商阜动车组车载磁钢自动过分相试验失败的原因分析及建议

刘泊涛， 崔艳龙

（1. 京福铁路客运专线安徽有限责任公司，安徽合肥 230001；2. 中国铁路设计院集团有限公司，天津 300308）

0 引言

电气化铁路电力机车采用单相供电，为平衡电力系统各相负荷，一般实行相序轮换供电，在接触网中设电分相将不同相电进行电气隔离以避免相间短路［1-3］。新建商合杭高铁（芦庙—合肥北城段）、郑阜高铁（安徽段）联调联试期间，试验车搭载磁钢自动过分相测试时发现，动车组在连续通过商合杭—郑阜高铁联络线电分相和商合杭高铁阜阳西牵引所处电分相时，存在无法连续自动过分相问题。经设计院、设备管理单位和四电施工单位共同对现场磁钢安装位置和磁感应强度进行复测核实，结果均满足有关规定要求。后联系磁钢设备厂商和车辆生产厂家共同分析，原因为车载自动过分相装置“冷启动”时限过长，2处分相关节设置距离过近（均在3 km左右），在动车组时速超过140 km 时，行车方向第2 处分相关节磁钢存在不能及时启动的情况。就枢纽地区绝缘锚段关节改分相关节引起的动车组自动过分相试验失败原因进行论述，提出解决问题的建议，以供后期同类情况下电分段设计参考。

1 原施工设计概述

新建阜阳西站为商合杭高铁和郑阜高铁共站设置，2个车场共用阜阳西存车场，并分别与存车场间设置动车走行线，动A 线由商合杭场咽喉区引出，有效长度为409 m，在动A 线上设置踏面诊断设施。动B 线由郑阜场咽喉区引出，并预留阜淮城际线位，有效长度为336 m，在动B线上预留踏面诊断设施。动A、B线均不具备设置关节式电分相的条件，而设置器件式电分相又不能满足断合标及磁枕的设置条件［4-5］，受空间布局限制。商合杭高铁在动A 线设置分段绝缘器进行电分段，郑阜高铁在动B 线设置绝缘锚段关节进行电分段。郑阜高铁与商合杭铁路间设置联络线，联络线上下行分别设置绝缘锚段关节进行电分段，均由阜阳西牵引所供电（见图1）。

图1 绝缘锚段关节示意图

2 现场方案研究（信号机布点不变）

2.1 规范要求

（1）《铁路技术管理规程（高速铁路部分）》第491条规定，断电标距电分相中性区段起始位置不小于80 m，合电标距电分相中性区段终止位置不小于400 m。

（2） TB 10421—2014《高速铁路设计规范》中11.5.5条规定，列车过分相断电区距最近信号机不宜小于550 m。

（3）TB/T 3197—2018《车载控制自动过分相系统技术条件》中6.2.1.4规定，磁枕设置宜采用a=a0+5 m，b=170 m。

2.2 增设分相关节行车检算结论

（1）经设计院供电和行车专业检算，商合杭—郑阜高铁联络线分相关节位置见表1，下行联络线列车在1859 信号机前停车后启动，可通过电分相。上行联络线列车在1864 信号机前停车后启动，可通过电分相，均具备设置分相关节条件。

（2）在原信号机布点不变前提下，下行联络线电分相位于下行通过信号机1859 与阜阳西线路所进站信号机（K187+065）之间，闭塞分区长度1 220 m，距离为275 m，电分相设置不满足“列车过分相断电区距最近信号机不宜小于550 m”的要求［6］。上行联络线电分相位于上行通过信号机1864与阜阳西进站信号机（K185+260）之间，闭塞分区长度1 125 m，距离为184 m，电分相设置不满足“列车过分相断电区距最近信号机不宜小于550 m”的要求。经上海铁路局集团有限公司业务部门组织各行车单位进行研究，一致同意在信号机布点不变的条件下进行分相关节改造，以消除商合杭—郑阜高铁联络线绝缘锚段关节可能存在的拉弧烧线隐患。依据原施工图设计及现场实际情况，分相关节设置尽可能利用既有锚段位置，以减少改造工程量。由于商合杭—郑阜高铁联络线接触网工程支柱组立已实施，增设电分相需拆除已组立支柱、调整接触网基础位置并重新组立支柱、调整腕臂装配、增设下锚、增设隔离开关及避雷器等，同时根据电分相位置，调整阜阳西牵引所供电线径路及上网位置（见图2）。

表1 分相关节位置

图2 6跨分相关节示意图

3 动车组过分相方式

根据《中国铁路总公司关于印发<时速350 公里中国标准动车组暂行技术条件>的通知》（铁总科技〔2014〕50 号）中规定，车载自动过分相装置需满足《时速200 公里及以上速度级动车组自动过分相装置技术规范》，过分相方式有以下3 种：（1）手动过分相；（2） 基于地面磁钢的车载自动过分相（GFX-3A）；（3）基于CTCS-2/CTCS-3模式的车载自动过分相。

正常运行情况下列车经过分相区所处切换牵引供电臂及馈电相位通过无电区，本工程通过车载、地面信号设备配合自动过分相（无电区）。列控系统发送的分相区信息［7-8］应为分相区断电标志牌起点位置及长度信息。分相区信息见图3。

图3 分相区信息

（1）基于CTCS-3 模式的车载自动过分相方式，通过GSM-R 由RBC 发送自动过分相信息。若车载设备行车许可延伸入分相区，则RBC 应将分相区信息以线路条件的方式发送至车载设备。

（2）基于CTCS-2 模式的车载自动过分相方式，通过无源应答器发送列车自动过分相信息［9］。

①正向运行时，宜有3 组应答器组发送分相区信息，第1 组宜为分相区外方第7 个闭塞分区入口处的应答器组；第2 组宜为第3 组外方最近的应答器组；第3 组宜为距分相区最高允许速度运行10 s 外方最近的应答器组［10］。发送分相区应答器位置示意见图4。第3组与分相区若发送正向线路数据的应答器组，也应该描述过分相信息。

②当反向线路参数覆盖范围内有分相区时，发送反向线路参数的应答器组应发送反向过分相信息。

③当车站有源应答器组线路参数覆盖范围内有分相区时，有源应答器应发送不同进路数据范围内距车站最近的分相区。

综上分析，动车组在CTCS-2/CTCS-3列控模式下自动过分相与磁钢的设置无关。装备CTCS-3 车载设备列车，正常按照CTCS-3列控系统自动过分相，当系统故障时，可转换为CTCS-2 列控系统自动过分相模式；装备CTCS-2车载设备列车，正常按照CTCS-2列控系统自动过分相，当系统故障时，可转换为磁钢过分相模式。

图4 应答器位置

4 车载自动过分相问题分析

4.1 地面磁钢自动过分相基本原理

采用地面磁钢自动过分相时，当动车组沿图5所示方向从左向右运行时，车载感应器首先感应到G1 并送出一个预告断信号给动车控制系统，动车随即卸载并分主断。当动车组运行到G2 点时，车载感应器感应到G2 并送出一个强迫断信号给动车控制系统，此时要求动车组立即分断主断。当动车组运行到G3 点时，车载感应器感应到G3 并送出恢复信号给动车控制系统，此时动车组要合上主断并恢复到过G1点前的工况。

图5 地面磁钢自动过分相示意图

4.2 自动过分相失败分析

在连续过分相时，车载自动过分相装置设置要求列车通过第1个电分相第3个磁钢（G3）至列车通过下一个电分相第1 个磁钢（G1）位置时，车载自动过分相装置需要约50 s 的“冷却时间”，冷却时间内不能对磁钢自动识别。因此，当连续过分相时，如果2个分相间距离较近无法满足“冷却时间”，会出现列车无法自动过第2个电分相的问题。

根据列控系统及磁钢自动过分相的检测条件，装备CTCS-3 车载设备列车，正常按照CTCS-3 列控系统自动过分相，当系统故障时，可转换为CTCS-2 列控系统自动过分相模式；装备CTCS-2 车载设备列车，正常按照CTCS-2 列控系统自动过分相，当系统故障时，可转换为磁钢过分相模式。比较CRH1、CRH2、CRH5型动车组牵引制动性能，CRH1要好于CRH5和CRH2。

5 建议解决方案研究

5.1 动车组不限速方案

（1）取消新增电分相方案。该工程接触网电分相采用2个4跨关节构成的6跨关节式电分相［11-12］，如取消电分相，需将组成电分相的2 个绝缘锚段关节中的1个改为非绝缘锚段关节，同时需取消与电分相匹配设置的断、合标志牌及地面磁钢，增设禁停标，修改列控数据，排除了连续过分相的情景。

（2）调整电分相位置方案。商合杭—郑阜高铁联络线电分相与商合杭高铁阜阳西牵引所电分相位置间距需拉大250 m，此时磁枕3—磁枕1 运行时长为52.74 s（下行方向）（拉大300 m，磁枕3—磁枕1 运行时长为53.90 s）。如将商合杭—郑阜高铁联络线上电分相往小里程端移动250 m，分相距离1859信号机不满足550 m要求，且列车在1859信号机前起车无法通过电分相；如将商合杭高铁阜阳西牵引所电分相往大里程端移动，可以满足要求；如果调整电分相设置位置，需对接触网进行调整，由于2 处电分相均设置在桥梁上，会引起桥梁及接触网施工工程，在联调联试期间施工难度大，同时调整电分相位置还将引起列控数据修改。

（3）调整车载磁感应器设置方案。车载磁感应器在过分相时设置约50 s“冷却时间”，如能减小“冷却时间”设置，即能解决无法连续自动过分相问题。由于涉及路网配属统一标准，如果修改动车组车载GFX-3A设备延时，需核实动车组开行的所有线路过分相是否满足需求，需由中国国家铁路集团有限公司组织动车组生产厂商统一研究。

（4）维持既有方案，对C0工况做补充要求。由于仅在列车处于C0工况下，才会发生无法自动过分相的情况，因此，可考虑在《行车组织细则》内进行特殊规定，C0工况下采取局部限速的方式（调度命令）。如可在《行车组织细则》关于“限速”章节内添加：郑阜高铁阜阳西站郑阜场向合肥方向通过列车、以及阜阳西线路所至阜阳西站反向运行时，250 km/h等级列车遇信号设备故障不能正常采用CTCS-2，列车调度员组织动车组按CTCS-0（LKJ）模式运行，并发布不超过140 km/h越过连续2处接触网分相的调度命令。

5.2 动车组限速方案

商合杭—郑阜高铁联络线及商合杭高铁阜阳西牵引所电分相采用磁钢自动过分相，按照160 km/h 运行速度，列车无法正常通过两分相。由于限速区段主要位于郑阜—商合杭高铁联络线，采用140 km/h 速度运行，对商合杭高铁正线运行速度和运行时分影响较小。对比分析140 km/h 和160 km/h 速度方案，阜阳西—颍上北下行运行时长仅相差23 s，下行逆向仅相差16 s。

（1）动车组永久性限速方案。修改列控数据，在LKJ 工程数据/列控数据表中对限速范围、限速值进行描述，对应无源应答器需要刷新速度数据包，同时列控系统同步更改软件并进行试验调试，限速140 km/h。阜阳西—颍上北下行运行时长增加23 s（较不限速方案），下行逆向运行仅相差16 s。但修改列控数据，对联调联试影响较大。

（2）动车组临时限速方案。无须修改列控数据，对联调联试不产生影响。运营伊始采用临时限速，若未来采用磁钢自动过分相的车载设备技术升级后，本段可取消临时限速，恢复原设计速度。设置临时限速方案，列控限速功能需由ATP 车载设备和地面设备共同完成，限速命令由中心调度员设置。鉴于目前商合杭高铁（芦庙—合肥北城段）、郑阜高铁（安徽段）正值联调联试期间，按2020 年底开通运营的节点目标压力较大。研究结论首选方案为维持既有方案，在《行车组织细则》中对C0工况下做补充要求，避免产生新的废弃工程和对联调联试期间设备运行安全造成影响。

6 结束语

新建铁路或改扩建工程在涉及到不同线别间设置联络线的处所，如需设置分相关节或对分相关节进行改造，一定要统筹考虑到改造后分相关节和邻近分相关节的距离，必须满足车载磁感应器在过分相时约50 s的“冷却时间”，避免在试验阶段出现动车组搭载磁钢自动过分相试验失败以及后期开通运营后采取限速等非正常行车组织方式，给铁路运输组织带来不便。