一种动车组自动过分相系统改进设计

杨明涛

摘要：动车组开环控制自动过分相方法存在掉入分相区和带负载过分相的隐患，本文通过阐述自动过分相的必要性，在分析过分相失败的原因及危害的基础上，提出闭环控制过分相逻辑，并优化部分参数改进了自动过分相控制过程。目的是减小过分相失败的概率，降低对铁路运营秩序的影响。

关键词：动车组;过分相控制;磁钢过分相

0  引言

动车组供电采用单相工频交流供电制式，为避免国家电网三相电源系统出现三相供电不平衡，造成电网供电质量下降，铁路供电采用分区段分相供电，以平衡三相负荷。不同供电区间之间设置一段无电缓冲区即分相区，车辆经过分相区时需先将供电的高压主断路器断开切断负载电流，防止供电区末端接触网成为高压断路器而产生拉弧烧损。

电气化铁路一般每20km设置一个分相区，车载自动过分相功能能够保证动车组在进入分相区前主断路器自动断开，离开分相区后主断路器自动闭合，实现无负载通过分相区[1]。动车组现行自动过分相功能采用开环控制，各功能模块相互独立，当动车组运营过程中因意外掉入分相区或带负载经过分相将对铁路运营秩序造成影响，存在安全隐患。

1  自动过分相方式

自动过分相分为地面自动过分相和车载自动过分相两种。

1.1 地面自动过分相

地面设备自动控制分相区接触网的通断电状态，车辆本身不需进行相应动作即可通过分相区。地面过分相设备控制过程如图1所示，由于地面过分相设备必须设置在分相区附近[2-3]，存在电气化铁路分相区分布较分散，部分位置较偏僻，运输维修设备不便缺点，使得地面过分相设备运用产生了一定的局限性。

1.2 车载自动过分相

车辆通过自动控制车载主断路器断开通过分相区，地面及接触网不需元器件发生动作，车载自动过分相方式主要包括：GFX磁钢过分相[4]、ATP过分相[5]。

1.2.1 GFX磁钢过分相逻辑

用于GFX过分相控制的自动过分相装置采集到在车辆运行方向轨道侧磁钢信号的“预告”、“强迫”信号实现自动过分相，但无法判断当前“预告”或者“强迫”信号是用于控制进分相还是控制出分相。因此需要自动过分相装置特殊设置以及车辆逻辑的配合实现自动过分相。车辆GFX过分相逻辑如下：

①车辆首次接收自动过分相装置发来的“磁钢预告”信号，执行预告进分相动作：封锁牵引并延时断开主断路器。

②车辆接收到自动过分相装置发来的“磁钢强迫”信号，执行强迫进分相动作：立即断开主断路器。

③车辆再次接收到自动过分相装置发来的“磁钢预告”信号，执行出分相动作：行驶一定距离（磁钢接收器位置与受电弓的间距）后解除牵引封锁并闭合主断路器，结束过分相，过分相流程如图2。

磁钢过分相的优势在于地面设施简单，维护成本低，车辆未安装ATP或ATP功能受限时也可进行自动过分相，但磁钢过分相存在信号抗干扰能力差、信号指示不明确缺点，磁钢过分相的“预告”信号既被用来控制进分相，又被用来控制出分相，缺少校错能力，易造成信号的误解读，造成二次过分相或带负载进分相异常。

1.2.2 过分相失败的危害

高速铁路的分相区中，中性接触线（无电）向两端的供电臂方向延伸，延伸部分与原供电臂接触线平行等高，绝缘距离为450毫米左右，用于受电弓碳滑板的平稳过渡，受电弓碳滑板在如图3中的A点处脱离供电臂1接触线，过渡到中性接触网线，在B点处由中性接触网线过渡到供电臂2接触线。

动车组若自动过分相失败带负载进入分相区，供电臂1接触线将于A点附近产生持续电弧如图4所示，A点处供电臂1与中性线等电位;当车辆前行21米，碳滑板在B点与供电臂2接触线相碰如图5，供电臂2与无电区中性接触线短接，中性接触线与供电臂2同电位。若此时A点电弧尚未完全熄灭或空气处于电离状态，A点中性段与供电臂1之间450毫米空气间隙将被完全击穿，从而形成“供电臂1—中性接触线—供电臂2”相间短路，造成接触线烧损，供电臂1、2跳闸。

2  磁钢过分相失败的原因

过分相失败原因主要可以分为：速度低导致的二次过分相或过分相信号识别错误导致的带载过分相。

2.1 低速经过分相区导致二次过分相

在车辆低速GFX过分相时，因G2-G3或G3-G4区段运行时间过长，造成自动过分相装置在采集到G4后会将G4信号误识别为G2，输出“磁钢强迫”指令时给车辆，车辆再次将主断路器，造成二次过分相。（图6）

2.2 过分相信号识别错误导致的带载过分相

GFX过分相在进分相前受地面干扰采集到错误的“预告”信号会被识别成G1，发送给车辆“磁钢预告”后车辆执行进分相动作，车辆继续前行，自动过分相装置采集到真正G1后会被识别成G3，再次给车辆发送“磁钢预告”后，使车辆在本应该执行进分相动作的位置却执行出分相动作。车辆在进入无电区前主断路器闭合，产生带载过分相。

3  车辆GFX过分相逻辑优化

针对带载过分相情况，车辆GFX过分相逻辑中可引入网压及累积行驶距离两个参数，从而避免过分相信号判断错误的问题，相应优化如下：

①网络处于分相区状态时引入主断状态信号，当主断路器实际状态与控制目标状态不一致时，自动发送主断路器断开信号。

②处于“GFX分相区间”的车辆只有在检测到网压从无到有后，才执行接收到“GFX预告过分相”信号。

③开始执行出分相累积行驶逻辑时，检测到无网压时立即将累积距离清零，终止出分相逻辑。检测到网压且满足累积行驶距离参数时执行出分相，出分相累积一定距离内屏蔽过分相信号，过分相流程如图7。

过分相模式在新增网压及累计运行距离参数进行综合判断，可有效避免过分相信号识别错误导致的带负载进分相，且网络处于分相区状态时引入主断状态信号，当主断路器自动控制回路电气元件失效，导致主断路器实际状态与控制目标状态不一致时，自动发送主断路器断开信号，完成主断路器闭环控制，代替司机人为操作，避免因人为误操作导致的次生问题。

4  结束语

本文在分析现行GFX磁钢过分相逻辑缺陷的基础上，提供了一种动车组自动过分相的优化方法及闭环控制思路，可避免GFX过分相时信号干扰导致的带负载过分相。使用闭环控制主断路器逻辑代替原开环控制逻辑，将人为操作控制优化为系统自动控制，避免人为误操作。

参考文献：

[1]郭育华，连级三，张昆仑.自动过分相对电力机车的影响[J].机车电传动，2000（02）：15-17.

[2]孙鹏程，王帮田，王其中.一种新型地面自动过分相系统研究[J].铁道机车车辆，2012（06）：111-115.

[3]温建民，王帮田，方志国.高速铁路地面自动过分相系统的研究与运用[J].铁道标准设计，2011（4）：104-108.

[4]于海波，王波，张晓坤.动车组GFX-3A自动过分相试验模拟装置研究及应用[C]//第十二屆中国智能交通年会大会论文集.2017.

[5]田洪全.高铁信号ATP设备自动过分相的优势[J].铁道通信信号，2015，51（7）：13-14.