高速动车组出站状态下电分相设置研究

杜 珩，石修路

DU Heng，SHI Xiulu

（中铁二院重庆勘察设计研究院有限责任公司 交通规划设计处，重庆 401120)

0 引言

我国高速铁路快速发展，对列车运行安全及运输效率提出了更高的要求。作为保证电气化铁道供电系统不同相位供电臂间的机械连接和电气隔离的重要原件，电分相设置位置对列车运行安全及运输效率造成一定影响。

国内相关学者[1-2]针对速度、闭塞分区、线路坡度等因素，对高速铁路追踪间隔的影响进行相关研究。耿敬春[3]研究电分相设置形式和位置对列车最小追踪间隔时间的影响，认为车站出发间隔受电分相影响最大，区间追踪次之，车站到达追踪几乎无影响。唐亮[4]研究列车不带电过分相方式对运行速度及运行时分的影响，并在建立相应算法的基础上，对不同运行条件、不同设置位置及纵断面情况下，电分相对列车速度及运行时分的影响。温建民等[5]仿真分析各种电分相设置方案在高速运行和低速运行时对运行时分的影响，认为高速运行状态下，带电过分相和列控过分相对运行时分影响很小。然而，电分相设置于车站附近时，列控过分相方案要求列车进入电分相的初始速度满足一定要求。由既有研究成果可知，众多学者在进行高速铁路电分相设置及影响研究时，虽然得出了不同条件、不同过分相方式、不同设置形式及位置条件下，电分相对运行时分及追踪间隔的影响，但针对车站附近的分相设置及不同条件下的影响程度均未给出明确结论，也未给出电分相允许距离车站的合理范围。

由于高速动车组出站状态下电分相设置要求应尽量避免设置在长大上坡道上，避免设置在列车出站加速区段及区间限速区段[6]。然而，实际设计受到多种条件限制，往往难以落实相应要求。为切实做好高速铁路设计，需要有针对性地开展相应研究，为高速动车组出站状态下电分相设置提供理论依据。

1 高速动车组出站过分相分析

1.1 出站过分相过程

高速铁路电分相一般采用带有中性段的绝缘关节形式，应用最为广泛的有6 跨分相(即短分相)和13 跨分相(即长分相)。其中，6 跨分相和13 跨分相的分相范围、中性段长度及无电区各异。根据CTCS-2 或CTCS-3 级列控系统应答器应用原则，应答器向列控系统发送的分相信息为分相断电标志的起点位置及分相的长度信息。

高速运行的动车组过分相的流程为：动车组在临近电分相的区间运行时，会依次接收到3 组应答器发送的分相区信息，当列车分别运行至第1 组、第2 组和第3 组应答器时，列控系统分别接收到应答器的预告地面分相数据。当运行至第3 组应答器时，列控系统会根据实时的运行速度，计算车头与分相区的距离和时间。自动过分相装置根据系统的响应时间，适时调整电机电流，使其平稳下降至0，并发出“主断”信号给控制电路。列车通过电分相后，自动过分相装置发送合“主断”信号给控制电路，电机电流缓慢恢复至过分相前的状态[7-8]。

无电分相情况下，列车出站过程如果处于下坡段，列车下坡过程中，其势能转化为动能，有利于列车加速，其加速过程较短，能够较快地达到最高运行速度；设置电分相情况下，列车出站过程如果处于下坡段，其加速过程几乎与无电分相情况下一致。出站下坡速度曲线如图1 所示。图1 中，长虚线为限速情况下的速度曲线，短虚线为有分相情况下的速度曲线，实线为无分相情况下的速度曲线，下同。

图1 出站下坡速度曲线Fig. 1 Outbound downhill speed curve

无电分相情况下，列车出站过程如果处于上坡段，其加速过程较长，速度增长缓慢；设置电分相情况下，列车出站过程处于上坡段时，由于经过电分相无电区，其加速过程的速度增长会经历提速、降速再提速，加速过程较无电分相情况下有所延长。出站上坡速度曲线如图2 所示。列车上坡过程将动能转化为势能，速度增长幅度会在上坡过程中有所降低，而在上坡过程中需要过电分相时，列车经历失去动力、利用动能闯坡、过电分相等过程，速度将出现大幅降低。

图2 出站上坡速度曲线Fig.2 Outbound uphill speed curve

1.2 车站出发间隔计算模型

车站出发间隔是指同一车站发出的2 列相邻列车间的追踪间隔时间。列车在出发过程中通过电分相，其速度将受到影响，列车出发间隔将相应增大。车站发车追踪示意图如图3 所示。

图3 车站发车追踪示意图Fig.3 Station departure tracking

由图3 可知，在无电分相情况下，1 号车出站过程中的运行速度平稳增长，直至2号车开始出站；有电分相情况下，1 号车在出站过程中，其运行速度增长过程为“增-减-增”，在出清-离去后，2 号车开始办理发车进路[3]。由以上过程可知，出发间隔的计算公式为

式中：I发表示列车出发间隔，s；L追踪表示列车在追踪检算时闭塞分区总长，m；L出站表示列车在车站出发进路上的运行距离，m；L一离去表示车站逆向进站信号机距离区间第1 闭塞分区的长度，m；L列车长表示列车总长，m；t发作表示车站办理2 号车发车作业的时间，s；V运表示追踪距离内1 号车的平均运行速度，km/h。

根据公式⑴，当运行速度减小时，出发间隔将增大。由图3 可知，当出站过程中需要通过电分相时，同等条件下，其速度将低于不通过电分相的运行速度。由此可知，靠近车站设置电分相，其出发间隔将增大。

综上分析，电分相设置于靠近车站且位于上坡段位置时，对列车速度提升和出发间隔将造成较大影响。为此，重点研究靠近车站且位于上坡段的电分相设置问题。由文献[3]可知，在靠近车站位置设置电分相时，短分相优于长分相，因而研究对象以短分相为主。

2 高速动车组过分相速度及出发间隔分析

为了较为准确地刻画分相设置位置对运行速度及出发间隔的影响，采用对比分析法，对不同坡度、不同位置的电分相进行仿真计算，归纳总结仿真结果，给出理论指导建议。

仿真计算以CRH3 型16 辆编组动车组作为模拟对象，通过其在5‰，10‰，15‰，20‰，25‰，30‰的平均坡度上，分别对距离出站信号机1 km、2 km、3 km、5 km、7 km 的短分相区进行模拟计算。仿真结果统计表如表1 所示。

表1 的速度损失数据中，括号内为无分相状态下同一里程对应的运行速度；括号外为有分相状态下同一里程对应的运行速度。在进行出发间隔仿真时，结合文献[9]，在不同分相下调整信号机布置以满足闭塞分区距离要求。

由表1 可知，在电分相位置不变的情况下，随着平均坡度的增加，动车组的速度损失和出发间隔逐渐增大，极端情况下列车可能停止在无电区；而在平均坡度不变的情况下，速度损失和出发间隔随着电分相与出站信号机间的距离增加而减小。

综上所述，在对应的坡度下，电分相的设置位置存在合理的范围，若以速度损失30 km/h 以内，出发间隔4 min 作为卡点进行仿真，不同坡度下仿真结果统计表如表2 所示。其中在平均坡度≥25‰时的结论验证了文献[10]中的规定。

3 实例检算

渝湘高速铁路(重庆—长沙)重庆至黔江段，起于重庆终到黔江，全线设站8 座，线路全长265 km。全线受地形、地质影响，线路纵断面坡度较大，其中15‰以下坡度长度占线路全长的47%，15‰以上坡度长度占线路全长的53%。全线桥隧比较高，其中桥梁总长39 km，占全长14.66%，隧道总长209 km，站全长77.53%，桥隧总占比92%。

表1 仿真结果统计表Tab.1 Simulation results

表2 不同坡度下仿真结果统计表Tab.2 Simulation results with different gradients

3.1 分相布置

全线工程卡点较多，全线范围内的分相布置检算较为繁琐，难以详细分析。为此，选取其中典型区段进行分相布置与检算，以验证分析结论。通过比选，南川北至巴南区段较为典型，故以此区段作为实例进行检算。

南川北至巴南段全长42 km，高差较大，坡度使用情况以大于20‰的坡度为主。经过分析，大坡度主要集中于区间中部，南川北站和巴南站附近的坡度相对较小。从电分相设置角度，区间中部设置分相对出发间隔和速度折损方面影响较小，但是靠近车站的分相对出发间隔和速度折损往往会造成较大影响。因此，本实例中重点对南川北站附近分相进行研究。

结合线路纵断面可知，南川北站出站为10‰的上坡，3.5 km 后为21‰的长大上坡，根据规律，南川北站附近分相存在2 种布置方案：方案1 为将分相设置于10‰坡度上，断标位置距出站信号机3.3 km；方案2 为将分相设置于21‰的坡度上，断标位置距出站信号机6.3 km。

3.2 检算结果分析

为保证研究的一致性，本次检算仍以CRH3 型16 辆编组动车组进行仿真。并针对3.1 节中的2 种布置方案分别进行检算。方案1 分相检算速度曲线图如图4所示；方案2分相检算速度曲线图如图5所示。

方案1 下，动车组过分相速度为152 km/h，无分相状态下同一位置速度为185 km/h，速度损失为33 km/h。由于分相处于两个检算分区内，过分相状态下动车组出发间隔较无分相状态下延长0.07 min，其中过分相状态下出发间隔为3.54 min，无分相状态下出发间隔为3.47 min。

方案2 下，动车组过分相速度为172 km/h，无分相状态下同一位置速度为197 km/h，速度损失为25 km/h。由于分相处于2 个检算分区外，过分相状态下动车组出发间隔与无分相状态下相同，均为3.47 min。

纵向对比可知，方案2 的速度损失较方案1低，且两方案出发间隔相差较小，因而从运营角度，方案2 优于方案1；但是方案2 中电分相所处位置位于隧道内，方案1 电分相位置位于隧道口，从后期维护角度而言，方案1 优于方案2，且2 个方案速度损失差较小；从供电臂长度分析，方案2的分相位置距离上一分相27.5 km，方案1 的分相位置距离上一分相24 km，方案1 优于方案2。

经分析，方案1 更加符合实际需求，予以推荐。

图4 方案1 分相检算速度曲线图Fig.4 Speed curve of neutral section check in scheme 1

图5 方案2 分相检算速度曲线图Fig.5 Speed curve of neutral section check in scheme 2

4 结束语

新建高速铁路电分相设置作为影响运输效率与行车安全的主要因素之一，其选址的合理性日益受到重视。与区间电分相相比，车站附近分相影响更为广泛。因此，从行车角度论证动车组出站状态下分相设置条件，不仅能够有效填补规范空白，同时对以川渝地区山地特征下高速铁路建设提供研究依据。而且，在高速铁路智能化、信息化发展过程中，电分相设置作为多学科交叉领域应综合地形条件与各专业需求统筹把控，从而进一步优化线网运输效率。