神朔铁路地面自动过分相系统中性区设计优化

吕顺凯

0 引言

神朔铁路西起大柳塔站，东至朔州西站，与神延铁路接轨，和北同蒲铁路、朔黄铁路、包神铁路贯通，电气化复线全长266 km，是我国继大秦铁路之后第二条西煤东运大通道，主要承担国家能源集团所属神府、东胜煤田煤炭及部分地方煤炭外运任务，2012—2019 年，连续8 年突破2 亿吨运输大关。

地面自动过分相系统于2006 年起在神朔铁路试点运行，2012 年完成适用万吨重载列车的技术改造，满足了神朔铁路高坡、重载线路运能持续增长的需求。地面自动过分相技术的运用最大限度地发挥了电力机车的牵引力控制，充分保持了列车通过电分相时的运行速度，缩短了过分相的运行时间（每列车通过自动过分相区间用时平均压缩3～4 min），显著提高了神朔铁路的运输能力[1]。

现场长期应用经验表明，地面自动过分相系统有效解决了重载列车断电通过长大坡道分相导致的降速、坡停等问题，消除了司乘人员手动控制过分相时由于操作不当引起的拉弧甚至烧毁接触网的安全隐患，而且锚段关节式分相的应用避免了器件式分相对电力机车受电弓的硬点冲击，“人-机-网”综合经济效益显著。但同时，随着现场投运数量的增加及线路运量的加大，设备故障频率也同步增加[2]。现有中性区按照万吨重载运煤专列“同收同放”极限需求设计[3]，长度超过1.2 km，当地面自动过分相系统出现故障时，列车无法滑行通过，线路暂时中断，越区送电操作复杂费时，严重影响运能；而且导致地面自动过分相系统长时间带重负荷工作，不利于今后小型化和简统化的发展，急需优化设计改造。

1 地面自动过分相系统原理及其构成

地面自动过分相系统的工作原理较简单，即依据列车位置检测信号，按照预定控制逻辑进行开关切换，使得通常状态下不带电的中性区在不同时段交替带电，实现列车无感知平稳通过，但由于其串联于牵引供电网络，对可用性、可靠性、可维护性及安全性要求极高，涵盖供电、接触网、信号及控制等多个专业，属于交叉学科复杂工程。

图1 为地面自动过分相系统构成示意图。图中的PT1～PT3 分别为A 臂、B 臂、中性区的电压互感器；CT1～CT3 分别为A 臂、B 臂、中性区的电流互感器；PS1～PS4 分别驶入中性区前、中性区内切换以及驶出中性区的列车位置检测传感器，通常采用功能丰富、安全性好的计轴装置，正向行车采用PS1、PS3 和PS4，反向行车采用PS4、PS2和PS1；K1～K2 为执行单元，早期普遍采用选相断路器，目前已示范应用可靠性更高、毫秒级切换且可以精确选相的高压电力电子开关；JY1～JY2为空气绝缘锚段关节，满足机车受电弓在各区间平稳过渡和连续受流，两者之间即为中性区。

图1 地面过分相系统构成

按照功能单元划分，地面自动过分相系统主要包括位置检测单元、逻辑控制单元、安全保护单元、执行单元、接触网中性区等，各单元间的关联关系见图2。

图2 地面过分相单元关联关系

2 地面自动过分相中性区设计原则

中性区是地面自动过分相系统的重要组成部分，机车需要在中性区完成电压和（或）相位不同的高压电源切换，设置是否合理将直接影响过分相时的行车及供电系统安全。

中性区设计时需考虑多方面因素，主要包括列车的相关信息，如列车的编组方式、长度、车速等，过分相系统自身的一些技术参数，如位置检测时间、程序运行周期、预定切换时间、开关分合时间和故障情况下保护动作所需时间，以及地面自动过分相系统对于复杂编组列车的逻辑控制策略等。

地面过分相系统中性区设计目前尚无统一的规范性文件，参考接触网锚段关节式电分相设计相关规定[4]，同时结合地面自动过分相的工作原理及系统构成，编制无电区长度需求计算式如下：

式中：L0为地面自动过分相系统进行电源切换前中性区内第一台机车的第一个前轴至最后一台机车的受电弓之间的距离，m；V为线路允许的最高运行速度或该电分相处线路限制的运行速度，m/s；T为地面自动过分相系统的位置检测时间、程序运行周期、预定切换时间、开关分合时间以及故障保护动作等时间之和，s；L1为预留安全距离，依据线路类别、运行速度、共线列车等综合因素选择，m。

中性区包含过渡区与无电区，构成示意图见图3，具体设计时需要根据线路情况，合理设置锚段关节的结构形式及位置，确保无电区长度满足安全行车需求。

图3 中性区构成示意图

3 神朔铁路中性区设置现状及存在的主要问题

与常规铁路单机或双机固定编组方式不同，神朔铁路采用SS4 型直流机车和神华号HXD1 型交流机车牵引5 000 吨或万吨级列车，编组方式多样，包括“2+0”、“3+0”、“2+1”和“2+2”等数种类型[5]。“2+0”和“3+0”表示多台电力机车均在列车前部牵引，运煤敞车全部挂于机车之后；“2+1”和“2+2”表示列车前部和中间均有电力机车，部分运煤敞车挂于前部电力机车和中部电力机车之间，部分运煤敞车挂于中部电力机车之后。敞车型号包括C64、C70、C80 等，敞车的数量根据型号不同存在差异。

神朔铁路现有地面自动过分相系统中性区长度按照各种复杂编组类型列车的受电弓均能够“同收同放”的一次性全包络方案进行设计，结构形式如图4 所示。

图4 现有中性区结构形式示意图

基于各项已知条件，包括神朔铁路线路运行的SS4 机车长度为32.832 m，神华号HXD1 机车长度为35.304 m，线路允许最高运行速度为80 km/h，地面自动过分相位置检测及开关分合等时间之和小于0.5 s，安全距离设定为列车以线路允许最高运行速度运行0.5 s 的距离等，按照式（1）将各种编组方式下无电区长度需求进行计算并整理，如表1所示。

表1 无电区长度需求计算 m

由表1 可知，在考虑充分安全裕量的前提下，满足全部编组类型列车受电弓一次性“同收同放”的中性区长度必须大于1 033 m；“2+1”和“2+2”编组列车由于在前部和中部机车之间加挂敞车，导致整列编组受电弓一次性换相等效长度过长，是造成中性区长度超过1 033 m 的主要原因。

目前神朔铁路地面过分相系统中性区设置均采用“8+N+4”超长绝缘锚段关节结构，平均长度超1.2 km，可一次性完成整列编组中全部机车供电电源的切换，满足各种复杂编组列车应用需求，但是由于涉及多次技术改造，构成复杂，故障点多，且存在列车无法滑行通过，停于分相时救援组织困难等一系列问题。

神朔铁路现有中性区存在以下主要问题：

（1）对线路运能的影响。神朔铁路地面自动过分相装置均位于上坡地段，最大坡度达12‰，同时，由于上行方向为重车，列车限速80 km/h，通过分相时的速度一般不超过60 km/h，中性区长达1.2 km，使得地面自动过分相故障由人工控制过分相时列车无法滑行通过，导致线路中断，需采取越区供电。而越区供电需要电力调度、生产调度、牵引变电所值班人员多方参与，操作复杂费时，并且列车在坡停状态下速度恢复慢，长时间占据单线闭塞区间，以及越区供电情况下需要限制列车追踪间隔，都将极大影响整条线路的运输能力和效率。

（2）对系统自身的影响。地面自动过分相各子系统的设计与中性区密切相关，尤其是采用超长中性区时，执行单元（K1 和K2）的额定电流和散热条件等均需依据各种编组列车的峰值容量及全部机车在中性区内的累计运行时长进行等效设计，导致系统总体设计容量较大且长期在高负荷工况下运行，不利于今后系统小型化和简统化发展。

（3）对巡视检修的影响。神朔铁路地面自动过分相系统中性区是由供电专业归口提出需求，工务专业建设维护，双方共同巡视的交叉区域。中性区构成复杂，故障点多，增加了线路巡视和检修工作量，同时，进行故障处理时，需多方到场协同，不利于现场快速恢复。

4 地面过分相中性区设计优化研究

由上述分析可知，如果能够可靠检测中部机车，将“2+1”和2+2”编组列车等效视为连挂运行的2 列独立短编组列车，在中部机车通过中性区时进行二次换相，即可减少对无电区的需求，有效缩减中性区的长度。同时，需将逻辑控制策略进行优化，在确保安全及兼容“2+0 和“3+0”编组列车通行的前提下，实现“2+1”和“2+2”编组列车二次换相。另外，还需依据线路的情况，对中性区的结构形式进行简化设计。

4.1 中部机车检测方案

确保中部机车被安全、可靠、准确检测是地面自动过分相系统中性区优化的核心，逻辑控制单元需要依据中部机车运行位置选择第二次换相的导通和关断时刻。基于系统现有配置情况，在新增设备最少及工程量最小的前提下，提出一种基于“电流加计轴”和“双激光雷达”的双重安全检测方案（图5），能够适应机车各种运行工况，消除单一检测方式存在的盲区。

图5 双重安全检测方案示意图

4.1.1 电流加计轴检测

机车通过JY1 进入中性区之后，将从中性区获取电能，流经中性区电流互感器的电流显著增加，而且由于神朔铁路地面自动过分相系统中性区的线路坡度为10‰～12‰，在整个过分相过程中，机车均需维持高功率输出，因此可以将阈值限制的中性区电流作为中部机车进入的检测依据，可靠性很高。但是对于中部机车是否全部进入中性区，仅通过电流无法获知，需通过计轴装置辅助检测。电流加计轴检测方案如图6 所示。

图6 电流加计轴检测方案示意图

计轴装置是铁路信号系统中用于列车位置检测和完整性检查的重要设备，以安装在钢轨轨腰上的传感器为探测手段，直接计取和检查经过列车的轴数，并通过计算比较判别区段是否有车占用，因其具有工作不受道床、轨道状态和气候条件的影响，附属设备较少，可靠性高，抗干扰性能好等诸多优点，已在地面自动过分相系统中应用。计轴传感器有2 个磁头，列车通过时，轮对将切割磁感线，导致接收端接收到的磁场强度变化，每切割一次，计轴装置记录一次，同时通过2 个接收端的时间差判别机车行进方向，计算列车运行速度。检测中部机车是否全部进入中性区时，由于计轴传感器无法有效区分机车和货车敞车的轮对，因此需要间接判别。判别方法主要包括两种，第一种是采用计轴装置输出的轮对新增计数，第二种是通过计轴装置测算的列车运行速度与时间进行积分，进而计算出距离，优先采用更为直接和便捷的轮对计数法。

采用电流加计轴检测时无需新增硬件，中性区电流信号通过电流互感器CT3 采集，轮对计数信号使用计轴传感器（正向行车时为PS2，反向行车时为PS3）输出的脉冲。当中性区电流超过设定阈值，逻辑控制装置计算进入中性区的新增轮对数量，进而判断中部机车是否已完全进入。

4.1.2 双激光雷达探测

为消除机车惰行工况电流检测存在的盲区，采用双激光雷达探测作为在线同步检测方案（图7），提高检测的安全性。目前，激光雷达已在汽车自动驾驶、空间测绘、物体识别和安防等领域广泛应用，其利用光频波段的电磁波向目标发射探测信号，然后将其接收到的同波信号与发射信号相比较，获得目标的位置（距离、方位和高度）、运动状态（速度、姿态）等信息，实现对目标的探测、跟踪和识别，具有距离和速度分辨率高、抗干扰能力强、体积小、质量轻且不受无线电波干扰等优势。凭借激光雷达“精准、快速、高效”的特点，能够可靠检测进入中性区的中部机车。

图7 双激光雷达探测方案示意图

机车受电弓本体是激光雷达探测的主要目标。通过测量激光信号的时间差、相位差确定距离，经水平旋转扫描或相控扫描测量角度，根据这2 个数据建立二维的极坐标系，再通过获取不同俯仰角度的信号获得第三维的高度信息，经信号处理后，激光雷达可生成精确的受电弓三维立体图像。由于电力机车与运煤敞车存在一定的高度差，而工作中的受电弓又高于机车车体，因此可以通过检测高度差的方式限定检测区域，缩短受电弓检测时间。

分别在中性区前及中性区内的接触网支柱侧边安装1#和2#激光雷达，当激光雷达检测到运行中的机车受电弓时，通过电缆硬接线方式送出若干对状态节点信号，同时采用光纤与逻辑控制单元进行极低延时通信，准确记录和传送受电弓通过检测点的时刻、机车运行速度、受电弓数量等信息。中部机车进入中性区前，通过1#激光雷达检测中部机车受电弓的数量等相关信息，并结合机车运行速度及通过的时刻，预判抵达2#激光雷达的时间，增强可靠性；中部机车进入中性区通过2#激光雷达时，与1#激光雷达检测受电弓的数量进行比较，当两者相等时，说明中部机车已全部进入。

4.2 控制逻辑设计优化

4.2.1 现有控制逻辑

由于现有中性区长度超过1.2 km，可一次性完成整列编组中全部机车高压电源的切换，因此目前的控制逻辑如下：

（1）列车抵达PS1 位置，闭合左侧开关K1，中性区带A 相电。

（2）列车抵达PS3 位置，分断左侧开关K1，闭合右侧开关K2，电源切换，中性区由A 相电转换为B 相电。

（3）列车完全通过PS4，分断右侧开关K2，中性区恢复初始无电状态，等待下一趟机车到来。

现有控制逻辑流程如图8 所示。

图8 现有控制逻辑流程

4.2.2 控制逻辑优化

为满足“2+1”和“2+2”编组列车的二次换相需求，同时兼容“2+0”和“3+0”编组列车，确保各种编组列车均能够安全通行，将控制逻辑进行如下优化：

（1）列车抵达PS1 位置，闭合左侧开关K1，中性区带A 相电。

（2）列车抵达PS3 位置，分断左侧开关K1，闭合右侧开关K2，电源切换，中性区由A 相电转换为B 相电。

（3）列车抵达PS4 位置，分断右侧开关K2，闭合左侧开关K1，中性区由B 相电转换为A 相电。

（4）如果检测到中部机车并确认中部机车已完全进入中性区，分断左侧开关K1，闭合右侧开关K2，进行第二次换相，中性区由A 相电转换为B 相电；如果未检测到中部机车，保持K1 和K2的当前状态。

（5）列车完全通过PS4，分断当前闭合的开关，中性区恢复初始无电状态，等待下一趟列车到来。

优化后的控制逻辑流程如图9 所示。

图9 优化后的控制逻辑流程

4.3 结构形式简化设计

通过中部机车的可靠检测与逻辑优化，将“2+1”和“2+2”方式编组列车等效视为2 列单独的列车，进行2 次切换，则无电区的长度只需大于“2+0”和“3+0”编组对无电区需求的较大值，即大于“3+0”编组的112 m。按照接触网跨距为40 m进行设计，结构形式优化方案可采用“4+4”构成的九跨绝缘锚段关节，中性区长度小于280 m，无电区长度大于120 m，满足现有各种复杂编组列车地面自动过分相需求[6]。与现有1.2 km中性区相比，优化后长度缩减达76.67%，小于列车断电滑行距离，当地面自动过分相系统故障时，司机人工操控列车能够安全通过。中性区简化结构形式示意图见图10。

图10 中性区简化结构形式示意图

5 结语

中性区是地面自动过分相系统的重要组成部分，其设置是否合理将直接影响列车过分相时的行车安全及运营效率。神朔铁路现有中性区按照万吨重载运煤专列“同收同放”极限需求设计，长度超过1.2 km，构成复杂，故障点多，且存在列车无法滑行通过、停于分相区救援困难等一系列问题。为此，本文全面分析了地面自动过分相系统原理、构成及中性区的设计原则，提出了一种基于“电流加计轴”和“双激光雷达”的中部机车双重检测方案，优化了系统控制逻辑，可显著缩短各种复杂编组列车对于中性区长度的要求，并对现有中性区结构进行了简化。通过设计优化，中性区长度缩减超900 m；当地面自动过分相系统故障时，列车能够在人工控制方式下滑行通过，无需中断行车和越区供电，有效降低对线路运能的影响，而且也相应减少了地面自动过分相系统的等效负荷，有利于今后系统小型化和简统化发展。同时，随着地面自动过分相系统在电气化铁路进一步推广应用，对于存在类似复杂编组方式的客货混运、高低速列车混跑、重载铁路等其他线路中性区设计，本文研究内容也具有重要的指导意义。