動車組不分閘過電分相技術對比分析

楊 浩，韓正慶，崔建強

0 引言

為了減少牽引負荷給電力系統帶來的負序影響，國內電氣化鐵道牽引變電所采用輪換接線，分段換相的接線方式。無論是直供、AT供電或者BT供電方式，在變電所的出口處和分區所都無可避免地要設置電分相。從目前國內外的研究現狀來看，機車通過電分相的技術方案主要有3種：地面開關自動切換方案、柱上開關自動斷電方案、車載自動控制斷電方案[1～3]。

隨著國內高速鐵路的不斷發展，自動過電分相的技術也在日益成熟。國內的高速鐵路線路在通過電分相時主要采用車載自動控制斷電方案，京滬高速鐵路為了滿足時速 350 km的世界最高運營速度，采用了動車組不分閘過電分相技術。所謂動車組不分閘過電分相技術是指：在地面自動過電分相系統的配合下，動車組不分開車上主斷路器，帶負荷通過電分相的運行技術[4]。

動車組不分閘自動過電分相系統主要由中性段、機車位置檢測裝置、切換控制裝置和切換斷路器4個部分組成。當動車組進入電分相的中性段之前，由機車位置檢測裝置發出機車位置信號，切換控制裝置收到位置信號后控制相應的切換斷路器合分。考慮到切換斷路器在切換過程中可能出現的拒動和誤動，還有開關檢修，因而采取了不同的開關設置方案。本文就3種常見的電分相處的接線方案進行對比分析，并給出選取建議。

1 自動過電分相的工作原理

地面開關自動切換過電分相是當機車經過電分相時，通過預埋在地上的傳感器 CG1—CG4檢測機車的位置信號，并控制其相應的真空斷路器的分合，實現電分相兩端供電臂對電力機車輪換供電，其結構與原理如圖1所示。當沒有電力機車經過時，QF1處于合位，QF2分位。當機車經過CG1時，中性段由α相供電；當機車行駛到CG2尚未到達CG3時，傳感器CG2控制QF1分位，QF2合位，此時中性段改由β相供電；當機車駛離CG4時，傳感器CG4控制QF1合位，QF2分位，真空斷路器QF1和QF2恢復到沒有機車經過時的狀態。機車反向行駛時的過程與上述過程類似。

圖1 地面開關自動切換方案示意圖

2 機車位置檢測方案

由上述原理可知，動車組在通過電分相時，需要對動車組位置給出準確的判斷，進而由切換控制裝置向切換開關發出動作命令。然而考慮到不同的路況，比如橋梁、隧道、坡道或者駝峰場等，又有客運專線，貨運專線，高速鐵路專線線路的不同，并結合國內不同地區的氣候環境和地理特點，因而在對機車位置檢測時采取了不同的方案。

2.1 軌道電路檢測方案

軌道電路檢測方案工作原理：軌道電路以2條鋼軌為導線，通過設置絕緣節使得信號電流只能在一定長度內流通，在該段長度內一端接上軌道電源，一端接上軌道繼電器，形成一個軌道檢測回路，傳遞列車對軌道的占用信息[5，6]。

軌道電路檢測機車位置的方案主要應用于客運專線，ZPW-2000A移頻軌道電路信息量大，具有濾波特性，不易受環境影響，被廣泛應用于國內新型高速鐵路。該方案與軌道關聯密切，對軌道周圍的環境敏感度不高，技術成熟，因而適用于新型客運專線和高速鐵路專線。

2.2 計軸設備檢測方案

計軸設備由電源、雙磁頭傳感器、采集板、計軸板繼電器輸出單元和計軸器復位單元組成。其工作原理：在鋼軌兩側安裝計軸設備，檢測列車通過線路上某一計軸點的車軸數，通過計算2個計軸點的輪軸數，判斷軌道區段的占用情況[7，8]。

計軸設備安裝簡單，軌道區段長度不受設備本身限制，脫離了鋼軌媒介，不受鋼軌表面清潔度影響，沒有軌道電路存在的“死區段”。但該設備易受金屬物干擾，且工程造價相對較高。計軸設備檢測技術較為成熟，在國內外已有很多成功的應用先例，因而可以廣泛用于客運專線和高速鐵路。

2.3 其他檢測方案

除了上述2種常用的機車位置檢測方案外，目前國內外應用的檢測方案還有雷達系統位置檢測、紅外線系統位置檢測、光幕設備位置檢測以及射頻接觸卡位置檢測。

其中雷達系統位置檢測主要用于駝峰場測速，紅外線系統位置檢測主要用于貨車低速檢測，射頻接觸卡位置檢測主要用于部分貨運列車。但是目前上述技術尚不成熟，有待進一步研究與改進，結合國內各地區地理特點和環境因素可以參考使用。

3 切換開關的電氣主接線

3.1 第1種接線方案

第1種切換開關電氣主接線方案如圖2所示，它的主要設備包括：2套切換監控裝置（執行過電分相程序）；4臺單極斷路器（CB11、CB12、CB21、CB22，執行切換）；6臺單極斷路器（CB1—CB6，切換故障時強斷）；保護裝置（配以電流速斷保護）；計軸裝置（檢測動車組位置）；CR裝置（限制過電壓）；6臺避雷器（限制雷電）；2 km高壓電纜；附件、箱體。

（1）可以采用圓弧邊分析法。所謂3點決定一個圓，1994年7月的325點、2005年6月的998點及2013年6月的1849點可作一圓弧邊，大致上支撐了2018年10月的2449點。但如今又再度接近此圓弧線，恐怕跌破的機會大一些。

圖2 第1種切換開關電氣主接線方案示意圖

第1種方案的投資約為500萬，其特點是地面冗余配置，兩側供電臂不用停電。

下面就不同工況下，各種開關的分合狀況進行討論：

（1）工況 1，正常運營情況下，動車組正向運行。動車組進入電分相之前，CB1、CB2、CB3和CB11處于合位狀態，其余開關處于分位狀態，此時，中性線由左邊供電臂α相供電，動車組進入中性線后，由切換監控裝置控制CB11分閘，經過300 ms的延時控制CB21合閘，此時中性線由右邊供電臂β相供電。動車組通過電分相后，所有開關恢復到動車組進電分相之前的狀態。

（2）工況2，動車組進入中性區，CB11拒分。此時單極斷路器CB1—CB3強斷，合CB4—CB6，再合上CB22。

（3）工況3，動車組進入中性區，CB11拒分，CB22拒合，此時單極斷路器CB1—CB6全部強斷。

（4）工況4，動車組進入中性區，CB11分閘后，CB21拒合。此時單極斷路器CB1—CB3強斷，合CB4—CB6，再合上CB22。

（5）工況5，裝置檢修狀態。單極斷路器CB1—CB6全部強斷，僅CB11合閘。

（6）工況 6，機車進入中性段后停車。單極斷路器CB1—CB6全部強斷，僅CB11合閘，合上右邊的隔離開關 GK2，使滯留在中性線的機車受電駛離中性線。

3.2 第2種接線方案

圖3 第2種切換開關電氣主接線方案示意圖

第2種方案的投資約為450萬，特點是地面開關切換過電分相技術與車載自動斷電過電分相技術相配合，當地面開關發生雙重切換故障時，啟動車載自動斷電過電分相，兩側供電臂不用停電，避免了機車帶電闖電分相。

不同工況下，各種開關的分合狀況如下：

（1）工況 1，正常運營情況下，動車組正向運行。動車組進入電分相之前，CB1、CB2、CB3和CB11處于合位，其余開關處于分位狀態，此時，中性線由左邊供電臂α相供電，動車組進入中性線后，由切換監控裝置控制CB11分閘，經過300 ms的延時控制CB21合閘，此時中性線由右邊供電臂β相供電。動車組通過電分相后，所有開關恢復到動車組進入電分相之前的狀態。

（2）工況2，動車組進入中性區，CB11拒分。此時單極斷路器CB1強斷，再合上CB21，使中性線由右邊供電臂β相供電。

（3）工況3，動車組進入中性區，CB1、CB11拒分。此時，單極斷路器 CB2強斷，其余開關不動作。

（4）工況4，動車組進入中性區，CB11分閘后，CB21拒合。此時，單極斷路器CB22合閘。

（5）工況5，裝置檢修狀態。單極斷路器CB1—CB3全部強斷，僅CB11合閘。

（6）工況 6，機車進入中性段后停車。單極斷路器全部強斷。合上右邊的隔離開關 GK2，使滯留在中性線的機車受電駛離中性線。

3.3 第3種接線方案

第3種切換開關電氣主接線方案如圖4所示，它的主要設備包括：2套切換監控裝置；4臺單極斷路器（CB11、CB12、CB21、CB22）；1 套連接柜（聯跳臨所）；2臺三極手動隔離開關（G1、G2）；保護裝置；軌道電路（檢測動車組位置）；CR裝置；6臺避雷器（限制雷電）；2 km高壓電纜；附件、箱體。

圖4 第3種切換開關電氣主接線方案示意圖

第3種方案的投資約為500萬，特點是地面冗余配置，切換故障則自動使兩側供電臂短時失電，并切換到備用機。

不同工況下，各種開關的分合狀況如下：

（1）工況 1，正常運營情況下，動車組正向運行。動車組進入電分相之前，三極手動隔離開關G1處于合位，CB11合位，其余開關處于分位狀態，此時，中性線由左邊供電臂α相供電。動車組進入中性線后，由切換監控裝置控制CB11分閘，經過300 ms的延時控制CB21合閘，此時，中性線由右邊供電臂β相供電。動車組通過電分相后，所有開關恢復到動車組進電分相之前的狀態。

（2）工況2，動車組進入中性區，CB11拒分。此時，三極手動隔離開關 G1分，合 G2，再合上CB22，使中性線由右邊供電臂β相供電。

（3）工況3，動車組進入中性區，CB11拒分，CB22拒合。此時，G1分，G2分。

（4）工況4，動車組進入中性區，CB11分閘后，CB21拒合。此時三極手動隔離開關G1分，合上G2，再合上CB22，使中性線由右邊供電臂β相供電。

（5）工況 5，裝置檢修狀態。三極手動隔離開關G1、G2處于分位狀態。僅CB11合閘。

（6）工況 6，機車進入中性段后停車。三極手動隔離開關G1、G2處于分位狀態。合上右邊的隔離開關 GK2，使滯留在中性線的機車受電駛離中性線。

上述3種主接線方案對比分析見表1所示。

表1 切換開關電氣主接線3種方案對比分析表

4 分析結論

動車組不分閘過電分相技術中，對機車位置進行檢測時，計軸設備脫離了鋼軌媒介，對環境的敏感度不高，抗干擾能力強，技術也比較成熟，因而推薦在高速鐵路中采用計軸設備檢測動車組位置。

對于切換開關的電氣主接線，第1種方案的優點是通過配備6個單極斷路器實現常用—備用，設備的有效利用率高，可維護性強。缺點是采用單極斷路器切換常用—備用，切換時間會成為切換故障時的問題。第2種方案優點是可靠性高，當地面開關切換出現雙重切換故障時，轉為動車組斷電過電分相，避免了動車組帶電闖電分相。缺點是雙重切換故障或整體檢修時需要車載應答器斷開動車組主斷路器。第3種方案優點是依靠準確的故障檢出和停電處理實現極少的越區事故。缺點是和兩相鄰的牽引變電所的關聯密切，是大規模的系統。從工程造價來看，第2種方案要較為便宜，所需的開關數量相對較少，但是動車組檢測裝置需要配備1套動車組應答器。

正常運行時，3種方案下動車組都會有300 ms的短時失電，故障時 3種方案的停電時間略有不同。第1種方案和第2種方案對牽引供電系統的影響可以不予考慮，但第2種方案需要與車輛協調配合，第3種方案發生故障時需要將兩側相鄰的變電所停電。綜合各方面來看，結合國內高速鐵路的實際情況，以及第1種方案在國內成功應用經驗，故推薦切換開關的電氣主接線采用第1種方案。

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