高速铁路动车组过电分相的列控分闸区系统技术探讨

李红梅

(中铁第四勘察设计院集团有限公司电化处,武汉 430063)

1 概述

我国电气化铁道均采用25 kV单相工频交流供电制式,为了平衡三相供电负荷,提高电力系统利用率,电气化铁道牵引变电所采用轮换接线、换相分段供电方式,无论采用何种供电制式,接触网都不可避免地要设置电分相设施。既有线及普速铁路电力机车过分相技术发展多年,是影响铁路运输事故频繁的主要风险之一。

随着我国高速铁路的建设和发展,250 km/h及以上的旅客运输中采用的是动车组列控过分相技术。该系统技术利用地面应答器、列控系统和车载系统,实现了动车组在过接触网电分相时,依据列控分闸区的精确参数设置和地面应答器布置,动车组主断路器在车载设备控制下的分闸和合闸操作,避免了司机疲劳驾驶时手动误操作带电闯分相,烧毁接触网的故障,确保动车组过分相时无电、不带负荷、安全准确地自动通过电分相的运行，提高了高速运行时动车组过分相的准确性、安全性和可靠性。列控或车载故障时配合行车组织管理和地面断合标的合理设置,提高了牵引供电系统运行的安全可靠性,有效地提高了高速铁路综合运输能力。

2 高速铁路接触网电分相的类型

高速铁路采用带无电区的双断口锚段关节式电分相,中性区长度需根据受电弓的数量、间距及运用方式等因素综合确定,并符合双向行车要求。以锚段关节的形式实现过电分相,使机车在高速运行时,受电弓平稳,保证设备良好运行及受流质量。

我国实际运营中容易出现违规操作导致取流过分相引起燃弧、烧损或烧断承力索的事故。高速铁路牵引供电能力大,牵引电流较大,一旦动车组受电弓过分相时误操作发生燃弧甚至引起相间短路,是极其重大的运输事故。

接触网设计应考虑在中性段或无电区长度方面参照列车速度,适当考虑加大。根据国际标准IEC62486和运营经验,电分相无电区一般不小于最大取流受电弓间距加120 m。电分相无电区或中性段的长度符合双弓运行需要时有两大方式,即使无电区的长度大于双弓间距的长无电区分相方案,或使中性段的长度小于双弓间距的短中性段电分相。350 km/h技术标准的京津城际、武广铁路客运专线、郑西客运专线均采用的是无电区的长度大于双弓间距的长无电区分相方案,250 km/h技术标准的合宁、合武铁路采用的是同时兼顾货运要求的6跨或7跨的短中性段电分相。

武广铁路客运专线乌韶段接触网电分相,在工程情况具备条件时,采用的是按无电区不小于最大双弓距离的电分相关节的长无电区电分相(图1),与京津城际和武广接触网系统负责外方的技术方案原则是一致的,极少数困难工点采用的是我国常规铁路基础上自主创新的、中性段不大于最大双弓距离190 m的新型6跨电分相关节的短中性段电分相(图2)。

短中性段电分相在动车组误动(操)作带电闯中性段时,会导致相间短路、拉弧塌网的运行安全风险,决定于动车组能否在分相区边界外可靠分闸；长无电区电分相从接触网的构成本身避免了上述严重事故的发生,是最安全可靠的电分相结构。其不足之处是当非正常行车情况下,电分相对应入口速度不满足通过要求时,存在动车组停在无电区的风险。但是接触网电分相关节在分相两端均设置了满足双向运行的常开电动负荷开关与两侧接触网相连,可以在此工况下,通过调度和远动控制,供动车组带电驶出无电区。

图1 多跨双断口长无电区电分相示意(单位：m)

图2 6跨双断口短中性段电分相示意

根据铁道部科技司的2009年度科研项目《客运专线电分相设置与运行时分关系的仿真评估》的初步研究结论,即使在20‰大坡道上的长无电区电分相,动车组以350 km/h过分相分闸区时,每个电分相引起的速度损失约16 km/h,但是对全线运行时分的损失仅不到5 s,因此选择长无电区电分相是高速铁路安全运输的可靠技术方案。

3 动车组过分相的列控分闸区的定义

动车组过分相的列控分闸区长度是在接触网电分相无电区的基础上,结合正常行车时车载控车要求进行确定的,列控分闸区边界列控数据应满足动车组和接触网的安全运行要求。

据动车组制造商提供的数据,动车组车载设备根据列控数据的设置,如CRH2型动车组在过分相的列控分闸区进口里程前3 s(CRH3根据前10 s预断和保护控制实现)启动主断路器的分闸操作,确保在受电弓进入分闸区进口前断电；动车组出分相时,如CRH2型动车组是根据单双弓的运行方式,判断最后一个受电弓出清分闸区出口列控里程时,继续运行130 m后主断路器合闸,CRH3型动车组则是根据最后一个受电弓的带电检测保护回路启动主断路器合闸。

根据以上技术数据,为了使我国高速铁路动车组过分相安全可靠不产生燃弧等事故,列控设计需结合接触网电分相结构的不同,便于现场施工定测,动车组过分相的列控分闸区一般可以按以下原则进行布置。

长无电区分相时,列控分闸区的入口里程和出口里程宜设置在接触网电分相的入口中心柱和出口中心柱处,运行双弓间距在215 m以下时列控分闸区长度一般不小于420 m,满足国际最大双弓间距400 m时一般不小于600 m。

短中性段电分相,列控分闸区的入口里程和出口里程宜设置在接触网电分相的入口下锚柱和出口下锚柱处,一般列控分闸区长度不大于290 m。

4 对动车组过分相的分闸区近边界最低速度的行车组织管理要求

在正常运营行车时,为确保列控运行模式时动车组过分相不在分闸区停车,需行车组织对动车组过分相的入口最低速度提出操控规定。

根据动车组过分相分闸区长度和车载控车时间距离等的计算分析,动车组在部分监控模式(设定限制速度)、或引导模式(小于40 km/h)、或目视行车模式(小于40 km/h)状态下运行时,即使采用短电分相配合的分闸区方案,也会在出站口或上坡道电分相处的分闸区内出现停车现象。在这种工况下,需确定动车组停在电分相无电区后,由行车组织调度SCADA远动系统,控制接触网分相开关合闸,给停在电分相无电区的动车组供电。

5 结语

在设计中需根据电分相设置位置,由行车根据列控分闸区的技术参数,逐一对全线电分相处的列控分闸区入口边界速度进行检算,尤其是车站出口和较大坡道(16‰及以上)设置接触网电分相时,将动车组过分相的列控分闸区情况和近边界最低速度要求纳入行规,通过运营行车组织管理,即通过管理和技术的综合手段的组合适用实现系统技术方案的最优性能,是最佳解决途径。

[1] 铁道部.铁路客运专线技术管理办法(200～250 km/h)(试行)[S].北京：2009.

[2] TB10009—98，铁路电力牵引供电设计规范[S].

[3] 铁运[1999]102号，接触网运行检修规程[S].

[4] DS997 01，德国铁路规范[S].

[5] 日本.电气设施设计施工标准[S].

[6] 法国.接触网安装形式SNCF[S].

[7] 铁建设[2007]47号.新建300～350 km客运专线设计暂行规定[S].