川藏鐵路長大坡道電分相緩坡設(shè)置方案研究

王曉棟

(1.軌道交通工程信息化國家重點實驗室(中鐵一院)；2.陜西省鐵道及地下交通工程重點實驗室(中鐵一院)，西安 710043)

1 概述

川藏鐵路地處高海拔、大高差、空氣稀薄的高原高寒地區(qū)，線路六起六伏，需要克服巨大高程障礙[1-3]，即使采用30‰的坡度，全線仍有長達(dá)300多km的路段位于緊坡地段，其中最長坡段長達(dá)80 km。電分相是用以保證電氣化鐵道供電系統(tǒng)不同相供電臂間的機(jī)械連接和電氣隔離的重要元件，在分相區(qū)內(nèi)，接觸網(wǎng)不帶電，列車需要惰行通過電分相。目前，我國主要采用C2/C3控車模式下自動過分相及磁鋼自動過電分相。

川藏鐵路擬運行動車組、普速客車和貨物列車[4]，電分相若設(shè)置在長大上坡，為保障列車可以惰行通過電分相，對列車過分相入口速度及加速距離有很高要求，而這又是難以實現(xiàn)的。因此，為確保3種列車安全通過電分相，需要結(jié)合不同列車自動過分相的特點，研究適合的電分相緩坡設(shè)置方案。

2 川藏鐵路擬采用的電分相

2.1 電分相結(jié)構(gòu)方案

電分相裝置是在兩段不同相位或不同電壓處，避免在受電弓通過時將兩個不同區(qū)段接觸網(wǎng)連通的裝置，接觸網(wǎng)專業(yè)通常根據(jù)供電方案，在變電所、分區(qū)所附近設(shè)置電分相。

2.2 電分相類型

接觸網(wǎng)電分相方式主要有器件式和帶中性段的空氣間隙絕緣的錨段關(guān)節(jié)形式。

2.2.1 器件式電分相

器件式電分相通過在接觸線上安裝3組分段絕緣器的方式，隔斷不同相位。器件式電分相有結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，機(jī)車不可取電的距離小等優(yōu)點。器件式分相沒有中性區(qū)段，斷合標(biāo)及電磁枕設(shè)置時，以無電區(qū)為基準(zhǔn)，因此機(jī)車通過時實際斷電長度短，有利于行車。但器件式分相裝置安裝時需截斷接觸線安裝分段絕緣器，接觸導(dǎo)線上會不可避免地出現(xiàn)接續(xù)點，產(chǎn)生硬點，機(jī)車高速通過時會出現(xiàn)打弓甚至導(dǎo)線燒蝕現(xiàn)象，因此不適合于高速線路，僅用于120 km/h及以下線路[5-7]。

2.2.2 錨段關(guān)節(jié)式電分相

錨段關(guān)節(jié)式電分相一般由2個絕緣錨段關(guān)節(jié)或經(jīng)改造的絕緣關(guān)節(jié)(八跨三斷口電分相)構(gòu)成，利用2個絕緣錨段關(guān)節(jié)間的無電區(qū)，對不同相位的電進(jìn)行分隔。目前常用的錨段關(guān)節(jié)式電分相有2種，中性區(qū)段小于雙弓最小間距的短分相、無電區(qū)滿足雙弓或多弓最大間距要求的長分相。較器件式電分相，錨段關(guān)節(jié)式電分相在利用轉(zhuǎn)換柱上導(dǎo)線間空氣間隙形成電氣隔斷，接觸線上無斷點，受電弓可高速通過，適用于運行速度大的線路。錨段關(guān)節(jié)式電分相以中性段為基準(zhǔn)設(shè)置斷合標(biāo)及電磁枕，機(jī)車不能取電的距離較長，在長大坡道、車站出站口、列車限速等工況下，對列車運行影響較大[8-9]。

2.3 川藏鐵路擬采用的電分相

川藏鐵路電分相方案擬采用帶中性段、空氣間隙絕緣的雙斷口錨段關(guān)節(jié)形式[10]。電分相處按TG/01—2014《鐵路技術(shù)管理規(guī)程》[11]、TB/T 3197—2018《車載控制自動過分相系統(tǒng)技術(shù)條件》[12]的規(guī)定設(shè)置標(biāo)識牌和地面磁感應(yīng)器，如圖1所示。

圖1 川藏鐵路電分相處電磁枕設(shè)置位置(單位：m)

2.4 自動控制過分相特點分析

自動控制過分相方式有自動斷電過分相和自動帶電過分相2種方式。自動帶電過分相方式目前采用較少，投資較大，存在問題較多，呼局之前部分線路采用，效果不好，未推廣；蘭渝線設(shè)計時有3處電分相處于大坡度上，按自動帶電過分相設(shè)計，投資1 000萬元/處，開通運行時未使用。現(xiàn)狀設(shè)計均采用自動斷電過分相方式。自動斷電過分相控制方式分為列控自動控制和車載自動控制。正常運行情況下，列車斷電過分相系統(tǒng)根據(jù)列車行駛速度、接觸網(wǎng)電分相位置、電分相中性區(qū)段長度、分相區(qū)長度，由車載控制設(shè)備采集過分相信息，及時控制列車主斷路器的分閘或合閘，實現(xiàn)自動控制列車斷電過分相。

3 川藏鐵路電分相設(shè)置原則

3.1 相關(guān)規(guī)范要求

3.1.1 電分相位置

非客運專線鐵路電分相設(shè)置滿足TB/T 10009—2016《鐵路電力牽引供電設(shè)計規(guī)范》相關(guān)規(guī)定，電分相位置應(yīng)滿足電力機(jī)車運行、調(diào)車作業(yè)方便，供電線經(jīng)路的合理及進(jìn)站信號機(jī)位置和顯示等要求[13]。當(dāng)電分相設(shè)置在坡道區(qū)段時，應(yīng)進(jìn)行行車檢算。錨段關(guān)節(jié)式電分相應(yīng)滿足運輸組織的需要。

3.1.2 斷合標(biāo)設(shè)置

非客運專線鐵路電分相處斷、合標(biāo)設(shè)置滿足《接觸網(wǎng)電分相標(biāo)識設(shè)置補(bǔ)充規(guī)定》(鐵總運[2015]145號)[11]，如圖2所示。

圖2 電分相處斷合標(biāo)設(shè)置示意(單位：m)

3.1.3 電磁枕設(shè)置

非重載鐵路電分相處電磁枕設(shè)置滿足TB/T 3197—2018《車載控制自動過分相系統(tǒng)技術(shù)條件》[12]，如圖3所示(其中，a=a0+5)。

圖3 電分相處電磁枕設(shè)置示意(單位：m)

3.1.4 相鄰坡段坡度代數(shù)差

根據(jù)TB 10098-2017《鐵路線路設(shè)計規(guī)范》，相鄰坡段的坡度差不宜大于表1規(guī)定的數(shù)值[14]。

表1 相鄰坡段最大坡度差

3.2 電分相緩坡設(shè)置原則

(1)電分相緩坡設(shè)置的最大坡度按從8‰，10‰，12‰三種典型坡度比選考慮。

(2)電分相設(shè)置的緩坡坡段與前后方相鄰坡段坡度代數(shù)差不超過15‰。

(3)本線過分相檢算貨車采用HXD2雙機(jī)牽引、普速客車采用HXD1D雙機(jī)牽引，計算斷電位置按磁枕1、取電位置按磁枕4。動車組采用CRH5型車、CRH380AL型車、CR400AF型車，當(dāng)動車組在磁枕控制模式下運行時，計算斷電位置按磁枕1、取電位置按磁枕4，電分相長度按750 m；當(dāng)動車組在ATP控車模式下運行時，電分相長度按1 000 m。

(4)不同種類列車過分相末速度按25 km/h[15-19]。

(5)區(qū)間閉塞分區(qū)最大長度按2 km，電分相后方區(qū)間信號機(jī)按200 m考慮[19-21]。

4 電分相緩坡設(shè)置方案研究

4.1 電分相緩坡設(shè)置方案

結(jié)合電分相緩坡設(shè)置原則，考慮緩坡坡長不小于電分相長度1 km，對緩坡坡長從1，1.5，2，2.5 km四種情況，緩坡坡度從8‰，10‰，12‰三種情況考慮。當(dāng)電分相緩坡設(shè)置為8‰，10‰，12‰時，相鄰坡段分別為長600 m的23‰，25‰，27‰坡道(按滿足1列車長度考慮)。

4.2 不同緩坡設(shè)置方案列車過分相檢算

通過模擬牽引計算，分析貨物列車、普速客車、動車組在不同緩坡設(shè)置方案上的出口速度，以及達(dá)到出口速度25 km/h的入口速度和加速距離。其中，貨物列車編組采用HXD2雙機(jī)牽引，車輛采用C62型，編組25輛，牽引總質(zhì)量2 014 t，列車總質(zhì)量2 415 t，列車總長373 m。普速客車采用HXD1D雙機(jī)牽引，車輛采用25型客車，編組18輛，牽引總質(zhì)量999 t，列車總質(zhì)量1 251 t，列車總長521 m。采用CRH5型動車組，16輛編組(10M6T)，列車總質(zhì)量1 000 t，總長423 m。采用CRH380AL型動車組，16輛編組(14M2T)，列車總質(zhì)量903t，總長403 m。采用CR400AF型車，16輛編組(8M8T)，列車總質(zhì)量940 t，總長417 m。

4.2.1 緩坡坡長為1 km(方案Ⅰ)

區(qū)間信號機(jī)暫按2 km布設(shè)，緩坡坡長恰好滿足電分相長度1 000 m，前架信號機(jī)位于緩坡前方800 m處，列車在該信號機(jī)處起車，后架信號機(jī)位于緩坡終點后方200 m。通過模擬牽引計算，得到緩坡坡度為8‰時不同類型列車通過電分相時的入口速度和出口速度，如表2所示。

表2 方案Ⅰ不同種類列車通過電分相入口及出口速度

由表2可見，動車組以ATP模式過分相最受控制，其次為貨物列車。不同種類動車相比，CRH380AL型動車更受控制。當(dāng)緩坡坡度為8‰時，所有列車均不能通過檢算。進(jìn)而，當(dāng)緩坡坡度為10‰及以上時，出口速度也均不滿足25 km/h的要求。因此，將緩坡坡長設(shè)為1 km不可行。

4.2.2 緩坡坡長為1.5 km(方案Ⅱ)

區(qū)間信號機(jī)暫按2 km布設(shè)，緩坡坡長大于電分相長度，前架信號機(jī)位于緩坡前方500 m處，列車在該信號機(jī)處起車，后架信號機(jī)位于緩坡終點。通過模擬牽引計算，得到當(dāng)緩坡坡度為8‰和10‰時，不同類型列車通過電分相時的入口速度和出口速度情況如表3所示。

表3 方案Ⅱ不同種類列車通過電分相入口及出口速度

由表3可見，當(dāng)緩坡坡度為8‰時，動車組以ATP模式過分相不滿足出口速度要求，CRH380AL以電磁枕模式過分相不滿足出口速度要求；當(dāng)緩坡坡度為10‰時，除CRH5以電磁枕模式過分相外，其余列車均不能通過檢算。進(jìn)而，當(dāng)緩坡坡度為12‰及以上時，出口速度也均不滿足25 km/h的要求。因此，將緩坡坡長設(shè)為1.5 km也不可行。

4.2.3 緩坡坡長為2 km(方案Ⅲ)

區(qū)間信號機(jī)按2 km布設(shè)，前架信號機(jī)位于緩坡與前方坡道變坡點處，列車在緩坡前方坡道起車，后架信號機(jī)位于緩坡終點。通過模擬牽引計算，得到不同類型列車通過電分相時的入口速度和出口速度情況如表4所示。

表4 方案Ⅲ不同種類列車通過電分相入口及出口速度

由表4可見，當(dāng)電分相緩坡設(shè)為8‰，10‰時，不同種類列車過分相的出口速度均滿足要求。當(dāng)緩坡設(shè)在12‰及以上坡道時，動車組按ATP模式過分相的出口速度不滿足要求。

4.2.4 緩坡坡長為2.5 km(方案Ⅳ)

區(qū)間信號機(jī)暫按2 km布設(shè)，前架信號機(jī)位于距緩坡起點500 m處，列車在該處起車，不同種類列車起車位置均處于緩坡坡段，后架信號機(jī)位于緩坡終點。通過模擬牽引計算，得到不同類型列車通過電分相時的入口速度和出口速度情況如表5所示。

表5 方案Ⅳ不同種類列車通過電分相入口及出口速度

由表5可見，當(dāng)電分相緩坡設(shè)為8‰，10‰時，不同種類列車過分相均滿足出口速度要求。當(dāng)緩坡設(shè)在12‰坡道時，CRH380AL以ATP模式過分相不滿足出口速度要求。

4.2.5 不同緩坡方案結(jié)果對比

比較不同緩坡長度及緩坡坡度的電分相緩坡設(shè)置方案下列車過分相的出入口速度結(jié)果，如表6所示。

由表6可見，當(dāng)電分相緩坡長度為1，1.5 km時，即使設(shè)在8‰的緩坡，也不能滿足列車過分相要求；當(dāng)電分相緩坡長度設(shè)為2 km、緩坡坡度設(shè)為8‰及10‰時，可以滿足不同種類列車過分相出口速度25 km/h要求；若延長電分相緩坡長度為2.5 km，不同類型列車均在緩坡坡段起車，僅緩坡坡度設(shè)為8‰及10‰時，可滿足列車過分相出口速度25 km/h要求，當(dāng)緩坡坡度為12‰時，CRH380AL型車以ATP模式過分相不能滿足出口速度要求。因此，為節(jié)省工程投資，推薦緩坡長度采用2 km。

表6 不同動車組對各種緩坡設(shè)置方案的適應(yīng)情況

4.2.6 出口速度按25 km/h控制的緩坡段長度

當(dāng)過分相出口速度按25 km/h控制時，通過各型列車在不同坡道上按電分相長度惰行，倒推出合適的入口速度，并根據(jù)入口速度倒推列車所需的牽引加速距離，從而推算得到列車過分相時需要的最短坡段長度，如表7所示。列車起車位置設(shè)定為緩坡與前方坡道的變坡點位置。

表7 出口速度按25 km/h控制時需要的最短緩坡段長度

由表7可知，最短坡段長度主要受CRH380AL型動車以ATP模式過分相控制。若不考慮后架信號機(jī)位于緩坡終點，結(jié)合各車型過電分相時對緩坡段長度的要求，不同坡度方案所需緩坡長度如表8所示。

由表8可知，隨著坡度的增加，列車過分相時需要的緩坡段長度增加，但在足坡地段一定線路長度范圍內(nèi)，坡度越大，所需緩坡段高程損失越大，對地形的適應(yīng)性越好。若不考慮后架信號機(jī)位于緩坡終點，當(dāng)緩坡設(shè)在12‰坡度以下時，所需緩坡坡長不超過2 km；若考慮后架信號機(jī)位于緩坡終點，當(dāng)緩坡設(shè)在10‰坡度以下時，所需緩坡坡長不超過2 km，與前述不同緩坡設(shè)置方案出入口速度分析結(jié)果一致。

表8 不同坡度方案所需緩坡長度

4.3 電分相緩坡設(shè)置對運輸質(zhì)量的影響

結(jié)合不同緩坡設(shè)置方案的列車過分相檢算結(jié)果，以克服2 100 m高差為例，通過對70 km長、30‰上坡段設(shè)置電分相緩坡，對設(shè)緩坡方案與不設(shè)緩坡方案的列車運行時分進(jìn)行對比分析。其中設(shè)置緩坡方案選取1 km/8‰方案、1.5 km/8‰方案、2 km/8‰方案、2 km/10‰方案、2.5 km/8‰方案、2.5 km/10‰方案、2.5 km/12‰方案。其中動車組初速設(shè)為200 km/h，普客初速設(shè)為160 km/h，普貨初速設(shè)為90 km/h。不同種類列車在不同緩坡設(shè)置方案的運行時分如表9所示。

表9 不同緩坡設(shè)置方案運行時分統(tǒng)計 min

由表9可知，不同緩坡設(shè)置方案在克服高差一定的情況下，不同種類列車運行時分相差較少。

4.4 電分相緩坡設(shè)置對工程情況的影響

結(jié)合川藏鐵路全線供電設(shè)置方案，電分相緩坡的設(shè)置主要對夏里車站高程以及夏里大橋橋高、橋長有較大的影響，造成夏里車站高程以及夏里大橋橋高、橋長均有不同程度增加，且電分相緩坡采用的坡度越大，對夏里車站高程以及夏里大橋橋高、橋長影響越小，影響最大的為8‰電分相緩坡，最大橋高增加33.2 m，最大橋長增加78 m。若需保證夏里車站高程以及夏里大橋橋高、橋長不變，需要調(diào)整夏里隧道的最大坡度24‰，則夏里隧道無法實現(xiàn)坡度軟化；若需實現(xiàn)夏里隧道軟化坡度24‰，則必須展線，對于8‰，10‰，12‰三種坡度的電分相緩坡，線路長度依次增加1 383,1 167,1 000 m。

對于緊坡地段設(shè)置電分相緩坡，高程損失還會造成隧道埋深增大，對應(yīng)的隧道埋深增大、斜井長度增大，但以上3種坡度方案的緩坡設(shè)置造成隧道埋深增大量不超過52.4 m。

綜上所述，電分相緩坡設(shè)置對緊坡地段的工程影響較大，但仍可通過線路方案局部優(yōu)化得以實現(xiàn)，且電分相緩坡采用的坡度值越大，對工程的影響程度越小，對工程就越有利。

5 結(jié)論

本文采用組合方案對比法，根據(jù)川藏鐵路擬采用的電分相設(shè)置方案，從緩坡坡長1，1.5，2，2.5 km以及緩坡坡度8‰，10‰，12‰對電分相緩坡設(shè)置方案進(jìn)行組合，通過模擬牽引計算分別對動車組、普速客車、貨物列車進(jìn)行過分相檢算。根據(jù)不同種類列車在不同緩坡設(shè)置方案的電分相出入口速度結(jié)果，采用反推法，按出口速度25 km/h反推得到不同坡度方案最短緩坡長度，得出電分相出口速度受CRH380AL動車組以ATP模式過分相控制。從減少工程規(guī)模、節(jié)約工程投資角度考慮，推薦川藏鐵路長大坡道電分相設(shè)置采用緩坡坡長≮2 km、緩坡坡度≯10‰方案。研究結(jié)論有力地支撐了川藏鐵路的建設(shè)實施，同時為其他長大坡道鐵路的勘察設(shè)計提供參考和借鑒。