復雜運營條件下高速鐵路電分相設計及運營建議

崔衍渠

(1.中鐵二院工程集團有限責任公司， 成都 610031;2.中國中鐵“一帶一路”互聯互通研究中心， 成都 610031)

根據國際鐵路聯盟(UIC)最新統計數據，截至2020年2月27日，世界高速鐵路運營總里程達 52 484 km，其中我國高速鐵路營業里程為35 388 km，占世界已運營高速鐵路里程的67.4%。根據2016年調整發布的《中長期鐵路網規劃》，明確構建以“八縱八橫”高速鐵路主通道為骨架的高速鐵路網，到2025年、2030年高速鐵路規模將達到3.8萬km、4.5萬km，未來高速鐵路將持續發展。

電氣化鐵路由于采用不同相序供電，在牽引變電所、分區所時需要設置電分相進行絕緣隔離，電分相為不帶電的中性區。列車到達電分相時失去電力，靠慣性通過[1]。耿敬春、唐亮、崔衍渠等人分別就基于CTCS-3級列控系統動車組列車自動過分相運行檢算[2]、電分相設置對高速動車組運行速度及時分影響研究[3]、電分相對區間通過信號機布置的影響分析等問題進行研究和探討，對電分相設計過程中確定位置、區間信號點(或信號機)的布置具有重要的參考意義。但值得注意的是，以上探討都基于正常運營條件。

所謂正常運營條件，是指列車正常運行(列車在電分相后方車站為通過或起停車)時通過電分相；另外考慮動車組列車因故停于區間通過信號點前，之后重新起車，獲得一定的入口初速度后惰行通過電分相無電區，CTCS-3和CTCS-2條件下動車組過電分相為車載設備計算機控制下的自動過分相。除上述情況外，實際運營中還可能遇到更為復雜的運營條件，而國內外專家學者對特殊復雜運營條件下的電分相設計及運營情況研究不多。因此，本文重點探討特殊復雜運營條件下的電分相設計及運營中需注意的幾個問題。

1 復雜運營條件的定義

《鐵路技術管理規程(高速鐵路部分)》[4-6](如下簡稱高鐵技規)第十八章、第十九章分別規定了設備故障行車組織、非正常行車組織辦法。其中，第十九章非正常行車的“列車停在接觸網分相無電區”小節中，規定了列車停在接觸網分相無電區的具體操作方法和要求?？偨Y來說，即以換弓、退行闖分相等自救方法不具備自救條件時，采用向中性區遠動送電的方法或組織救援列車方案。筆者認為非正常行車組織條件概率較低，本次不再贅述。

高鐵技規第十八章《設備故障行車》規定了15種設備故障情況下的行車組織方法。與接觸網電分相設計及運營相關的設備故障情況有列控車載設備不能正常使用、LKJ及機車信號故障、區間通過信號機故障或閉塞分區軌道電路非列車占用紅光帶、自動過分相地面設備故障等。

高鐵技規第98條、第108條分別規定了CTCS-3級列控車載設備和CTCS-2級列控車載設備的7種工作模式，分別為：完全監控模式、引導模式、目視行車模式、調車模式、休眠模式、隔離模式和待機模式。結合高鐵技規，設備故障行車中與電分相設計及運營相關的工作模式分為目視行車模式、隔離模式兩種。目視行車模式是司機控車的固定限速模式，限速 40 km/h；隔離模式是列控車載設備故障后停用的模式，司機控車以不超過40 km/h的速度運行。以上3種模式最高限速都是40 km/h，故將此類復雜運營條件定義為設備故障限速40 km/h。

高鐵技規第309～313條規定了列控限速管理的具體辦法。列控限速作為運營過程中常用的功能，對電分相設計提出了更高的要求；電分相位置一旦確定，當列控限速過低時，可能導致動車組列車無法依靠慣性惰行通過電分相無電區，造成行車事故，故對列控限速同樣提出了限制性的要求。綜上分析，本次將此類復雜運營情況定義為列控限速。

2 設備故障限速40 km/h對電分相設計的要求

當采用目視行車模式、隔離模式等情況下，動車組最高限速40 km/h。這兩種情況下均為司機操作手動過分相。司機在目視行車模式下操作過分相以“斷”、“合”標作為起止點。由于高速鐵路電分相形式有長、短分相(6跨、12跨、13跨、14跨等)等不同形式，在具體項目設計或線路運營過程中，需根據具體電分相設備的形式來分析動車組的惰行無電區長度，從而分析設備故障限速40 km/h條件下的電分相適應性。

研究方法上，推薦采用牽引計算軟件模擬的方法，即：在設定的坡度上，以入口速度v1=40 km/h為前提條件，用牽引計算軟件進行動車組的惰行過程模擬，將出清電分相后的出口速度v2和特定安全值v0進行對比，即可得到相應坡度的適應性。特定安全值v0理論上大于0即可，根據鐵路運營部門的調研結果，建議一般不低于20 km/h，本次研究暫按20 km/h取值。即：出口速度v2若大于20 km/h，表示此電分相的坡度適應設備故障限速40 km/h；否則不能適應設備故障限速40 km/h情況，在行車組織細則制定時應特別說明。

我國中西部某高速鐵路速度目標值350 km/h、擬開行CRH380AL系列動車組，設計采用短分相，如圖1所示，經分析，斷、合標間距離為670 m。

圖1 某線路電分相形式示意圖

以本項目的惰行無電區長度為670 m為前提，通過反復試算，電分相所在的坡度從1‰逐漸增加至6‰時，出口速度為21.8 km/h(運行工況如圖2所示)，大于20 km/h；但坡度增至7‰時，出口速度為 15.5 km/h(運行工況如圖3所示)，小于20 km/h。

圖2 目視行車過分相示意圖(6‰坡度)

圖3 目視行車過分相示意圖(7‰坡度)

因此，目視行車模式下，能通過電分相(出口速度>20 km/h)的最大上坡度為 6‰。分相上坡方向超過6‰的電分相，不可組織動車組在該區間以目視行車模式運行，否則無法惰行過分相。

本次研究還計算了極限條件特定安全值v0為0，坡度為8‰的出口速度為8.8 km/h；坡度為9‰時將導致坡停，動車組列車將無法正常通過電分相無電區。值得注意的是，以上數據均以斷合標間距670 m惰行長度為計算前提，具體項目應具體分析。

3 列控限速對電分相設計要求及運營建議

(1)列控限速要求

高鐵技規第十四章對限速管理進行了規定，其中第309～313條具體規定了列控限速的定義、設置、命令執行及設置不成功的處理方法。分析高鐵技規具體要求可以看出：列控限速仍然為列控車載設備控車條件下，動車組通過分相原則上還是以列控車載設備自動過分相；列控限速按檔分為不同的限速等級，最低為45 km/h；設置列控限速時，應按照不高于限速值的原則選擇相應限速等級進行設置，但低于45 km/h的限速按45 km/h設置。

(2)研究思路

電分相位置一旦設計確定后，采用牽引電算軟件，以列控臨時限速最低檔45 km/h作為電分相的入口速度，以出口速度不低于20 km/h(暫定)為標準，判斷是否可行。若出口速度大于20 km/h，則繼續利用牽引計算的方法，能反推模擬到最低入口速度；若以45 km/h入口速度計算的出口速度小于20 km/h，則不斷增大入口速度，從而可得出口速度等于20 km/h時的入口速度。采用上述方法計算的入口速度，可作為指導現場運營的最低速度，供運營調度人員參考。

(3)案例

根據經驗，我們對下坡方向的電分相在列控限速條件下的運行情況進行系統的分析和模擬，對電分相惰行區平均坡度進行分析，以初速度45 km/h通過分相無電區后，其出口速度均大于20 km/h。也就是說，下坡方向一般不構成對列控限速的限制因素。值得注意的是，有些鐵路電分相雖然無電區在下坡上，但惰行區域其他地段可能在上坡道上時，需通過實際分析、計算后確定。

以下分析均基于電分相為上坡道方向時的列控限速要求。前述高速鐵路案例具體電分相設置方案模擬計算結果如表1所示。

表1 電分相對列控限速適應情況計算表(惰行長按1 200 m)

由表1可以看出，在+1至+4‰上坡道上，以列控最低限速45 km/h作為入口速度，其惰行通過電分相后的出口速度均大于20 km/h，表明當電分相設置在1‰～4‰的上坡道時，不控制列控限速。自+5‰坡道開始，惰行通過電分相后的出口速度開始低于20 km/h，且超過+7‰(含)后，動車組將停車于電分相惰行范圍內。

對不滿足出口速度求算其最低入口速度按表1取值。以+10‰為例，列控限速理論計算不得低于60 km/h，以+30‰為例，列控限速理論計算不得低于98 km/h。由于研究方法及計算均基于理論分析和軟件模擬，其實際效果可能與加載了列控設備的動車組實際運行工況有差異。故基于安全及保守原則，建議在實際運營及設置列控臨時限速時，在理論模擬、計算結果的基礎上上浮5～10 km/h。

4 結論

本文通過對復雜運營條件下的電分相設計及運營進行分析，得出以下主要結論：

(1)設備故障限速40 km/h情況下，目視行車模式下司機手動操作過分相受到特定坡度值的限制。以斷合標間距670m的惰行距離為例計算，出口速度滿足20 km/h的最大坡度為+6‰；滿足大于0時的極限坡度為+8‰；超過(含)+9‰以上坡度將導致坡停。結合具體項目電分相形式計算的結果，可作為今后運營管理部門制定行車組織細則的參考依據。路局實際運營前，建議開展專題試驗，做好目視行車模式的組織工作。

(2)有電分相的區段或區間，應盡量不設置列控臨時限速。電分相設置在一定的坡道上，理論上在平直道及上坡道上總存在無法讓列車利用慣性、惰行通過電分相無電區的入口速度，該速度隨著坡度值的增加而減小。因此，當列控臨時限速值低于理論計算的入口速度時，將造成動車組在電分相無電區內停車。因此，建議在設置有電分相的區間或區段，盡量不設置列控臨時限速地段。

(3)在項目施工圖設計階段，建議對已設計的電分相位置進行列控最低限速要求計算，并將計算結果上報建設單位、運營單位，供將來實際運營設置列控限速時參考、借鑒。

(4)通過本次研究可以看出，電分相惰行1.2 km前提條件下，為滿足列控限速或目視行車等極限運營情況，電分相的位置，有條件時盡量設在不超過4‰的坡道上，一般情況下建議不超過6‰。對具體項目，設計過程中應結合實際設置的平、縱斷面和具體檢算適應情況[7-8]。

(5)由于CRH380AL(14M2T)動拖比較高，是當前我國牽引特性最好的動車組，實際運營中的復興號CR400AF或CR400BF及其他動車組的牽引性能均不如CRH380AL，具體項目研究設計過程中，應根據選定的特定動車組類型進行各種運營邊界條件的計算和確定。