蒋斌鹏

【摘 要】目前，我国电力机车按电传动方式分为：直流电力机车和交流电力机车两大类。本文以直流电力机车为研究对象，具体分析了机车过分相过程机车速度下降的原因，并结合机车特性及铁路运输实际，开发了新的风速继电器控制装置，解决了电力机车过分相区时降速大的弊端。同时，机车风速继电器控制装置具备对故障位风速继电器的提示、报警功能，有效简化了机车乘务员的应急处置流程，提升了铁路运输效率。

【关键词】电力机车；分相区；降速；风速继电器；控制装置

0 概述

当前，国家电网为电气化铁路供给三相高压交流电，为保证电网电力系统三相负荷保持平衡，电气化铁路的接触网采用分段换相供电。为防止相间短路，各相间用绝缘物体进行分隔，分隔区称为电分相区。所以，电气化铁路接触网的供电制是不连续的，一般每隔20-25公里就设有一个30m左右的分相区（为无电区），也叫换相区。

电气化铁路采用分段换相供电，主要目的是保证三相负荷尽可能保持动态平衡和提高电网的利用率。基本机理为：铁路变电所输出三相工频交流电，而路内机车采用25KV单相工频交流电，如果供电接触网不采取换相制，机车会一直使用某一相电受流，最终会出现三相负荷不平衡的不利局面。当三相负荷不平衡的情况加剧时，发电机组会产生负序分量，对整个电力系统运行很不利，严重时会导致不对称过负荷保护动作，最终导致供电中断而影响机车受流。基于上述原因，电气化铁路经过设定的一段接触网后就需换相。即：一段网用A相电，一段网用B相电，再过一段网就用C相电，不同区间有不同的列车在运行，基本保证了电力系统三相负荷平衡的问题，为机车安全、可靠运行提供了稳定的电源。

分相区主要起到两个作用。其一、将接触网上不同相位电能进行物理绝缘隔离，防止发生相间短路故障；其二，将网上相邻的两相电进行机械连接，使接触网成为一个整体，便于机车受电弓安全滑行通过无电区，其长度必须大于18m，这一规定主要考虑到电力机车双弓升起时不至于短接不同相位的接触网。

电力机车过分相区时，必须对牵引电机进行减流卸载，若未卸载而带有大的负载通过后，受电弓会因拉弧大而烧损，机车内电器也会因“带电→停电→带电”的突变过程造成冲击，严重时可能造成供电部门变压器因过电压而绝缘击穿，这叫“电力机车带电闯分相事故”。所以当电力机车过分相前，机车乘务员须将主手柄回零，此時牵引电机无功率输出，主断路器自动断开（由车载自动过分相装置自动控制完成），各辅机停止运转，机车靠惰转惯性越过无电分相区。当机车安全越过分相区后，主断路器自动闭合，乘务员等待10秒后方可重新加载提速，也就是各风机顺序延时3秒启动完毕（共约10秒），机车牵引回路条件构成。

根据电力机车过分相过程可知，机车的降速分为两个阶段，第一段是30m左右的分相区惰转导致的机车降速，第二段为机车过完分相后乘务员须等待约10秒才能提手柄加载过程中的降速。很明显，第一段机车降速是客观存在且很难解决的，因此我们应着重研究第二段机车降速问题并提出可行方案，以提高铁路运输效率。

以SS8型电力机车为例，当机车过完分相后，主断路器自动合上，劈相机启动完毕，各辅机延时3秒顺序启动，即：通风机I→通风机II→硅风机的启动顺序。其LCU逻辑延时启动关系，如下图示：

从图1知，“劈相机投入（TEMP490）”经“T13”（延时3S）到“辅机准备（TEMP507）”，最后到“风机准备（TEMP999）”，完成了第一个3S的延时过程，为通风机的启动做准备）。

从图2知，498（110V正线）经“风机准备（TEMP999）”到“15QS”、“27QS”，最后使通风机I接触器18KM得电吸合，完成了通风机1的启动。

从图3知，498（110V正线）经“风机准备（TEMP999）”到“T14（延时3S）”、“28QS”，最后使通风机II接触器19KM得电吸合，完成了通风机II的启动，通风机II的启动为第二个3S延时过程。

从图4知，498（110V正线）经“风机准备（TEMP999）”到“T14”、“T15（延时3S）”、“18KM”、“29QS”，最后使硅风机接触器22KM得电吸合，完成了硅风机的启动，硅风机的启动为第三个3S延时过程。

当各风道内风压达到294pa±10%Pa时，7、9、11、13、14KF风速继电器触指导通使牵引工况条件构成，此时提手柄加载机车才能正常给流。如果途经分相区的数量多，则累积耗费在风机延时启动上的时间就很长。以广州→长沙为例，分相区有35个之多，每次过分相后，机车速度均下降明显，严重影响铁路运输效率。特别地，当列车晚点需赶点时，更加凸显了机车风机启动控制存在的弊端，对乘务员途中操纵、心理素质等提出了严峻的考验和挑战！为了解决上述实际问题，设计一机车风速继电器控制装置，解决机车过完分相后不能立即加载提速致降速的问题。同时，具备运行途中对故障位风速继电器的提示、报警功能。

1 风速继电器控制装置的工作原理

风速继电器控制装置基本工作原理为：当机车越过分相区后，主断自动闭合，随即劈相机接触器得电动作，劈相机启动完毕。此时，风速继电器控制装置采集到劈相机接触器常开触指的闭合信号，立即自动控制使机车牵引加载提速电路构成，乘务员便可提手柄加速。当延时12秒后（延时时间可根据机车实际风机启动时间进行设置），断开装置控制，交由机车风速继电器控制牵引回路。在机车运行途中，装置能实时对风速继电器的状态进行检测，当某个风速继电器出现故障时，能提示故障位置，并发出声光报警以提示乘务员应急处置。其外观如图5示。

风速继电器控制装置具备以下功能：

（1）时效检测能力：机车运行中，装置实时对劈相机工作状态进行检测（取劈相机15KM接触器的常开触指信号），判断机车是否过完分相区。

（2）实时反映功能：主机面板上设计有指示灯，可实时反映主机工作状态、劈相机状态、继电器状态等。

（3）固态继电器无触点输出控制设计，确保装置工作稳定性。

（4）采用光耦隔离变压器互感结构设计，确保装置控制输出与信号采集不受干扰，使装置可靠工作。

（5）针对不同型号电力机车辅机延时启动时间的不同，可在主机上进行延时时间的设置。

（6）故障快速报警功能：故障报警提示功能由两部分组成，一是在装置上通过每个风速继电器状态指示灯进行显示；二是某个风速继电器故障，均会通过安装在司机室的报警器进行报警，提示乘务员及时应急处置。

3 风速继电器控制在SS8机车上的应用

以SS8电力机车为应用研究对象，当机车通过分相区后，风速继电器控制装置检测到劈相机工作后，立即控制KF1开关闭合使7、9、11、13、14KF风速继电器的触指短接，确保牵引加载提速电路构成。延时12秒后，待各个风机启动完毕，控制装置断开KF1开关，交由闭合的风速继电器触指（7、9、11、13、14KF）控制机车是否卸载。继电器7、9KF分别安装在第一、二通风机风道处，11、13、14KF安装在主整流柜的三个硅风机处。第一、二通风机主要为I、II架牵引电机进行冷却，三个硅风机主要为主整流柜的硅元件进行冷却。机车的牵引加载提速回路主要由7-14KF风速继电器（整定值为294pa±10%Pa）的开闭来控制，以确保牵引电机和主硅柜硅元件的通风冷却。的确，风速继电器控制装置投入运用后，存在各风机未启动完毕，通风效果未建立好机车强行加载的情况。但电力机车在实际运行中，10秒钟左右无风冷且提手柄加载下不会对机车电器设备有任何影响，因此设计方案可行！

另外，在机车运行中装置实时对风速继电器的闭合触指状态进行检测，当发生虚接开路故障时具备提示和报警功能，以警醒乘务员及时应急处置，确保机车完成牵引任务。SS8机车风速继电器控制装置原理、布线及主机电路，如图7、8、9所示。

风速继电器控制主机的运行模式为：

（1）劈相机信号：劈相机信号接入系统后先 经由二极管和稳压管，然后限流输入到光耦隔离器件，降压后由单片机检测。当有劈相机信号时单片机检测到，同时控制劈相机信号灯亮，无劈相机信号时单片机无法检测到信号。

（2）检测到劈相机信号后，单片机通过控制固态继电器来短接开关KF1，KF1后端接有二极管。12秒后单片机控制固态继电器输出端，让KF1断开，随即进入7KF、9KF、11KF、13KF、14KF风速继电器触指开断状态的检测。

（3）风速继电器触电一端信号，通过二极管、稳压管、电阻等器件将采集的电压值与对应的参考电压比较，比较器输出结果决定光耦器件的导通或截止从而来判断该继电器触电的开关动作，另一端分别接到各个对应变压器输出端的地。

（4）每个继电器触电都是通过变压器进行单独隔离，确保了系统工作稳定、可靠！

4 结束语

本文就直流电力机车过分相时降速情况进行了深入探讨，找出了问题症结所在。根據电力机车实际运用特性，研制了新的风速继电器控制装置，并在SS8型电力机车上运用考核。考核期间，该装置工作正常，解决了电力机车过分相后降速明显的问题。同时，对故障风速继电器有提示报警功能，简化了乘务员故障应急处置工作。

目前，直流电力机车牵引回路均采用风速继电器开、断来控制，因此其他路局机务段存在同样的问题困扰。新设计的风速继电器控制器具有通用性，在直流电力机车上均可适用，有效解决了过分相区时机车降速明显的现状，提升了铁路运输效率，保证了机车质量安全和正点率。

【参考文献】

[1]赵叔东，刘友梅.韶山8型电力机车[M].北京：中国铁道出版社，1998.

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[3]刘建秀，谷明辉.电力机车自动过分相系统信号处理器的系统设计[J].郑州工业学院，2011.

[4]中华人民共和国铁道部.铁路机车管理规定.北京：中国铁道出版社，2006.

[5]何安清.过电压对电力机车高压电气设备的影响[J].电力机车与城轨车辆，2011，34（6）：55-60.

[责任编辑：朱丽娜]