神朔鐵路地面自動過分相系統中性區設計優化

呂順凱

0 引言

神朔鐵路西起大柳塔站，東至朔州西站，與神延鐵路接軌，和北同蒲鐵路、朔黃鐵路、包神鐵路貫通，電氣化復線全長266 km，是我國繼大秦鐵路之后第二條西煤東運大通道，主要承擔國家能源集團所屬神府、東勝煤田煤炭及部分地方煤炭外運任務，2012—2019 年，連續8 年突破2 億噸運輸大關。

地面自動過分相系統于2006 年起在神朔鐵路試點運行，2012 年完成適用萬噸重載列車的技術改造，滿足了神朔鐵路高坡、重載線路運能持續增長的需求。地面自動過分相技術的運用最大限度地發揮了電力機車的牽引力控制，充分保持了列車通過電分相時的運行速度，縮短了過分相的運行時間（每列車通過自動過分相區間用時平均壓縮3～4 min），顯著提高了神朔鐵路的運輸能力[1]。

現場長期應用經驗表明，地面自動過分相系統有效解決了重載列車斷電通過長大坡道分相導致的降速、坡停等問題，消除了司乘人員手動控制過分相時由于操作不當引起的拉弧甚至燒毀接觸網的安全隱患，而且錨段關節式分相的應用避免了器件式分相對電力機車受電弓的硬點沖擊，“人-機-網”綜合經濟效益顯著。但同時，隨著現場投運數量的增加及線路運量的加大，設備故障頻率也同步增加[2]。現有中性區按照萬噸重載運煤專列“同收同放”極限需求設計[3]，長度超過1.2 km，當地面自動過分相系統出現故障時，列車無法滑行通過，線路暫時中斷，越區送電操作復雜費時，嚴重影響運能；而且導致地面自動過分相系統長時間帶重負荷工作，不利于今后小型化和簡統化的發展，急需優化設計改造。

1 地面自動過分相系統原理及其構成

地面自動過分相系統的工作原理較簡單，即依據列車位置檢測信號，按照預定控制邏輯進行開關切換，使得通常狀態下不帶電的中性區在不同時段交替帶電，實現列車無感知平穩通過，但由于其串聯于牽引供電網絡，對可用性、可靠性、可維護性及安全性要求極高，涵蓋供電、接觸網、信號及控制等多個專業，屬于交叉學科復雜工程。

圖1 為地面自動過分相系統構成示意圖。圖中的PT1～PT3 分別為A 臂、B 臂、中性區的電壓互感器；CT1～CT3 分別為A 臂、B 臂、中性區的電流互感器；PS1～PS4 分別駛入中性區前、中性區內切換以及駛出中性區的列車位置檢測傳感器，通常采用功能豐富、安全性好的計軸裝置，正向行車采用PS1、PS3 和PS4，反向行車采用PS4、PS2和PS1；K1～K2 為執行單元，早期普遍采用選相斷路器，目前已示范應用可靠性更高、毫秒級切換且可以精確選相的高壓電力電子開關；JY1～JY2為空氣絕緣錨段關節，滿足機車受電弓在各區間平穩過渡和連續受流，兩者之間即為中性區。

圖1 地面過分相系統構成

按照功能單元劃分，地面自動過分相系統主要包括位置檢測單元、邏輯控制單元、安全保護單元、執行單元、接觸網中性區等，各單元間的關聯關系見圖2。

圖2 地面過分相單元關聯關系

2 地面自動過分相中性區設計原則

中性區是地面自動過分相系統的重要組成部分，機車需要在中性區完成電壓和（或）相位不同的高壓電源切換，設置是否合理將直接影響過分相時的行車及供電系統安全。

中性區設計時需考慮多方面因素，主要包括列車的相關信息，如列車的編組方式、長度、車速等，過分相系統自身的一些技術參數，如位置檢測時間、程序運行周期、預定切換時間、開關分合時間和故障情況下保護動作所需時間，以及地面自動過分相系統對于復雜編組列車的邏輯控制策略等。

地面過分相系統中性區設計目前尚無統一的規范性文件，參考接觸網錨段關節式電分相設計相關規定[4]，同時結合地面自動過分相的工作原理及系統構成，編制無電區長度需求計算式如下：

式中：L0為地面自動過分相系統進行電源切換前中性區內第一臺機車的第一個前軸至最后一臺機車的受電弓之間的距離，m；V為線路允許的最高運行速度或該電分相處線路限制的運行速度，m/s；T為地面自動過分相系統的位置檢測時間、程序運行周期、預定切換時間、開關分合時間以及故障保護動作等時間之和，s；L1為預留安全距離，依據線路類別、運行速度、共線列車等綜合因素選擇，m。

中性區包含過渡區與無電區，構成示意圖見圖3，具體設計時需要根據線路情況，合理設置錨段關節的結構形式及位置，確保無電區長度滿足安全行車需求。

圖3 中性區構成示意圖

3 神朔鐵路中性區設置現狀及存在的主要問題

與常規鐵路單機或雙機固定編組方式不同，神朔鐵路采用SS4 型直流機車和神華號HXD1 型交流機車牽引5 000 噸或萬噸級列車，編組方式多樣，包括“2+0”、“3+0”、“2+1”和“2+2”等數種類型[5]。“2+0”和“3+0”表示多臺電力機車均在列車前部牽引，運煤敞車全部掛于機車之后；“2+1”和“2+2”表示列車前部和中間均有電力機車，部分運煤敞車掛于前部電力機車和中部電力機車之間，部分運煤敞車掛于中部電力機車之后。敞車型號包括C64、C70、C80 等，敞車的數量根據型號不同存在差異。

神朔鐵路現有地面自動過分相系統中性區長度按照各種復雜編組類型列車的受電弓均能夠“同收同放”的一次性全包絡方案進行設計，結構形式如圖4 所示。

圖4 現有中性區結構形式示意圖

基于各項已知條件，包括神朔鐵路線路運行的SS4 機車長度為32.832 m，神華號HXD1 機車長度為35.304 m，線路允許最高運行速度為80 km/h，地面自動過分相位置檢測及開關分合等時間之和小于0.5 s，安全距離設定為列車以線路允許最高運行速度運行0.5 s 的距離等，按照式（1）將各種編組方式下無電區長度需求進行計算并整理，如表1所示。

表1 無電區長度需求計算 m

由表1 可知，在考慮充分安全裕量的前提下，滿足全部編組類型列車受電弓一次性“同收同放”的中性區長度必須大于1 033 m；“2+1”和“2+2”編組列車由于在前部和中部機車之間加掛敞車，導致整列編組受電弓一次性換相等效長度過長，是造成中性區長度超過1 033 m 的主要原因。

目前神朔鐵路地面過分相系統中性區設置均采用“8+N+4”超長絕緣錨段關節結構，平均長度超1.2 km，可一次性完成整列編組中全部機車供電電源的切換，滿足各種復雜編組列車應用需求，但是由于涉及多次技術改造，構成復雜，故障點多，且存在列車無法滑行通過，停于分相時救援組織困難等一系列問題。

神朔鐵路現有中性區存在以下主要問題：

（1）對線路運能的影響。神朔鐵路地面自動過分相裝置均位于上坡地段，最大坡度達12‰，同時，由于上行方向為重車，列車限速80 km/h，通過分相時的速度一般不超過60 km/h，中性區長達1.2 km，使得地面自動過分相故障由人工控制過分相時列車無法滑行通過，導致線路中斷，需采取越區供電。而越區供電需要電力調度、生產調度、牽引變電所值班人員多方參與，操作復雜費時，并且列車在坡停狀態下速度恢復慢，長時間占據單線閉塞區間，以及越區供電情況下需要限制列車追蹤間隔，都將極大影響整條線路的運輸能力和效率。

（2）對系統自身的影響。地面自動過分相各子系統的設計與中性區密切相關，尤其是采用超長中性區時，執行單元（K1 和K2）的額定電流和散熱條件等均需依據各種編組列車的峰值容量及全部機車在中性區內的累計運行時長進行等效設計，導致系統總體設計容量較大且長期在高負荷工況下運行，不利于今后系統小型化和簡統化發展。

（3）對巡視檢修的影響。神朔鐵路地面自動過分相系統中性區是由供電專業歸口提出需求，工務專業建設維護，雙方共同巡視的交叉區域。中性區構成復雜，故障點多，增加了線路巡視和檢修工作量，同時，進行故障處理時，需多方到場協同，不利于現場快速恢復。

4 地面過分相中性區設計優化研究

由上述分析可知，如果能夠可靠檢測中部機車，將“2+1”和2+2”編組列車等效視為連掛運行的2 列獨立短編組列車，在中部機車通過中性區時進行二次換相，即可減少對無電區的需求，有效縮減中性區的長度。同時，需將邏輯控制策略進行優化，在確保安全及兼容“2+0 和“3+0”編組列車通行的前提下，實現“2+1”和“2+2”編組列車二次換相。另外，還需依據線路的情況，對中性區的結構形式進行簡化設計。

4.1 中部機車檢測方案

確保中部機車被安全、可靠、準確檢測是地面自動過分相系統中性區優化的核心，邏輯控制單元需要依據中部機車運行位置選擇第二次換相的導通和關斷時刻。基于系統現有配置情況，在新增設備最少及工程量最小的前提下，提出一種基于“電流加計軸”和“雙激光雷達”的雙重安全檢測方案（圖5），能夠適應機車各種運行工況，消除單一檢測方式存在的盲區。

圖5 雙重安全檢測方案示意圖

4.1.1 電流加計軸檢測

機車通過JY1 進入中性區之后，將從中性區獲取電能，流經中性區電流互感器的電流顯著增加，而且由于神朔鐵路地面自動過分相系統中性區的線路坡度為10‰～12‰，在整個過分相過程中，機車均需維持高功率輸出，因此可以將閾值限制的中性區電流作為中部機車進入的檢測依據，可靠性很高。但是對于中部機車是否全部進入中性區，僅通過電流無法獲知，需通過計軸裝置輔助檢測。電流加計軸檢測方案如圖6 所示。

圖6 電流加計軸檢測方案示意圖

計軸裝置是鐵路信號系統中用于列車位置檢測和完整性檢查的重要設備，以安裝在鋼軌軌腰上的傳感器為探測手段，直接計取和檢查經過列車的軸數，并通過計算比較判別區段是否有車占用，因其具有工作不受道床、軌道狀態和氣候條件的影響，附屬設備較少，可靠性高，抗干擾性能好等諸多優點，已在地面自動過分相系統中應用。計軸傳感器有2 個磁頭，列車通過時，輪對將切割磁感線，導致接收端接收到的磁場強度變化，每切割一次，計軸裝置記錄一次，同時通過2 個接收端的時間差判別機車行進方向，計算列車運行速度。檢測中部機車是否全部進入中性區時，由于計軸傳感器無法有效區分機車和貨車敞車的輪對，因此需要間接判別。判別方法主要包括兩種，第一種是采用計軸裝置輸出的輪對新增計數，第二種是通過計軸裝置測算的列車運行速度與時間進行積分，進而計算出距離，優先采用更為直接和便捷的輪對計數法。

采用電流加計軸檢測時無需新增硬件，中性區電流信號通過電流互感器CT3 采集，輪對計數信號使用計軸傳感器（正向行車時為PS2，反向行車時為PS3）輸出的脈沖。當中性區電流超過設定閾值，邏輯控制裝置計算進入中性區的新增輪對數量，進而判斷中部機車是否已完全進入。

4.1.2 雙激光雷達探測

為消除機車惰行工況電流檢測存在的盲區，采用雙激光雷達探測作為在線同步檢測方案（圖7），提高檢測的安全性。目前，激光雷達已在汽車自動駕駛、空間測繪、物體識別和安防等領域廣泛應用，其利用光頻波段的電磁波向目標發射探測信號，然后將其接收到的同波信號與發射信號相比較，獲得目標的位置（距離、方位和高度）、運動狀態（速度、姿態）等信息，實現對目標的探測、跟蹤和識別，具有距離和速度分辨率高、抗干擾能力強、體積小、質量輕且不受無線電波干擾等優勢。憑借激光雷達“精準、快速、高效”的特點，能夠可靠檢測進入中性區的中部機車。

圖7 雙激光雷達探測方案示意圖

機車受電弓本體是激光雷達探測的主要目標。通過測量激光信號的時間差、相位差確定距離，經水平旋轉掃描或相控掃描測量角度，根據這2 個數據建立二維的極坐標系，再通過獲取不同俯仰角度的信號獲得第三維的高度信息，經信號處理后，激光雷達可生成精確的受電弓三維立體圖像。由于電力機車與運煤敞車存在一定的高度差，而工作中的受電弓又高于機車車體，因此可以通過檢測高度差的方式限定檢測區域，縮短受電弓檢測時間。

分別在中性區前及中性區內的接觸網支柱側邊安裝1#和2#激光雷達，當激光雷達檢測到運行中的機車受電弓時，通過電纜硬接線方式送出若干對狀態節點信號，同時采用光纖與邏輯控制單元進行極低延時通信，準確記錄和傳送受電弓通過檢測點的時刻、機車運行速度、受電弓數量等信息。中部機車進入中性區前，通過1#激光雷達檢測中部機車受電弓的數量等相關信息，并結合機車運行速度及通過的時刻，預判抵達2#激光雷達的時間，增強可靠性；中部機車進入中性區通過2#激光雷達時，與1#激光雷達檢測受電弓的數量進行比較，當兩者相等時，說明中部機車已全部進入。

4.2 控制邏輯設計優化

4.2.1 現有控制邏輯

由于現有中性區長度超過1.2 km，可一次性完成整列編組中全部機車高壓電源的切換，因此目前的控制邏輯如下：

（1）列車抵達PS1 位置，閉合左側開關K1，中性區帶A 相電。

（2）列車抵達PS3 位置，分斷左側開關K1，閉合右側開關K2，電源切換，中性區由A 相電轉換為B 相電。

（3）列車完全通過PS4，分斷右側開關K2，中性區恢復初始無電狀態，等待下一趟機車到來。

現有控制邏輯流程如圖8 所示。

圖8 現有控制邏輯流程

4.2.2 控制邏輯優化

為滿足“2+1”和“2+2”編組列車的二次換相需求，同時兼容“2+0”和“3+0”編組列車，確保各種編組列車均能夠安全通行，將控制邏輯進行如下優化：

（1）列車抵達PS1 位置，閉合左側開關K1，中性區帶A 相電。

（2）列車抵達PS3 位置，分斷左側開關K1，閉合右側開關K2，電源切換，中性區由A 相電轉換為B 相電。

（3）列車抵達PS4 位置，分斷右側開關K2，閉合左側開關K1，中性區由B 相電轉換為A 相電。

（4）如果檢測到中部機車并確認中部機車已完全進入中性區，分斷左側開關K1，閉合右側開關K2，進行第二次換相，中性區由A 相電轉換為B 相電；如果未檢測到中部機車，保持K1 和K2的當前狀態。

（5）列車完全通過PS4，分斷當前閉合的開關，中性區恢復初始無電狀態，等待下一趟列車到來。

優化后的控制邏輯流程如圖9 所示。

圖9 優化后的控制邏輯流程

4.3 結構形式簡化設計

通過中部機車的可靠檢測與邏輯優化，將“2+1”和“2+2”方式編組列車等效視為2 列單獨的列車，進行2 次切換，則無電區的長度只需大于“2+0”和“3+0”編組對無電區需求的較大值，即大于“3+0”編組的112 m。按照接觸網跨距為40 m進行設計，結構形式優化方案可采用“4+4”構成的九跨絕緣錨段關節，中性區長度小于280 m，無電區長度大于120 m，滿足現有各種復雜編組列車地面自動過分相需求[6]。與現有1.2 km中性區相比，優化后長度縮減達76.67%，小于列車斷電滑行距離，當地面自動過分相系統故障時，司機人工操控列車能夠安全通過。中性區簡化結構形式示意圖見圖10。

圖10 中性區簡化結構形式示意圖

5 結語

中性區是地面自動過分相系統的重要組成部分，其設置是否合理將直接影響列車過分相時的行車安全及運營效率。神朔鐵路現有中性區按照萬噸重載運煤專列“同收同放”極限需求設計，長度超過1.2 km，構成復雜，故障點多，且存在列車無法滑行通過、停于分相區救援困難等一系列問題。為此，本文全面分析了地面自動過分相系統原理、構成及中性區的設計原則，提出了一種基于“電流加計軸”和“雙激光雷達”的中部機車雙重檢測方案，優化了系統控制邏輯，可顯著縮短各種復雜編組列車對于中性區長度的要求，并對現有中性區結構進行了簡化。通過設計優化，中性區長度縮減超900 m；當地面自動過分相系統故障時，列車能夠在人工控制方式下滑行通過，無需中斷行車和越區供電，有效降低對線路運能的影響，而且也相應減少了地面自動過分相系統的等效負荷，有利于今后系統小型化和簡統化發展。同時，隨著地面自動過分相系統在電氣化鐵路進一步推廣應用，對于存在類似復雜編組方式的客貨混運、高低速列車混跑、重載鐵路等其他線路中性區設計，本文研究內容也具有重要的指導意義。