一种新型地面自动过分相系统研究

2012-11-27孙鹏程王帮田王其中

铁道机车车辆 2012年6期

孙鹏程，王帮田，王其中

（许继集团有限公司，河南许昌461000）

铁道部在2007年全国铁路科技大会上明确指出，突破铁路发展的关键技术“瓶颈”，从大规模铁路建设看，要建设世界一流水平的客运专线，必须下力量深化高速铁路建设及运营管理等领域的基础理论研究和一些关键技术的提升。自动过分相技术是牵引供电技术方面的关键技术之一。我国人口基数庞大，特别在春运期间，客流量大，发车间隔时间短，需要动车组在行驶过程中尽可能不要因为过分相而减速。我国城市分布的特点与日本及欧洲各国均有很大不同，表现为客运专线网规模大，主要城市间距离长，北京、上海、广州和武汉4个客运专线中心枢纽间的距离都在1 000～2 000km范围内，高速列车在我国区域间主要城市的旅行时间要远大于日本和欧洲国家。因此，大量开行长行程高速列车将是我国客运专线的重要特点。长行程高速列车的过分相点多，采用现有车载过分相方案，列车动力丢失明显，不能最大限度地压缩运行时间，同时还存在列车维护工作量大、维护停运时间长等问题［1］。

为解决上述矛盾，满足我国客运专线发展的需求，下面将从系统构成、系统功能、工作原理及运行试验等方面介绍一种新型地面自动过分相系统。

1 系统构成

新型地面自动过分相系统（以下简称“过分相系统”）用于交流50Hz、额定电压27.5kV的电气化铁道接触网分相区，具有按照既定控制程序让动车组在车载主断路器不分闸的工况下实现过分相的功能，同时具有开断、关合负荷电流及短路电流的能力。本系统主要由列车位置检测子系统（计轴信号）、逻辑控制子系统、保护子系统、后台监控子系统、执行子系统、阻容吸收子系统等6大子系统组成，同时还配有辅助电源、防误操作、环境监控、照明等辅助系统，其系统构成图1所示。

图1 系统构成图

2 系统功能

（1）依据从列车位置检测子系统传来的列车轮轴信息，经过逻辑判断，按照给定的控制程序来控制过分相开关的合、分，从而把过分相区两侧的接触网电源按照给定程序依次导入中性段，使列车在车载主断路器不分闸的工况下安全过分相。

（2）在检测到开关系统故障信号时（比如开关的拒合、拒分故障，绝缘故障等），能够通过控制断路器的合、分，及时倒换到备用开关系统继续运行，并闭锁本套开关系统，确保行车安全。

（3）能够及时准确检测到列车位置检测子系统是否正常，异常情况发生时，能及时进行复归并把异常信息上传监控后台子系统，确保行车安全。

（4）当本系统不可用时，能够立即发出跳相应牵引变电所馈线开关指令，确保行车安全。

（5）设置差流速断保护，可以快速切除开关系统主回路的短路或绝缘故障，确保行车安全。

（6）设置阻容吸收子系统，有效降低谐振频率、抑制过电压，有效减小过分相切换开关操作时对机车、接触网等设备的影响。

（7）设置后台监控子系统，实现远方对过分相系统内各种开关的合（或分）控制、信号复归、逻辑控制及保护装置的参数整定等，并能实现相应的报表处理、曲线显示、实时打印等信息处理功能，能把采集到的各类信息量上传调度，同时也能接受调度发出的指令并做相应的处理。

（8）主要技术参数如表1所示。

表1 主要技术参数

3 工作原理

401、403长寿命真空过分相开关与411、413、415单极真空断路器组成1＃开关系统，405、407长寿命真空过分相开关与421、423、425单极真空断路器组成2＃开关系统，形成相互完全独立的冗余配置。当正在运行的一组开关系统出现故障（比如开关的拒合、拒分）或检修时，能自动切换到另一组开关系统继续运行，确保行车安全，同时能有效提高本系统可使用性（见图2）。

图2 工作原理图

下面就以左侧来车、投入1＃开关系统为例简要说明本新型地面自动过分相系统的工作原理。初始状态4121、4123、4125上网隔离开关及411、413、415单极真空断路器处于合位，其他开关都处于分位，中性段不带电。当机车驶入列车信号采集点J1、J1′时，车轮传感器把采集到的列车轮轴信息通过数字信号电缆传至室内计轴主机屏，计轴主机屏对收集到的列车轮轴信息进行处理后再发出区段AG1及AG2“占用”及“正向”信号给逻辑控制子系统，逻辑控制子系统发出合闸指令合上401开关，中性段取A电源；当机车驶入信号采集点J2、J2′时，车轮传感器又把采集到的列车轮轴信息通过数字信号电缆传至室内计轴主机屏，计轴主机屏发出区段AG1及AG2“出清”和区段BG1及BG2“占用”及“正向”信号给逻辑控制子系统，逻辑控制子系统发出分闸指令分开401开关，延时150ms后合上403开关，中性段取B电源；当列车驶出信号采集点J3、J3′时，车轮传感器又把采集到的列车轮轴信息通过数字信号电缆传至室内计轴主机屏，计轴主机屏发出区段BG1及BG2"出清"信号给逻辑控制子系统，逻辑控制子系统发出指令分开403开关，从而完成一次完整的过分相过程，系统复原初始状态，等待下一趟列车到来。右侧来车的动作过程与上述左侧来车类同。

保护子系统设置了差流速断保护，用于快速切除主回路短路或绝缘故障。保护子系统设置了两套完全独立的过分相保护装置：1＃过分相保护装置保护1＃开关系统，控制411、413、415断路器的保护分闸；2＃过分相保护装置保护2＃开关系统，控制421、423、425断路器的保护分闸。

阻容吸收子系统用于降低谐振频率、抑制过电压，减小过分相切换开关操作时对机车、接触网的影响。41DC放电线圈用于阻容吸收子系统退出运行时对41C防护电容器进行放电，确保人身安全。41I电感在阻容吸收子系统不动作时呈低阻抗，起到分流的作用，在有效保护41R电阻的同时，也能避免整个阻容室因41R电阻发热而导致温度过高，影响其他设备的稳定运行；而41I电感在阻容吸收系统动作时呈高阻抗，通过41I电阻的电流较大，能迅速消耗掉操作冲击时所产生的能量。

4 运行试验

为充分验证本新型地面自动过分相系统的安全性、可靠性以及与其他相关设备的兼容性，根据铁道部运输局、科技司的指示和安排，本系统先后在武广客运专线新乌龙泉牵引变电所进行了试运行（见图3）以及在中国铁道科学研究院（简称：铁科院）环行基地进行CRH2型动车组在线运行试验（见图4）。

图3 武广客运专线新乌龙泉牵引变电所运行现场

图4 铁科院北京环形基地在线运行试验现场

在武广客运专线新乌龙泉牵引变电所的试运行期间，共计完成过分相2 000余次，车速12km／h到379 km／h，既有正向行车，也有反向行车，车型包括单编组动车、双编组动车及工程车等不同车型。在试运行期间本系统能够按照既定程序可靠动作，各种技术参数正常，设备运行良好。

在铁科院环行基地进行的CRH2型动车组在线运行试验，其试验项目包括系统静态冲击试验、过电压测试、系统运行试验时的动车组测试、系统对车载ATP干扰影响测试、系统故障场景模拟试验以及系统在线稳定性试验。

4.1 系统静态冲击试验

让动车组静止停靠在中性段内，由手动控制模拟动车组进入分相区，完成接触网电压转换。

试验共计进行了36次，切换过程中产生的过电压不超过额定电压的1.8倍，合分闸引起的切换过电压未造成对机车、接触网、变电所及本系统的绝缘破坏；合闸电涌也未造成变电所及本系统的保护误动。

4.2 过电压测试

过电压测试分静态试验测试和动态试验测试。静态试验为动车组静止停靠在中性段内，由手动控制模拟动车组进入分相区，完成接触网电压转换。动态试验为动车组按正常程序通过中性段，本系统自动完成电压切换程序。

（1）静态试验下的过电压测试

静态试验下的过电压测试与上述第1条系统静态冲击试验的试验方式、试验次数及试验结论一致，在此不再赘述。典型波形图如图5所示。

图5 静态试验典型波形图

（2）动态试验下的过电压测试

动态试验为动车组按正常程序通过中性段，本系统自动完成电压切换程序。试验选取在惰行、牵引满级、电制动满级、小级位制动等4种工况下分别以30，80，120km／h和160km／h速度通过中性段。

动车组在以上运行工况条件下，本系统能够按照既定程序可靠动作，各种技术参数正常，运行良好；合分闸引起的切换过电压未造成对机车、接触网、变电所及本系统的绝缘破坏；合闸电涌也未造成变电所及本系统的保护误动。典型波形图如图6所示。

图6 动态试验典型波形图（速度：160km／h，电制动满级）

4.3 系统运行试验时的动车组测试

本项试验的目的是为了检验采用本新型地面自动过分相系统后，动车组牵引及控制系统能否与之匹配，能否安全通过分相区。试验选取在惰行、牵引满级、电制动满级、小级位制动等4种工况下分别以30，80，120 km／h和160km／h速度通过中性段。测试数据包括动车组的网压、原边电流、牵引绕组电压、中间电压、牵引变流器输出电压、牵引变流器输出电流、辅助变流器输入电压、辅助变流器输出电压和速度等。动车组测试典型电参数测试结果数据见表2，典型测试波形图如图7所示。

试验结果表明：

（1）动车组经过本系统，接触网供电中断时间约为0.3s，在此期间，动车组在惯性作用下继续安全运行，在网压恢复后迅速恢复到原工况状态运行。

（2）对于牵引满级与电制动满级工况，动车组系统最长恢复时间在2.6～3.2s之间，动车组由原工况转为惰行，随后在电气系统恢复后保持原工况状态。

（3）对于小级位制动工况，动车组系统最长恢复时间在2.1～3.2s之间，动车组由原工况转为惰行，随后在电气系统恢复后仍保持原工况状态。

（4）对于惰行工况，动车组系统最长恢复时间在1.3～1.4s之间，动车组保持惰行状态。

表2 动车组电参数测试结果数据表（速度160km／h，牵引满级）

图7 动车组测试典型波形图

4.4 系统对车载ATP干扰影响测试

测试的目的是获取动车组通过本系统时，车载ATP装置受干扰数据情况，进而判断车载ATP的正常功能是否会受到影响。为此，对动车组车载ATP系统的速度传感器的电磁干扰情况进行了测试，典型测试波形图如图8所示（速度150km／h，电制动满级）。

图8 车载ATP干扰影响测试典型波形图

试验结果表明：

（1）动车组进出中性段与分合闸瞬间未见其他电分相装置过分相时常见的突发脉冲干扰，从这一点看，本系统优于其他分相装置。

（2）在此次铁科院环行基地试验条件下，动车组进入中性段瞬间、分合闸瞬间、出中性段瞬间干扰噪声均不大，因而不会影响对速度传感器信号脉冲的判读。即使中性段分合闸断电期间偶发大脉冲，也不会影响速度传感器正常工作。

4.5 系统故障场景模拟试验

本次故障场景模拟试验共计进行了8类单一开关故障场景模拟试验和2类主备用开关均发生故障（即本系统失效）的场景模拟试验。在单一开关故障场景模拟试验中，当投入的开关系统出现开关故障时，本系统能及时准确切换到备用开关系统继续运行，合分闸引起的切换过电压不会造成对机车、接触网、变电所及本系统的绝缘破坏，合闸电涌不会造成变电所及本系统的保护误动。在主备用开关均发生故障的场景模拟试验中，本系统能迅速给出切除接触网两端供电臂电源的信号，机车、接触网、变电所及本系统均未受到影响。

4.6 系统在线稳定性试验

为进一步验证本新型地面自动过分相系统的安全性、可靠性以及本系统与变电所、接触网、机车的兼容性，本次试验累计完成上千次的动车组在线稳定性测试。试验结果表明机车在任意运行工况条件下，本系统能够按照既定程序可靠动作，各种技术参数正常，运行良好；合分闸引起的切换过电压不会造成对机车、接触网、变电所及本系统的绝缘破坏；合闸电涌不会造成变电所及本系统的保护误动。