應(yīng)要求。為切實(shí)做好高速鐵路設(shè)計(jì)，需要有針對(duì)性地開(kāi)展相應(yīng)研究，為高速動(dòng)車(chē)組出站狀態(tài)下電分相設(shè)置提供理論依據(jù)。

1 高速動(dòng)車(chē)組出站過(guò)分相分析

1.1 出站過(guò)分相過(guò)程

高速鐵路電分相一般采用帶有中性段的絕緣關(guān)節(jié)形式，應(yīng)用最為廣泛的有6 跨分相(即短分相)和13 跨分相(即長(zhǎng)分相)。其中，6 跨分相和13 跨分相的分相范圍、中性段長(zhǎng)度及無(wú)電區(qū)各異。根據(jù)CTCS-2 或CTCS-3 級(jí)列控系統(tǒng)應(yīng)答器應(yīng)用原則，應(yīng)答器向列控系統(tǒng)發(fā)送的分相信息為分相斷電標(biāo)志的起點(diǎn)位置及分相的長(zhǎng)度信息。

高速運(yùn)行的動(dòng)車(chē)組過(guò)分相的流程為：動(dòng)車(chē)組在臨近電分相的區(qū)間運(yùn)行時(shí)，會(huì)依次接收到3 組應(yīng)答器發(fā)送的分相區(qū)信息，當(dāng)列車(chē)分別運(yùn)行至第1 組、第2 組和第3 組應(yīng)答器時(shí)，列控系統(tǒng)分別接收到應(yīng)答器的預(yù)告地面分相數(shù)據(jù)。當(dāng)運(yùn)行至第3 組應(yīng)答器時(shí)，列控系統(tǒng)會(huì)根據(jù)實(shí)時(shí)的運(yùn)行速度，計(jì)算車(chē)頭與分相區(qū)的距離和時(shí)間。自動(dòng)過(guò)分相裝置根據(jù)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間，適時(shí)調(diào)整電機(jī)電流，使其平穩(wěn)下降至0，并發(fā)出“主斷”信號(hào)給控制電路。列車(chē)通過(guò)電分相后，自動(dòng)過(guò)分相裝置發(fā)送合“主斷”信號(hào)給控制電路，電機(jī)電流緩慢恢復(fù)至過(guò)分相前的狀態(tài)[7-8]。

無(wú)電分相情況下，列車(chē)出站過(guò)程如果處于下坡段，列車(chē)下坡過(guò)程中，其勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，有利于列車(chē)加速，其加速過(guò)程較短，能夠較快地達(dá)到最高運(yùn)行速度；設(shè)置電分相情況下，列車(chē)出站過(guò)程如果處于下坡段，其加速過(guò)程幾乎與無(wú)電分相情況下一致。出站下坡速度曲線(xiàn)如圖1 所示。圖1 中，長(zhǎng)虛線(xiàn)為限速情況下的速度曲線(xiàn)，短虛線(xiàn)為有分相情況下的速度曲線(xiàn)，實(shí)線(xiàn)為無(wú)分相情況下的速度曲線(xiàn)，下同。

圖1 出站下坡速度曲線(xiàn)Fig. 1 Outbound downhill speed curve

無(wú)電分相情況下，列車(chē)出站過(guò)程如果處于上坡段，其加速過(guò)程較長(zhǎng)，速度增長(zhǎng)緩慢；設(shè)置電分相情況下，列車(chē)出站過(guò)程處于上坡段時(shí)，由于經(jīng)過(guò)電分相無(wú)電區(qū)，其加速過(guò)程的速度增長(zhǎng)會(huì)經(jīng)歷提速、降速再提速，加速過(guò)程較無(wú)電分相情況下有所延長(zhǎng)。出站上坡速度曲線(xiàn)如圖2 所示。列車(chē)上坡過(guò)程將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為勢(shì)能，速度增長(zhǎng)幅度會(huì)在上坡過(guò)程中有所降低，而在上坡過(guò)程中需要過(guò)電分相時(shí)，列車(chē)經(jīng)歷失去動(dòng)力、利用動(dòng)能闖坡、過(guò)電分相等過(guò)程，速度將出現(xiàn)大幅降低。

圖2 出站上坡速度曲線(xiàn)Fig.2 Outbound uphill speed curve

1.2 車(chē)站出發(fā)間隔計(jì)算模型

車(chē)站出發(fā)間隔是指同一車(chē)站發(fā)出的2 列相鄰列車(chē)間的追蹤間隔時(shí)間。列車(chē)在出發(fā)過(guò)程中通過(guò)電分相，其速度將受到影響，列車(chē)出發(fā)間隔將相應(yīng)增大。車(chē)站發(fā)車(chē)追蹤示意圖如圖3 所示。

圖3 車(chē)站發(fā)車(chē)追蹤示意圖Fig.3 Station departure tracking

由圖3 可知，在無(wú)電分相情況下，1 號(hào)車(chē)出站過(guò)程中的運(yùn)行速度平穩(wěn)增長(zhǎng)，直至2號(hào)車(chē)開(kāi)始出站；有電分相情況下，1 號(hào)車(chē)在出站過(guò)程中，其運(yùn)行速度增長(zhǎng)過(guò)程為“增-減-增”，在出清-離去后，2 號(hào)車(chē)開(kāi)始辦理發(fā)車(chē)進(jìn)路[3]。由以上過(guò)程可知，出發(fā)間隔的計(jì)算公式為

式中：I發(fā)表示列車(chē)出發(fā)間隔，s；L追蹤表示列車(chē)在追蹤檢算時(shí)閉塞分區(qū)總長(zhǎng)，m；L出站表示列車(chē)在車(chē)站出發(fā)進(jìn)路上的運(yùn)行距離，m；L一離去表示車(chē)站逆向進(jìn)站信號(hào)機(jī)距離區(qū)間第1 閉塞分區(qū)的長(zhǎng)度，m；L列車(chē)長(zhǎng)表示列車(chē)總長(zhǎng)，m；t發(fā)作表示車(chē)站辦理2 號(hào)車(chē)發(fā)車(chē)作業(yè)的時(shí)間，s；V運(yùn)表示追蹤距離內(nèi)1 號(hào)車(chē)的平均運(yùn)行速度，km/h。

根據(jù)公式⑴，當(dāng)運(yùn)行速度減小時(shí)，出發(fā)間隔將增大。由圖3 可知，當(dāng)出站過(guò)程中需要通過(guò)電分相時(shí)，同等條件下，其速度將低于不通過(guò)電分相的運(yùn)行速度。由此可知，靠近車(chē)站設(shè)置電分相，其出發(fā)間隔將增大。

綜上分析，電分相設(shè)置于靠近車(chē)站且位于上坡段位置時(shí)，對(duì)列車(chē)速度提升和出發(fā)間隔將造成較大影響。為此，重點(diǎn)研究靠近車(chē)站且位于上坡段的電分相設(shè)置問(wèn)題。由文獻(xiàn)[3]可知，在靠近車(chē)站位置設(shè)置電分相時(shí)，短分相優(yōu)于長(zhǎng)分相，因而研究對(duì)象以短分相為主。

2 高速動(dòng)車(chē)組過(guò)分相速度及出發(fā)間隔分析

為了較為準(zhǔn)確地刻畫(huà)分相設(shè)置位置對(duì)運(yùn)行速度及出發(fā)間隔的影響，采用對(duì)比分析法，對(duì)不同坡度、不同位置的電分相進(jìn)行仿真計(jì)算，歸納總結(jié)仿真結(jié)果，給出理論指導(dǎo)建議。

仿真計(jì)算以CRH3 型16 輛編組動(dòng)車(chē)組作為模擬對(duì)象，通過(guò)其在5‰，10‰，15‰，20‰，25‰，30‰的平均坡度上，分別對(duì)距離出站信號(hào)機(jī)1 km、2 km、3 km、5 km、7 km 的短分相區(qū)進(jìn)行模擬計(jì)算。仿真結(jié)果統(tǒng)計(jì)表如表1 所示。

表1 的速度損失數(shù)據(jù)中，括號(hào)內(nèi)為無(wú)分相狀態(tài)下同一里程對(duì)應(yīng)的運(yùn)行速度；括號(hào)外為有分相狀態(tài)下同一里程對(duì)應(yīng)的運(yùn)行速度。在進(jìn)行出發(fā)間隔仿真時(shí)，結(jié)合文獻(xiàn)[9]，在不同分相下調(diào)整信號(hào)機(jī)布置以滿(mǎn)足閉塞分區(qū)距離要求。

由表1 可知，在電分相位置不變的情況下，隨著平均坡度的增加，動(dòng)車(chē)組的速度損失和出發(fā)間隔逐漸增大，極端情況下列車(chē)可能停止在無(wú)電區(qū)；而在平均坡度不變的情況下，速度損失和出發(fā)間隔隨著電分相與出站信號(hào)機(jī)間的距離增加而減小。

綜上所述，在對(duì)應(yīng)的坡度下，電分相的設(shè)置位置存在合理的范圍，若以速度損失30 km/h 以?xún)?nèi)，出發(fā)間隔4 min 作為卡點(diǎn)進(jìn)行仿真，不同坡度下仿真結(jié)果統(tǒng)計(jì)表如表2 所示。其中在平均坡度≥25‰時(shí)的結(jié)論驗(yàn)證了文獻(xiàn)[10]中的規(guī)定。

3 實(shí)例檢算

渝湘高速鐵路(重慶—長(zhǎng)沙)重慶至黔江段，起于重慶終到黔江，全線(xiàn)設(shè)站8 座，線(xiàn)路全長(zhǎng)265 km。全線(xiàn)受地形、地質(zhì)影響，線(xiàn)路縱斷面坡度較大，其中15‰以下坡度長(zhǎng)度占線(xiàn)路全長(zhǎng)的47%，15‰以上坡度長(zhǎng)度占線(xiàn)路全長(zhǎng)的53%。全線(xiàn)橋隧比較高，其中橋梁總長(zhǎng)39 km，占全長(zhǎng)14.66%，隧道總長(zhǎng)209 km，站全長(zhǎng)77.53%，橋隧總占比92%。

表1 仿真結(jié)果統(tǒng)計(jì)表Tab.1 Simulation results

表2 不同坡度下仿真結(jié)果統(tǒng)計(jì)表Tab.2 Simulation results with different gradients

3.1 分相布置

全線(xiàn)工程卡點(diǎn)較多，全線(xiàn)范圍內(nèi)的分相布置檢算較為繁瑣，難以詳細(xì)分析。為此，選取其中典型區(qū)段進(jìn)行分相布置與檢算，以驗(yàn)證分析結(jié)論。通過(guò)比選，南川北至巴南區(qū)段較為典型，故以此區(qū)段作為實(shí)例進(jìn)行檢算。

南川北至巴南段全長(zhǎng)42 km，高差較大，坡度使用情況以大于20‰的坡度為主。經(jīng)過(guò)分析，大坡度主要集中于區(qū)間中部，南川北站和巴南站附近的坡度相對(duì)較小。從電分相設(shè)置角度，區(qū)間中部設(shè)置分相對(duì)出發(fā)間隔和速度折損方面影響較小，但是靠近車(chē)站的分相對(duì)出發(fā)間隔和速度折損往往會(huì)造成較大影響。因此，本實(shí)例中重點(diǎn)對(duì)南川北站附近分相進(jìn)行研究。

結(jié)合線(xiàn)路縱斷面可知，南川北站出站為10‰的上坡，3.5 km 后為21‰的長(zhǎng)大上坡，根據(jù)規(guī)律，南川北站附近分相存在2 種布置方案：方案1 為將分相設(shè)置于10‰坡度上，斷標(biāo)位置距出站信號(hào)機(jī)3.3 km；方案2 為將分相設(shè)置于21‰的坡度上，斷標(biāo)位置距出站信號(hào)機(jī)6.3 km。

3.2 檢算結(jié)果分析

為保證研究的一致性，本次檢算仍以CRH3 型16 輛編組動(dòng)車(chē)組進(jìn)行仿真。并針對(duì)3.1 節(jié)中的2 種布置方案分別進(jìn)行檢算。方案1 分相檢算速度曲線(xiàn)圖如圖4所示；方案2分相檢算速度曲線(xiàn)圖如圖5所示。

方案1 下，動(dòng)車(chē)組過(guò)分相速度為152 km/h，無(wú)分相狀態(tài)下同一位置速度為185 km/h，速度損失為33 km/h。由于分相處于兩個(gè)檢算分區(qū)內(nèi)，過(guò)分相狀態(tài)下動(dòng)車(chē)組出發(fā)間隔較無(wú)分相狀態(tài)下延長(zhǎng)0.07 min，其中過(guò)分相狀態(tài)下出發(fā)間隔為3.54 min，無(wú)分相狀態(tài)下出發(fā)間隔為3.47 min。

方案2 下，動(dòng)車(chē)組過(guò)分相速度為172 km/h，無(wú)分相狀態(tài)下同一位置速度為197 km/h，速度損失為25 km/h。由于分相處于2 個(gè)檢算分區(qū)外，過(guò)分相狀態(tài)下動(dòng)車(chē)組出發(fā)間隔與無(wú)分相狀態(tài)下相同，均為3.47 min。

縱向?qū)Ρ瓤芍?，方? 的速度損失較方案1低，且兩方案出發(fā)間隔相差較小，因而從運(yùn)營(yíng)角度，方案2 優(yōu)于方案1；但是方案2 中電分相所處位置位于隧道內(nèi)，方案1 電分相位置位于隧道口，從后期維護(hù)角度而言，方案1 優(yōu)于方案2，且2 個(gè)方案速度損失差較?。粡墓╇姳坶L(zhǎng)度分析，方案2的分相位置距離上一分相27.5 km，方案1 的分相位置距離上一分相24 km，方案1 優(yōu)于方案2。

經(jīng)分析，方案1 更加符合實(shí)際需求，予以推薦。

圖4 方案1 分相檢算速度曲線(xiàn)圖Fig.4 Speed curve of neutral section check in scheme 1

圖5 方案2 分相檢算速度曲線(xiàn)圖Fig.5 Speed curve of neutral section check in scheme 2

4 結(jié)束語(yǔ)

新建高速鐵路電分相設(shè)置作為影響運(yùn)輸效率與行車(chē)安全的主要因素之一，其選址的合理性日益受到重視。與區(qū)間電分相相比，車(chē)站附近分相影響更為廣泛。因此，從行車(chē)角度論證動(dòng)車(chē)組出站狀態(tài)下分相設(shè)置條件，不僅能夠有效填補(bǔ)規(guī)范空白，同時(shí)對(duì)以川渝地區(qū)山地特征下高速鐵路建設(shè)提供研究依據(jù)。而且，在高速鐵路智能化、信息化發(fā)展過(guò)程中，電分相設(shè)置作為多學(xué)科交叉領(lǐng)域應(yīng)綜合地形條件與各專(zhuān)業(yè)需求統(tǒng)籌把控，從而進(jìn)一步優(yōu)化線(xiàn)網(wǎng)運(yùn)輸效率。