温建民，王帮田，方志国

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉 430063)

铁道部在2007年全国铁路科技大会上明确指出，突破铁路发展的关键技术“瓶颈”，从大规模铁路建设看，建设世界一流水平的客运专线，必须下力量深化高速铁路建设及运营管理等领域的基础理论研究和一些关键技术的提升。自动过分相技术是牵引供电技术方面的关键技术之一。我国人口基数庞大，特别在春运期间，客流量大，发车间隔时间短，需要动车组在行驶过程中尽可能不要因为过分相而减速。我国城市分布的特点与日本及欧洲各国均有很大不同，表现为客运专线网规模大，主要城市间距离长，北京、上海、广州和武汉4个客运专线中心枢纽间的距离都在1 000～2 000 km范围内，高速列车在我国区域间主要城市的旅行时间要远大于日本和欧洲国家，因此，大量开行长行程高速列车将是我国客运专线的重要特点。长行程高速列车的过分相点多，现有的车载过分相方案，列车动力丢失明显，不能最大限度地压缩运行时间，高速列车的维护工作量大、维护停运时间长;需要有新的自动过分相方案，满足高速列车动力丢失少、压缩运行时间及降低高速列车的维护工作量、减少维护停运时间的需求。

1 国内外自动过分相系统方案

1.1 国外的自动过分相方案

1.1.1 车载式自动过分相方案

车载式自动过分相以法国、德国、英国以及西班牙铁路为代表［2］，尽管其接触网分相采用不同的结构形式，但电力机车通过分相区时，都是通过车上主断路器的分合来实现接触网不同相位电源的转换。

(1)主要优点:过分相区后能自动控制电流上升率，对列车运行造成的冲击比较小，提高了乘客的舒适度;预告信号的检测采用了2套冗余，使用较可靠;无需人工干预;可以适应多弓的列车。

(2)主要缺点:机车上有一段时间是断电的，且断电时间长，而断电时间的长短与通过速度有关;有可能人为失效造成漏检，发生拉弧等行车事故;机车上因过分相需切换的设备较多;地面磁铁的安装需要在路基上施工，牵涉部门多、施工难度大。

1.1.2 地面开关自动过分相方案

(1)典型方案系统(图1)。

(2)运用介绍:地面带电自动过分相系统技术由列车识别、逻辑控制、操作执行、远动监控、接触网相分段转换区、机车兼容6个子系统组成。

图1 典型方案系统

日本是世界上最早使用地面切换方式自动过分相的国家［3］，1961年开始研制空气型过分相开关，1972年在山阳新干线投入运营，1980年东北、上越以及东海道新干线路均采用了真空开关。

(3)主要优点:停电时间短，容易保持列车的速度;不需要车载长寿命断路器;可以在低速状态下通过过分相区间。

(4)主要缺点:一次性投入较高;对过分相开关的性能要求高。

接触网供电电源通过过分相开关自动转换，仅与列车运行的位置相关，不受列车运行速度、编组方式等限制。适用于高速、高坡、重载电气化铁路、客运专线，对提高列车速度，压缩区段运行时间，提高综合运输能力，效益明显。

1.2 国内自动过分相方案

1.2.1 车载式自动过分相方案

广深线200 km/h电气化铁路为适应直通九龙的需要，采用了地面磁铁传感、车上自动转换式过分相装置，全线上、下行共设5套。转换装置由接触网、地面磁铁和车上接收及控制设备组成。当机车通过磁铁时，感应器接收到信号，由感应器向机车微机控制系统发送110 V电平的预告信号。机车微机控制系统在收到该预告信号后延迟一定时间，向感应器发出一个20 ms宽、110 V电平的复位信号，使感应器复位，预告信号消失。延迟时间主要考虑完成对预告信号的确认、封锁触发脉冲、等待电机电流衰减、断开主断路器和一定裕度，延时时间不能过长，必须保证机车开始进入分相区时使感应器复位，以便进行下一次检测。当机车驶离分相区时，感应器也相应动作，机车在经过同样延时后，再次使感应器复位，而这一次感应器所发的信号只是为了线路上车辆反向行驶的需要才设置的。

广深线是国内最早采用这种方法的线路。它是从英国进口的，经过几年使用后，由于缺少维修，车上感应接收器绝大部分已失效，提供过分相预告信号的极化继电器触点间存在很高的接触电阻，有的甚至卡位不动作，从而妨碍广深线上机车自动过分相。

1.2.2 地面开关自动过分相方案

我国也在进行积极研究地面开关自动过分相方案，在宝成线的观音山变电所所在的分相处较早采用了地面式机车不断电过分相装置。该装置在分相附近设地面开关站，通过轨道信号和控制回路实现真空断路器的自动开断。

目前此方案仅在普铁有小批运用，开关寿命不够长，更换周期短。

鉴于国内外自动过分相的现状，结合我国客运专线自动过分相的实际需求，开展我国客运专线自动过分相系统的方案研究势在必行，本文提出了动车组不分闸地面自动过分相系统(以下简称地面自动过分相系统)的解决方案。

2 地面自动过分相系统的解决方案

2.1 地面自动过分相系统构成(图2)

由2台过分相开关(401/403)组成一组过分相开关组，开关组与接触网和中性段采用3台单极断路器(411/412/413)连接，采用2组过分相开关冗余设计，当一组开关故障、正常或检修时，自动切换到另一组开关(405/407、421/423/425)运行。

图2 地面自动过分相系统构成

2.2 地面自动过分相系统工作原理

考虑双向行车，以左侧来车为例，处于运行的开关组(以 411/413/415、401/403开关组为例)断路器411/413/415处于合状态，过分相开关401、403均断开，中性段不带电，当机车驶入起始检测区间，合上401开关，中性段带A相电源，当机车驶入切换区间，断开401，合上403，中性段带B相电，当机车出清末端检测区间，断开403，完成一次自动过分相，系统处于初始状态，等待下一趟列车。

2.3 地面自动过分相系统关键技术

地面自动过分相系统关键技术主要有计轴位置检测技术、控制保护技术、长寿命过分相开关技术、操作过电压抑制技术等，其主要技术参数如表1所示。

表1 地面自动过分相系统技术参数

2.3.1 计轴位置检测技术

微机计轴设备由室内设备(计轴运算单元、电源、防雷组合)及室外设备车轮传感器、车轮电子检测器(EAK)及与站内其他设备连接的结合电路等组成。

微机计轴列车位置检测系统框图如图3所示。

图3 微机计轴列车位置检测系统框图

由图3看出，车轮传感器J1J2J3与J1'J2'J3'在两个钢轨上布置，J1J2构成信号A段，J2J3构成信号B段，J1'J2'构成信号 A'段，J2'J3'构成信号 B'段，同时采集占用和方向信号;由此构成三双信号系统，即双段、双信号(占用和方向)、双套系统。系统由室内设备、室外设备和其之间的传输电缆组成，室外检测设备通过电磁传感器检测车轮通过检测点的信息，并通过电缆传输到主机柜中由运算单元进行逻辑判断，运算结果通过继电器转换为接点状态输出。

这种微机计轴列车位置检测系统对检测的轴脉冲处理采用2取2安全计算机处理模式，确保安全;系统设计按故障－安全原则设计，具有极高的可靠性;传感器和主设备间供电和信息传输采用恒流传输，受干扰影响小;检测区段运算单元独立，运算单元故障影响面小;每个检测区段均设有相应的复零按钮，对设备的复零操作简便;系统采用星型网方式连接，对传输干扰有较强的抵抗能力;室外检测点连接简单，且不需要设置地线。

2.3.2 控制、保护技术

系统包括远动通信单元、当地监控单元、开关所保护装置、开关切换控制器，系统内部通信基于光纤工业以太网，采用IEC60870-5-104通信规约，通过远动通信单元、借助变电所或分区所的远动通道与SCADA调度所系统交互遥测、遥信、遥控等信息。

系统设置2套过分相控制装置，当投入的控制装置出现自检故障或掉电时能自动切换到备用控制装置，确保过分相系统继续安全运行。主要功能如下所述。

(1)接受从列车位置检测系统传来的列车信息，经过逻辑判断，按照给定的控制程序来控制过分相开关的合、分，从而把过分相区两侧的电源依次导入中性段，使动车组能够不分闸过分相。

(2)在检测到开关系统故障信号时(比如开关拒合、拒分，差流速断故障等)，能够通过控制断路器的合、分，倒换到另一套开关系统继续运行，并闭锁本套开关系统。

(3)能够及时检测到列车位置检测系统(计轴信号)是否正常，检测到不正常时，能对其进行复归并把此信息上传监控后台。

(4)当本过分相系统不可用时，能够立即发出跳上侧牵引变电所指令，保护行车安全。

开关切换控制器采用最小化故障影响设计原则，当发生开关分合失败将开关系统切换到备用系统。如果2套开关系统都失效时，实时通知变电所跳开两侧供电臂的馈线开关。

系统设置2套过分相保护装置，按照差流速断保护原理设置，用于快速切除过分相系统主回路短路或绝缘故障。1号过分相保护装置保护1号开关系统;2号过分相保护装置保护2号开关系统。

2.3.3 长寿命过分相开关技术

过分相开关作为高速铁路地面过分相系统的关键设备，要求有可靠性高、长寿命的特点，且具有开断、关合负荷电流、过载及短路电流的功能，能够用于电气化铁道电力系统切换变电所及分区供电所不同电源对接区间的电源。

本系统采用VSW-30MS型过分相开关，其主回路采用高性能真空灭弧室，布置方式采用双断口结构，增强主回路的耐压水平，提高击穿电压，减少发生重燃的概率，使开关具有优异的绝缘性能和灭弧性能。机械寿命达到30万次，电气寿命达到15万次。开关5万次操作为一个检修周期，检修周期长，检修方便易操作。

采用电磁操作结构，大大减少了开关的零部件，保证了机械传动部分的长寿命;采用两段操作线圈结构，实现操作电流小和动作时间短的特性，主要技术参数如表2所示。

2.3.4 操作过电压抑制技术

由于二次重燃弧、断流过电压等产生的操作过电，易造成动车组主回路绝缘破坏、降低断路器触头寿命。通常通过提高动车组主回路绝缘水平、降低谐振点或中性段增加RC冲击吸收装置，降低操作过电压的不利影响。本方案在中性段增加阻容吸收系统抑制操作过电压，如图4所示。

表2 长寿命过分相开关技术参数

图4 操作过电压抑制系统

在中国铁道科学研究院东郊分院试验中心对CRH2动车进行在线试验，从试验中测试得到的数据显示，操作过电压被抑制在1.8倍额定电压以内，典型波形图(速度:160 km/h，电制满级)如图5所示。

图5 操作过电压典型波形

2.4 地面自动过分相系统的技术创新点

过分相关键技术难题的解决，让我们具备了研究、设计、制造、试验验证地面自动过分相系统的能力，并创造了多项世界第一。世界上第一个能满足单轨双向行车的过分相系统，第一个能满足列车在中性段进行折返运行的过分相系统，第一个具有自我保护功能的过分相系统，第一个采用三双(双段+双信号+双套)计轴信号系统方案用于列车位置检测的过分相系统。

3 地面自动过分相系统的试验研究

此方案在中国铁道科学研究院北京环铁试验基地进行了离线试验、静态冲击试验、在线工况试验、故障场景在线模拟试验和在线稳定性试验，试验结果表明，机车在以上运行工况条件下，ANS系统能够按照既定程序可靠动作，各种技术参数正常，运行良好;合分闸引起的切换过电压未造成对机车、接触网、变电所及ANS过分相系统的绝缘破坏;合闸涌流未造成变电所及ANS系统的保护误动。

当投入的地面自动过分相系统出现单一开关故障时，该系统能及时准确切换到备用开关系统继续运行，机车、接触网、变电所均未出现异常;当双套系统均出现故障时能迅速给出切除接触网两端供电臂电源的信号，机车、接触网、变电所也均未出现异常。

4 地面自动过分相系统的运用

本系统在乌龙泉变电所试运行，对原接触网进行改造，与接触网电源采用“T”接方式接线(图6)，改造工程量小。

图6 地面自动过分相试运行系统

试运行期间有单编组动车、双编组动车及工程车等不同车型通过的机车过分相区;车速从30 km/h到350 km/h;既有正向行车，也有反向行车。该系统在武广客运专线新乌龙泉牵引变电所(上行线)投入离线试运行3个月以来，能够按照既定程序可靠动作，各种技术参数正常。

5 结语

高速铁路地面自动过分相系统技术的研究与运用，解决了高速列车过分相时动力丢失较多、运行时间被延长的难题，动车组过分相失电间隔时间降低到300 ms左右，且与动车组的速度无关;动车组过分相时主开关不分闸，大大降低了动车组主开关的维护工作量，列车维护停运时间缩短，并在列车位置检测信号技术、自动控制保护技术等方面有多项创新，为我国高速铁路地面自动过分相系统技术的深入研究提供借鉴。

［1］孙万启.国内外自动过分相装置的比较［J］.电气化铁道，2002(2).

［2］严云升.电力机车和电动车组自动过分相方案的发展方向［J］.机车电传动，2004(6).

［3］敖晓峰，刘仕兵.车载断电自动过分相装置［J］.电气化铁道，2006(2).

［4］中华人民共和国铁道部.TB10621—2009 高速铁路设计规范(试行)［S］.北京:中国铁道出版社，2009.

［5］钱立新.世界高速铁路技术［M］.北京:中国铁道出版社，2003.

［6］(德)Kiebling，Pusschmann，Schmieder.电气化铁道接触网［M］.北京:中国电力出版社，2004.

［7］李红梅.高速铁路动车组过电分相的列控分闸区系统技术探讨［J］.铁道标准设计，2010(1).