一種動車組自動過分相系統改進設計

楊明濤

摘要：動車組開環控制自動過分相方法存在掉入分相區和帶負載過分相的隱患，本文通過闡述自動過分相的必要性，在分析過分相失敗的原因及危害的基礎上，提出閉環控制過分相邏輯，并優化部分參數改進了自動過分相控制過程。目的是減小過分相失敗的概率，降低對鐵路運營秩序的影響。

關鍵詞：動車組;過分相控制;磁鋼過分相

0? 引言

動車組供電采用單相工頻交流供電制式，為避免國家電網三相電源系統出現三相供電不平衡，造成電網供電質量下降，鐵路供電采用分區段分相供電，以平衡三相負荷。不同供電區間之間設置一段無電緩沖區即分相區，車輛經過分相區時需先將供電的高壓主斷路器斷開切斷負載電流，防止供電區末端接觸網成為高壓斷路器而產生拉弧燒損。

電氣化鐵路一般每20km設置一個分相區，車載自動過分相功能能夠保證動車組在進入分相區前主斷路器自動斷開，離開分相區后主斷路器自動閉合，實現無負載通過分相區[1]。動車組現行自動過分相功能采用開環控制，各功能模塊相互獨立，當動車組運營過程中因意外掉入分相區或帶負載經過分相將對鐵路運營秩序造成影響，存在安全隱患。

1? 自動過分相方式

自動過分相分為地面自動過分相和車載自動過分相兩種。

1.1 地面自動過分相

地面設備自動控制分相區接觸網的通斷電狀態，車輛本身不需進行相應動作即可通過分相區。地面過分相設備控制過程如圖1所示，由于地面過分相設備必須設置在分相區附近[2-3]，存在電氣化鐵路分相區分布較分散，部分位置較偏僻，運輸維修設備不便缺點，使得地面過分相設備運用產生了一定的局限性。

1.2 車載自動過分相

車輛通過自動控制車載主斷路器斷開通過分相區，地面及接觸網不需元器件發生動作，車載自動過分相方式主要包括：GFX磁鋼過分相[4]、ATP過分相[5]。

1.2.1 GFX磁鋼過分相邏輯

用于GFX過分相控制的自動過分相裝置采集到在車輛運行方向軌道側磁鋼信號的“預告”、“強迫”信號實現自動過分相，但無法判斷當前“預告”或者“強迫”信號是用于控制進分相還是控制出分相。因此需要自動過分相裝置特殊設置以及車輛邏輯的配合實現自動過分相。車輛GFX過分相邏輯如下：

①車輛首次接收自動過分相裝置發來的“磁鋼預告”信號，執行預告進分相動作：封鎖牽引并延時斷開主斷路器。

②車輛接收到自動過分相裝置發來的“磁鋼強迫”信號，執行強迫進分相動作：立即斷開主斷路器。

③車輛再次接收到自動過分相裝置發來的“磁鋼預告”信號，執行出分相動作：行駛一定距離（磁鋼接收器位置與受電弓的間距）后解除牽引封鎖并閉合主斷路器，結束過分相，過分相流程如圖2。

磁鋼過分相的優勢在于地面設施簡單，維護成本低，車輛未安裝ATP或ATP功能受限時也可進行自動過分相，但磁鋼過分相存在信號抗干擾能力差、信號指示不明確缺點，磁鋼過分相的“預告”信號既被用來控制進分相，又被用來控制出分相，缺少校錯能力，易造成信號的誤解讀，造成二次過分相或帶負載進分相異常。

1.2.2 過分相失敗的危害

高速鐵路的分相區中，中性接觸線（無電）向兩端的供電臂方向延伸，延伸部分與原供電臂接觸線平行等高，絕緣距離為450毫米左右，用于受電弓碳滑板的平穩過渡，受電弓碳滑板在如圖3中的A點處脫離供電臂1接觸線，過渡到中性接觸網線，在B點處由中性接觸網線過渡到供電臂2接觸線。

動車組若自動過分相失敗帶負載進入分相區，供電臂1接觸線將于A點附近產生持續電弧如圖4所示，A點處供電臂1與中性線等電位;當車輛前行21米，碳滑板在B點與供電臂2接觸線相碰如圖5，供電臂2與無電區中性接觸線短接，中性接觸線與供電臂2同電位。若此時A點電弧尚未完全熄滅或空氣處于電離狀態，A點中性段與供電臂1之間450毫米空氣間隙將被完全擊穿，從而形成“供電臂1—中性接觸線—供電臂2”相間短路，造成接觸線燒損，供電臂1、2跳閘。

2? 磁鋼過分相失敗的原因

過分相失敗原因主要可以分為：速度低導致的二次過分相或過分相信號識別錯誤導致的帶載過分相。

2.1 低速經過分相區導致二次過分相

在車輛低速GFX過分相時，因G2-G3或G3-G4區段運行時間過長，造成自動過分相裝置在采集到G4后會將G4信號誤識別為G2，輸出“磁鋼強迫”指令時給車輛，車輛再次將主斷路器，造成二次過分相。（圖6）

2.2 過分相信號識別錯誤導致的帶載過分相

GFX過分相在進分相前受地面干擾采集到錯誤的“預告”信號會被識別成G1，發送給車輛“磁鋼預告”后車輛執行進分相動作，車輛繼續前行，自動過分相裝置采集到真正G1后會被識別成G3，再次給車輛發送“磁鋼預告”后，使車輛在本應該執行進分相動作的位置卻執行出分相動作。車輛在進入無電區前主斷路器閉合，產生帶載過分相。

3? 車輛GFX過分相邏輯優化

針對帶載過分相情況，車輛GFX過分相邏輯中可引入網壓及累積行駛距離兩個參數，從而避免過分相信號判斷錯誤的問題，相應優化如下：

①網絡處于分相區狀態時引入主斷狀態信號，當主斷路器實際狀態與控制目標狀態不一致時，自動發送主斷路器斷開信號。

②處于“GFX分相區間”的車輛只有在檢測到網壓從無到有后，才執行接收到“GFX預告過分相”信號。

③開始執行出分相累積行駛邏輯時，檢測到無網壓時立即將累積距離清零，終止出分相邏輯。檢測到網壓且滿足累積行駛距離參數時執行出分相，出分相累積一定距離內屏蔽過分相信號，過分相流程如圖7。

過分相模式在新增網壓及累計運行距離參數進行綜合判斷，可有效避免過分相信號識別錯誤導致的帶負載進分相，且網絡處于分相區狀態時引入主斷狀態信號，當主斷路器自動控制回路電氣元件失效，導致主斷路器實際狀態與控制目標狀態不一致時，自動發送主斷路器斷開信號，完成主斷路器閉環控制，代替司機人為操作，避免因人為誤操作導致的次生問題。

4? 結束語

本文在分析現行GFX磁鋼過分相邏輯缺陷的基礎上，提供了一種動車組自動過分相的優化方法及閉環控制思路，可避免GFX過分相時信號干擾導致的帶負載過分相。使用閉環控制主斷路器邏輯代替原開環控制邏輯，將人為操作控制優化為系統自動控制，避免人為誤操作。

參考文獻：

[1]郭育華，連級三，張昆侖.自動過分相對電力機車的影響[J].機車電傳動，2000（02）：15-17.

[2]孫鵬程，王幫田，王其中.一種新型地面自動過分相系統研究[J].鐵道機車車輛，2012（06）：111-115.

[3]溫建民，王幫田，方志國.高速鐵路地面自動過分相系統的研究與運用[J].鐵道標準設計，2011（4）：104-108.

[4]于海波，王波，張曉坤.動車組GFX-3A自動過分相試驗模擬裝置研究及應用[C]//第十二屆中國智能交通年會大會論文集.2017.

[5]田洪全.高鐵信號ATP設備自動過分相的優勢[J].鐵道通信信號，2015，51（7）：13-14.