车辆自动过分相系统研究

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[摘 要] 文章根据线路环境、主断断开方式及控制方式，描述了三种自动过分相方式的组成及控制原理，分析三种自动过分相的优缺点，并就目前动车组的自动过分相控制方式提出建议。
[关键词] 自动过分相；地面自动过分相；地面感应磁钢过分相；车载设备自动过分相
[作者简介] 倪大勇，南车青岛四方机车车辆股份有限公司工程师，研究方向：机车车辆通信信号，山东 青岛，266111；于伟凯，南车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东 青岛，266111
[中图分类号] U260.36 [文献标识码] A [文章编号] 1007-7723（2013）01-0045-0004
接触网是为电力机车或电动车组提供电能的特有供电线路，是电气化轨道交通牵引供电系统的重要组成部分。我国电气化铁路采用工频单相交流制供电，为了减小单相电力牵引负荷对电力系统造成的不良影响，牵引变电所的各供电臂需换相供电，如图1所示。图中A、B、C分别指牵引变压器输出的A、B、C三相电。
在普速接触网中，电力机车过分相是由司机根据地面指示标志，手动降弓通过接触网分相绝缘区的。而在高速运行中，靠司机手动降弓过分相是不可靠、不安全、不现实的；在高速电气化铁路中，为了提高过分相的安全性、可靠性并最大限度地减少动能损失，通常采用自动过分相方式来代替手动方式过分相。目前车辆自动过分相主要有地面自动过分相、地面感应磁钢自动过分相、车载设备自动过分相三种形式。
一、自动过分相
（一）地面自动过分相
地面过分相的工作原理见图2。在接触网分相处嵌入一个中性段，其两端分别由绝缘器JY1、JY2与二相接触网绝缘。JY1、JY2不采用一般的由绝缘物构成的分相绝缘器，而采用锚段关节结构，以保证受电弓滑过时能连续受流。2台真空负荷开关QF1、QF2分别跨接在JY1、JY2上，使接触网两相能通过它们向中性段供电。在线路边设置4台无绝缘轨道电路CG1～CG4作为机车位置传感器。无车通过时，2台真空负荷开关均断开，中性段无电。当机车从A相驶来达到CG1处时，真空负荷开关QF1闭合，中性段接触网由A相供电。待机车进入中性段、到CG3处时，QF1分断，QF2随即迅速闭合，完成中性段的换向过程。由于此时中性段已由B相供电，机车可以在不用任何附加操纵、负荷基本不变的条件下通过相分段。待机车驶离CG4处后，QF2分断、装置回零。反向来车时，由控制系统自动识别，控制2台真空负荷开关以相反顺序轮流闭合，采用这种方法过分相，断电时间约为0.1 s～0.15 s。
（二）地面感应磁钢自动过分相
1. 系统组成
系统组成包括以下设备：
（1）地面感应信号接收器（或称车感器）：基于电磁感应原理，感应接收线圈与地面感应器的磁场相结合，完成系统的定位识别。
（2）地面感应器：地面感应器是嵌入到轨枕里的永久磁铁。
（3）信号处理器：控制系统是由系统信号处理单元以及控制单元组成。系统控制单元则由动车组的控制系统来实现，主要功能是采集由系统信号处理器输出的定位信息、动车组速度、司机指令、牵引电流、供电网压等相关机车信息，并根据接收到信号处理器输出的定位信息、动车组运行速度，确定控制牵引电流下降的速率和确定断开主断路器的位置。通过分相区后，根据接收到信号处理器输出的定位信息，控制闭合主断路器和控制牵引电流平稳上升。
2. 工作原理
地面感应装置的具体布置图如图3所示：图中1#地面感应器为预告信号感应器，2#地面感应器为强迫感应信号感应器，3#为反向强迫感应信号感应器，4#为反向预告感应信号感应器。
地面感应信号接收器是安装在电力机车或动车组车体（如图4所示），通过感应地面感应装置完成列车定位和过分相动作触发，当电力机车通过电分相区时，地面感应信号接收器将感应一个幅值和宽度与机车运行速度相对应的信号。
在通过分相区前，动车组地面感应过分相装置应能够在列车高速运行时通过装于列车上的感应接收器可靠地感应到地面定位磁感应器，并能把感应到的分相预告信号和强迫断开主断路器信号传送到自动过分相装置的信号处理器，信号处理器应能够根据接收到的信息给动车组车辆信息控制系统传送相应指令，指导动车组控制系统发出动车组卸载、惰行并断开主断路器的功能，以此达到安全通过接触网分相区的目的；通过分相区后，车载感应接收器能够通过接收地面定位磁感应器发出的信息向信号处理器发出分相区已通过的信息，信号处理单元把相应信息处理后向动车组控制系统传送相应指令，指导控制系统闭合主断路器并恢复负载，自动过分相装置复位，准备通过下一个分相区。
（三）车载设备自动过分相
1. 车载设备自动过分相指令
车载设备（ATP）主要是通过输出以下两路信号来控制过分相：
一路是车载/磁钢选择信号（ATP/GFX），用以区分是由车载设备过分相系统（ATP）还是面感应过分相装置（GFX）来控制列车过分相；
一路用以驱动列车操纵过分相装置。
2. 对应CTCS等级的车载过分相
车载ATP系统存在CTCS2、CTCS3等级的ATP过分相控制方式，两种等级下过分相控制方式分别如下：
（1）运行等级为CTCS-3时
当车载设备运行等级为CTCS-3级时，ATP/GFX选择信号输出高电平（=“1”），此时由ATP控制列车过分相，列车收到该信号启动ATP控制过分相装置，ATP通过DMI向司机发出提示。此时，牵引供电分相信息与列车行车许可一起由RBC提供给列车，车载设备不处理接收到的应答器提供的过分相信息。
当列车运行到距牵引供电分相区前一定距离时（行车许可已延伸到分相区时），RBC向列车发送前方分相区信息，包括：至分相区距离、分相区长度等。
车载设备接收到RBC传送的前方被激活的分相区信息后，实时监督列车运行速度及位置，并进行如下操作：
当列车前端距分相区还有13秒（A点）走行距离时，车载DMI显示列车通过前方分相区；
当列车前端距分相区还有3秒（B点）走行距离时，车载设备通过1组继电器接点或MVB（=“1”）条件，触发列车相关过分相操作。
当列车前端越过分相区一定距离（车头距离工作受电弓的距离）（E点）后，车载设备取消原触发列车相关过分相的操作。
详细的过分相过程如图5所示。
（2）运行等级为CTCS-2时
当车载设备运行等级为CTCS-2级时，ATP/GFX选择信号平常状态输出低电平。牵引供电分相信息与列车行车许可一起由应答器提供给列车。
当列车运行到距牵引供电分相区前一定距离时（行车许可已延伸到分相区时），在分相区前相应的两组应答器分别向列车发送分相区信息，包括：至分相区距离、分相区长度等。
车载设备接收到应答器传送的前方被激活的分相区信息后，ATP/GFX选择信号输出高电平（=“1”），此时由ATP控制列车自动过分相。
ATP实时监督列车运行速度及位置，并进行以上相同于CTCS-3级的操作，不同之处在于在列车前段端越过分相区一定距离后，必须取消ATP/GFX选择信号。详细的过分相过程如图6所示。
二、三种自动过分相方式对比
地面自动过分相、地面磁钢感应自动过分相、车载设备自动过分相系统的优缺点对比如下：
（一）地面自动过分相
优点：车辆在通过中性区时，由安装于地面的真空开关进行切换，会导致车辆短时失电，但失电时间很短且与分相区长度无关。
缺点：由于动车组是被动地断开电源，在真空开关断开时以及再次另一相真空开关合闸时，可能在中性区接触网上会引发操作过电压产生，不仅会直接造成接触网烧伤断线，牵引变电所馈线断路器跳闸，中断供电和运输，而且容易引起车顶过电压保护设备动作，车上变压器损坏，直接威胁牵引供电系统和车辆的安全运行。
（二）地面磁钢感应自动过分相
优点：很好地解决了地面自动过分相存在的弊端，采用车辆主动卸载，然后断开主断路由的主动断开电源的自动过分相装置。
缺点：由于地面磁钢位置已经埋设固定，无法更改，而车辆在进入分相区前断开主断路由需要一定的动作时间，这样地面磁钢的位置以及主断路由的动作时间就限制了车辆的速度不能超过一定限值，如果车辆速度超过限制，则会导致车辆带电冲进分相区，导致弓网拉弧等危害；而且失电时间与分相区长度有关，分相区长度越长，失电时间也越长。
（三）车载设备自动过分相
优点：车载设备自动过分相综合考虑了主断动作时间、车辆运行速度以及与分相区的距离因素，避免了地面磁钢感应自动过分相的弊端，且为主动断开电源，也解决了地面自动过分相系统的缺点。
缺点：失电时间与分相区长度有关，分相区长度越长，失电时间也越长。
三、建 议
综合以上论述，目前在满足ATP运营要求的CTCS2、CTCS3线路区段，可以采用车载设备自动过分相的方式进行过分相，同时，将地面磁钢感应自动过分相方式作为车载设备自动过分相方式的一种冗余备用，在车载设备故障或者地面不满足ATP系统CTCS2、CTCS3运营要求时，可直接采用地面磁钢感应进行车辆自动过分相；但是从车辆运营角度长远考虑，最优过分相方式还是车辆失电时间最短、对车辆速度影响最小的地面过分相，故建议继续深化研究地面过分相在两分相区切换时所造成的过电压以及谐波振荡的解决方案。
[参考文献]
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