直流電力機車過分相降速問題的分析與研究

蔣斌鵬

【摘 要】目前，我國電力機車按電傳動方式分為：直流電力機車和交流電力機車兩大類。本文以直流電力機車為研究對象，具體分析了機車過分相過程機車速度下降的原因，并結合機車特性及鐵路運輸實際，開發了新的風速繼電器控制裝置，解決了電力機車過分相區時降速大的弊端。同時，機車風速繼電器控制裝置具備對故障位風速繼電器的提示、報警功能，有效簡化了機車乘務員的應急處置流程，提升了鐵路運輸效率。

【關鍵詞】電力機車；分相區；降速；風速繼電器；控制裝置

0 概述

當前，國家電網為電氣化鐵路供給三相高壓交流電，為保證電網電力系統三相負荷保持平衡，電氣化鐵路的接觸網采用分段換相供電。為防止相間短路，各相間用絕緣物體進行分隔，分隔區稱為電分相區。所以，電氣化鐵路接觸網的供電制是不連續的，一般每隔20-25公里就設有一個30m左右的分相區（為無電區），也叫換相區。

電氣化鐵路采用分段換相供電，主要目的是保證三相負荷盡可能保持動態平衡和提高電網的利用率。基本機理為：鐵路變電所輸出三相工頻交流電，而路內機車采用25KV單相工頻交流電，如果供電接觸網不采取換相制，機車會一直使用某一相電受流，最終會出現三相負荷不平衡的不利局面。當三相負荷不平衡的情況加劇時，發電機組會產生負序分量，對整個電力系統運行很不利，嚴重時會導致不對稱過負荷保護動作，最終導致供電中斷而影響機車受流。基于上述原因，電氣化鐵路經過設定的一段接觸網后就需換相。即：一段網用A相電，一段網用B相電，再過一段網就用C相電，不同區間有不同的列車在運行，基本保證了電力系統三相負荷平衡的問題，為機車安全、可靠運行提供了穩定的電源。

分相區主要起到兩個作用。其一、將接觸網上不同相位電能進行物理絕緣隔離，防止發生相間短路故障；其二，將網上相鄰的兩相電進行機械連接，使接觸網成為一個整體，便于機車受電弓安全滑行通過無電區，其長度必須大于18m，這一規定主要考慮到電力機車雙弓升起時不至于短接不同相位的接觸網。

電力機車過分相區時，必須對牽引電機進行減流卸載，若未卸載而帶有大的負載通過后，受電弓會因拉弧大而燒損，機車內電器也會因“帶電→停電→帶電”的突變過程造成沖擊，嚴重時可能造成供電部門變壓器因過電壓而絕緣擊穿，這叫“電力機車帶電闖分相事故”。所以當電力機車過分相前，機車乘務員須將主手柄回零，此時牽引電機無功率輸出，主斷路器自動斷開（由車載自動過分相裝置自動控制完成），各輔機停止運轉，機車靠惰轉慣性越過無電分相區。當機車安全越過分相區后，主斷路器自動閉合，乘務員等待10秒后方可重新加載提速，也就是各風機順序延時3秒啟動完畢（共約10秒），機車牽引回路條件構成。

根據電力機車過分相過程可知，機車的降速分為兩個階段，第一段是30m左右的分相區惰轉導致的機車降速，第二段為機車過完分相后乘務員須等待約10秒才能提手柄加載過程中的降速。很明顯，第一段機車降速是客觀存在且很難解決的，因此我們應著重研究第二段機車降速問題并提出可行方案，以提高鐵路運輸效率。

以SS8型電力機車為例，當機車過完分相后，主斷路器自動合上，劈相機啟動完畢，各輔機延時3秒順序啟動，即：通風機I→通風機II→硅風機的啟動順序。其LCU邏輯延時啟動關系，如下圖示：

從圖1知，“劈相機投入（TEMP490）”經“T13”（延時3S）到“輔機準備（TEMP507）”，最后到“風機準備（TEMP999）”，完成了第一個3S的延時過程，為通風機的啟動做準備）。

從圖2知，498（110V正線）經“風機準備（TEMP999）”到“15QS”、“27QS”，最后使通風機I接觸器18KM得電吸合，完成了通風機1的啟動。

從圖3知，498（110V正線）經“風機準備（TEMP999）”到“T14（延時3S）”、“28QS”，最后使通風機II接觸器19KM得電吸合，完成了通風機II的啟動，通風機II的啟動為第二個3S延時過程。

從圖4知，498（110V正線）經“風機準備（TEMP999）”到“T14”、“T15（延時3S）”、“18KM”、“29QS”，最后使硅風機接觸器22KM得電吸合，完成了硅風機的啟動，硅風機的啟動為第三個3S延時過程。

當各風道內風壓達到294pa±10%Pa時，7、9、11、13、14KF風速繼電器觸指導通使牽引工況條件構成，此時提手柄加載機車才能正常給流。如果途經分相區的數量多，則累積耗費在風機延時啟動上的時間就很長。以廣州→長沙為例，分相區有35個之多，每次過分相后，機車速度均下降明顯，嚴重影響鐵路運輸效率。特別地，當列車晚點需趕點時，更加凸顯了機車風機啟動控制存在的弊端，對乘務員途中操縱、心理素質等提出了嚴峻的考驗和挑戰！為了解決上述實際問題，設計一機車風速繼電器控制裝置，解決機車過完分相后不能立即加載提速致降速的問題。同時，具備運行途中對故障位風速繼電器的提示、報警功能。

1 風速繼電器控制裝置的工作原理

風速繼電器控制裝置基本工作原理為：當機車越過分相區后，主斷自動閉合，隨即劈相機接觸器得電動作，劈相機啟動完畢。此時，風速繼電器控制裝置采集到劈相機接觸器常開觸指的閉合信號，立即自動控制使機車牽引加載提速電路構成，乘務員便可提手柄加速。當延時12秒后（延時時間可根據機車實際風機啟動時間進行設置），斷開裝置控制，交由機車風速繼電器控制牽引回路。在機車運行途中，裝置能實時對風速繼電器的狀態進行檢測，當某個風速繼電器出現故障時，能提示故障位置，并發出聲光報警以提示乘務員應急處置。其外觀如圖5示。

風速繼電器控制裝置具備以下功能：

（1）時效檢測能力：機車運行中，裝置實時對劈相機工作狀態進行檢測（取劈相機15KM接觸器的常開觸指信號），判斷機車是否過完分相區。

（2）實時反映功能：主機面板上設計有指示燈，可實時反映主機工作狀態、劈相機狀態、繼電器狀態等。

（3）固態繼電器無觸點輸出控制設計，確保裝置工作穩定性。

（4）采用光耦隔離變壓器互感結構設計，確保裝置控制輸出與信號采集不受干擾，使裝置可靠工作。

（5）針對不同型號電力機車輔機延時啟動時間的不同，可在主機上進行延時時間的設置。

（6）故障快速報警功能：故障報警提示功能由兩部分組成，一是在裝置上通過每個風速繼電器狀態指示燈進行顯示；二是某個風速繼電器故障，均會通過安裝在司機室的報警器進行報警，提示乘務員及時應急處置。

3 風速繼電器控制在SS8機車上的應用

以SS8電力機車為應用研究對象，當機車通過分相區后，風速繼電器控制裝置檢測到劈相機工作后，立即控制KF1開關閉合使7、9、11、13、14KF風速繼電器的觸指短接，確保牽引加載提速電路構成。延時12秒后，待各個風機啟動完畢，控制裝置斷開KF1開關，交由閉合的風速繼電器觸指（7、9、11、13、14KF）控制機車是否卸載。繼電器7、9KF分別安裝在第一、二通風機風道處，11、13、14KF安裝在主整流柜的三個硅風機處。第一、二通風機主要為I、II架牽引電機進行冷卻，三個硅風機主要為主整流柜的硅元件進行冷卻。機車的牽引加載提速回路主要由7-14KF風速繼電器（整定值為294pa±10%Pa）的開閉來控制，以確保牽引電機和主硅柜硅元件的通風冷卻。的確，風速繼電器控制裝置投入運用后，存在各風機未啟動完畢，通風效果未建立好機車強行加載的情況。但電力機車在實際運行中，10秒鐘左右無風冷且提手柄加載下不會對機車電器設備有任何影響，因此設計方案可行！

另外，在機車運行中裝置實時對風速繼電器的閉合觸指狀態進行檢測，當發生虛接開路故障時具備提示和報警功能，以警醒乘務員及時應急處置，確保機車完成牽引任務。SS8機車風速繼電器控制裝置原理、布線及主機電路，如圖7、8、9所示。

風速繼電器控制主機的運行模式為：

（1）劈相機信號：劈相機信號接入系統后先 經由二極管和穩壓管，然后限流輸入到光耦隔離器件，降壓后由單片機檢測。當有劈相機信號時單片機檢測到，同時控制劈相機信號燈亮，無劈相機信號時單片機無法檢測到信號。

（2）檢測到劈相機信號后，單片機通過控制固態繼電器來短接開關KF1，KF1后端接有二極管。12秒后單片機控制固態繼電器輸出端，讓KF1斷開，隨即進入7KF、9KF、11KF、13KF、14KF風速繼電器觸指開斷狀態的檢測。

（3）風速繼電器觸電一端信號，通過二極管、穩壓管、電阻等器件將采集的電壓值與對應的參考電壓比較，比較器輸出結果決定光耦器件的導通或截止從而來判斷該繼電器觸電的開關動作，另一端分別接到各個對應變壓器輸出端的地。

（4）每個繼電器觸電都是通過變壓器進行單獨隔離，確保了系統工作穩定、可靠！

4 結束語

本文就直流電力機車過分相時降速情況進行了深入探討，找出了問題癥結所在。根據電力機車實際運用特性，研制了新的風速繼電器控制裝置，并在SS8型電力機車上運用考核。考核期間，該裝置工作正常，解決了電力機車過分相后降速明顯的問題。同時，對故障風速繼電器有提示報警功能，簡化了乘務員故障應急處置工作。

目前，直流電力機車牽引回路均采用風速繼電器開、斷來控制，因此其他路局機務段存在同樣的問題困擾。新設計的風速繼電器控制器具有通用性，在直流電力機車上均可適用，有效解決了過分相區時機車降速明顯的現狀，提升了鐵路運輸效率，保證了機車質量安全和正點率。

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[責任編輯：朱麗娜]