高速鐵路動車組過電分相的列控分閘區(qū)系統(tǒng)技術(shù)探討

李紅梅

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司電化處,武漢 430063)

1 概述

我國電氣化鐵道均采用25 kV單相工頻交流供電制式,為了平衡三相供電負(fù)荷,提高電力系統(tǒng)利用率,電氣化鐵道牽引變電所采用輪換接線、換相分段供電方式,無論采用何種供電制式,接觸網(wǎng)都不可避免地要設(shè)置電分相設(shè)施。既有線及普速鐵路電力機(jī)車過分相技術(shù)發(fā)展多年,是影響鐵路運(yùn)輸事故頻繁的主要風(fēng)險之一。

隨著我國高速鐵路的建設(shè)和發(fā)展,250 km/h及以上的旅客運(yùn)輸中采用的是動車組列控過分相技術(shù)。該系統(tǒng)技術(shù)利用地面應(yīng)答器、列控系統(tǒng)和車載系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了動車組在過接觸網(wǎng)電分相時,依據(jù)列控分閘區(qū)的精確參數(shù)設(shè)置和地面應(yīng)答器布置,動車組主斷路器在車載設(shè)備控制下的分閘和合閘操作,避免了司機(jī)疲勞駕駛時手動誤操作帶電闖分相,燒毀接觸網(wǎng)的故障,確保動車組過分相時無電、不帶負(fù)荷、安全準(zhǔn)確地自動通過電分相的運(yùn)行，提高了高速運(yùn)行時動車組過分相的準(zhǔn)確性、安全性和可靠性。列控或車載故障時配合行車組織管理和地面斷合標(biāo)的合理設(shè)置,提高了牽引供電系統(tǒng)運(yùn)行的安全可靠性,有效地提高了高速鐵路綜合運(yùn)輸能力。

2 高速鐵路接觸網(wǎng)電分相的類型

高速鐵路采用帶無電區(qū)的雙斷口錨段關(guān)節(jié)式電分相,中性區(qū)長度需根據(jù)受電弓的數(shù)量、間距及運(yùn)用方式等因素綜合確定,并符合雙向行車要求。以錨段關(guān)節(jié)的形式實(shí)現(xiàn)過電分相,使機(jī)車在高速運(yùn)行時,受電弓平穩(wěn),保證設(shè)備良好運(yùn)行及受流質(zhì)量。

我國實(shí)際運(yùn)營中容易出現(xiàn)違規(guī)操作導(dǎo)致取流過分相引起燃弧、燒損或燒斷承力索的事故。高速鐵路牽引供電能力大,牽引電流較大,一旦動車組受電弓過分相時誤操作發(fā)生燃弧甚至引起相間短路,是極其重大的運(yùn)輸事故。

接觸網(wǎng)設(shè)計應(yīng)考慮在中性段或無電區(qū)長度方面參照列車速度,適當(dāng)考慮加大。根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)IEC62486和運(yùn)營經(jīng)驗(yàn),電分相無電區(qū)一般不小于最大取流受電弓間距加120 m。電分相無電區(qū)或中性段的長度符合雙弓運(yùn)行需要時有兩大方式,即使無電區(qū)的長度大于雙弓間距的長無電區(qū)分相方案,或使中性段的長度小于雙弓間距的短中性段電分相。350 km/h技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的京津城際、武廣鐵路客運(yùn)專線、鄭西客運(yùn)專線均采用的是無電區(qū)的長度大于雙弓間距的長無電區(qū)分相方案,250 km/h技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的合寧、合武鐵路采用的是同時兼顧貨運(yùn)要求的6跨或7跨的短中性段電分相。

武廣鐵路客運(yùn)專線烏韶段接觸網(wǎng)電分相,在工程情況具備條件時,采用的是按無電區(qū)不小于最大雙弓距離的電分相關(guān)節(jié)的長無電區(qū)電分相(圖1),與京津城際和武廣接觸網(wǎng)系統(tǒng)負(fù)責(zé)外方的技術(shù)方案原則是一致的,極少數(shù)困難工點(diǎn)采用的是我國常規(guī)鐵路基礎(chǔ)上自主創(chuàng)新的、中性段不大于最大雙弓距離190 m的新型6跨電分相關(guān)節(jié)的短中性段電分相(圖2)。

短中性段電分相在動車組誤動(操)作帶電闖中性段時,會導(dǎo)致相間短路、拉弧塌網(wǎng)的運(yùn)行安全風(fēng)險,決定于動車組能否在分相區(qū)邊界外可靠分閘；長無電區(qū)電分相從接觸網(wǎng)的構(gòu)成本身避免了上述嚴(yán)重事故的發(fā)生,是最安全可靠的電分相結(jié)構(gòu)。其不足之處是當(dāng)非正常行車情況下,電分相對應(yīng)入口速度不滿足通過要求時,存在動車組停在無電區(qū)的風(fēng)險。但是接觸網(wǎng)電分相關(guān)節(jié)在分相兩端均設(shè)置了滿足雙向運(yùn)行的常開電動負(fù)荷開關(guān)與兩側(cè)接觸網(wǎng)相連,可以在此工況下,通過調(diào)度和遠(yuǎn)動控制,供動車組帶電駛出無電區(qū)。

圖1 多跨雙斷口長無電區(qū)電分相示意(單位：m)

圖2 6跨雙斷口短中性段電分相示意

根據(jù)鐵道部科技司的2009年度科研項(xiàng)目《客運(yùn)專線電分相設(shè)置與運(yùn)行時分關(guān)系的仿真評估》的初步研究結(jié)論,即使在20‰大坡道上的長無電區(qū)電分相,動車組以350 km/h過分相分閘區(qū)時,每個電分相引起的速度損失約16 km/h,但是對全線運(yùn)行時分的損失僅不到5 s,因此選擇長無電區(qū)電分相是高速鐵路安全運(yùn)輸?shù)目煽考夹g(shù)方案。

3 動車組過分相的列控分閘區(qū)的定義

動車組過分相的列控分閘區(qū)長度是在接觸網(wǎng)電分相無電區(qū)的基礎(chǔ)上,結(jié)合正常行車時車載控車要求進(jìn)行確定的,列控分閘區(qū)邊界列控數(shù)據(jù)應(yīng)滿足動車組和接觸網(wǎng)的安全運(yùn)行要求。

據(jù)動車組制造商提供的數(shù)據(jù),動車組車載設(shè)備根據(jù)列控數(shù)據(jù)的設(shè)置,如CRH2型動車組在過分相的列控分閘區(qū)進(jìn)口里程前3 s(CRH3根據(jù)前10 s預(yù)斷和保護(hù)控制實(shí)現(xiàn))啟動主斷路器的分閘操作,確保在受電弓進(jìn)入分閘區(qū)進(jìn)口前斷電；動車組出分相時,如CRH2型動車組是根據(jù)單雙弓的運(yùn)行方式,判斷最后一個受電弓出清分閘區(qū)出口列控里程時,繼續(xù)運(yùn)行130 m后主斷路器合閘,CRH3型動車組則是根據(jù)最后一個受電弓的帶電檢測保護(hù)回路啟動主斷路器合閘。

根據(jù)以上技術(shù)數(shù)據(jù),為了使我國高速鐵路動車組過分相安全可靠不產(chǎn)生燃弧等事故,列控設(shè)計需結(jié)合接觸網(wǎng)電分相結(jié)構(gòu)的不同,便于現(xiàn)場施工定測,動車組過分相的列控分閘區(qū)一般可以按以下原則進(jìn)行布置。

長無電區(qū)分相時,列控分閘區(qū)的入口里程和出口里程宜設(shè)置在接觸網(wǎng)電分相的入口中心柱和出口中心柱處,運(yùn)行雙弓間距在215 m以下時列控分閘區(qū)長度一般不小于420 m,滿足國際最大雙弓間距400 m時一般不小于600 m。

短中性段電分相,列控分閘區(qū)的入口里程和出口里程宜設(shè)置在接觸網(wǎng)電分相的入口下錨柱和出口下錨柱處,一般列控分閘區(qū)長度不大于290 m。

4 對動車組過分相的分閘區(qū)近邊界最低速度的行車組織管理要求

在正常運(yùn)營行車時,為確保列控運(yùn)行模式時動車組過分相不在分閘區(qū)停車,需行車組織對動車組過分相的入口最低速度提出操控規(guī)定。

根據(jù)動車組過分相分閘區(qū)長度和車載控車時間距離等的計算分析,動車組在部分監(jiān)控模式(設(shè)定限制速度)、或引導(dǎo)模式(小于40 km/h)、或目視行車模式(小于40 km/h)狀態(tài)下運(yùn)行時,即使采用短電分相配合的分閘區(qū)方案,也會在出站口或上坡道電分相處的分閘區(qū)內(nèi)出現(xiàn)停車現(xiàn)象。在這種工況下,需確定動車組停在電分相無電區(qū)后,由行車組織調(diào)度SCADA遠(yuǎn)動系統(tǒng),控制接觸網(wǎng)分相開關(guān)合閘,給停在電分相無電區(qū)的動車組供電。

5 結(jié)語

在設(shè)計中需根據(jù)電分相設(shè)置位置,由行車根據(jù)列控分閘區(qū)的技術(shù)參數(shù),逐一對全線電分相處的列控分閘區(qū)入口邊界速度進(jìn)行檢算,尤其是車站出口和較大坡道(16‰及以上)設(shè)置接觸網(wǎng)電分相時,將動車組過分相的列控分閘區(qū)情況和近邊界最低速度要求納入行規(guī),通過運(yùn)營行車組織管理,即通過管理和技術(shù)的綜合手段的組合適用實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)技術(shù)方案的最優(yōu)性能,是最佳解決途徑。

[1] 鐵道部.鐵路客運(yùn)專線技術(shù)管理辦法(200～250 km/h)(試行)[S].北京：2009.

[2] TB10009—98，鐵路電力牽引供電設(shè)計規(guī)范[S].

[3] 鐵運(yùn)[1999]102號，接觸網(wǎng)運(yùn)行檢修規(guī)程[S].

[4] DS997 01，德國鐵路規(guī)范[S].

[5] 日本.電氣設(shè)施設(shè)計施工標(biāo)準(zhǔn)[S].

[6] 法國.接觸網(wǎng)安裝形式SNCF[S].

[7] 鐵建設(shè)[2007]47號.新建300～350 km客運(yùn)專線設(shè)計暫行規(guī)定[S].