王晓栋

(1.轨道交通工程信息化国家重点实验室(中铁一院)；2.陕西省铁道及地下交通工程重点实验室(中铁一院)，西安 710043)

1 概述

川藏铁路地处高海拔、大高差、空气稀薄的高原高寒地区，线路六起六伏，需要克服巨大高程障碍[1-3]，即使采用30‰的坡度，全线仍有长达300多km的路段位于紧坡地段，其中最长坡段长达80 km。电分相是用以保证电气化铁道供电系统不同相供电臂间的机械连接和电气隔离的重要元件，在分相区内，接触网不带电，列车需要惰行通过电分相。目前，我国主要采用C2/C3控车模式下自动过分相及磁钢自动过电分相。

川藏铁路拟运行动车组、普速客车和货物列车[4]，电分相若设置在长大上坡，为保障列车可以惰行通过电分相，对列车过分相入口速度及加速距离有很高要求，而这又是难以实现的。因此，为确保3种列车安全通过电分相，需要结合不同列车自动过分相的特点，研究适合的电分相缓坡设置方案。

2 川藏铁路拟采用的电分相

2.1 电分相结构方案

电分相装置是在两段不同相位或不同电压处，避免在受电弓通过时将两个不同区段接触网连通的装置，接触网专业通常根据供电方案，在变电所、分区所附近设置电分相。

2.2 电分相类型

接触网电分相方式主要有器件式和带中性段的空气间隙绝缘的锚段关节形式。

2.2.1 器件式电分相

器件式电分相通过在接触线上安装3组分段绝缘器的方式，隔断不同相位。器件式电分相有结构简单，安装方便，机车不可取电的距离小等优点。器件式分相没有中性区段，断合标及电磁枕设置时，以无电区为基准，因此机车通过时实际断电长度短，有利于行车。但器件式分相装置安装时需截断接触线安装分段绝缘器，接触导线上会不可避免地出现接续点，产生硬点，机车高速通过时会出现打弓甚至导线烧蚀现象，因此不适合于高速线路，仅用于120 km/h及以下线路[5-7]。

2.2.2 锚段关节式电分相

锚段关节式电分相一般由2个绝缘锚段关节或经改造的绝缘关节(八跨三断口电分相)构成，利用2个绝缘锚段关节间的无电区，对不同相位的电进行分隔。目前常用的锚段关节式电分相有2种，中性区段小于双弓最小间距的短分相、无电区满足双弓或多弓最大间距要求的长分相。较器件式电分相，锚段关节式电分相在利用转换柱上导线间空气间隙形成电气隔断，接触线上无断点，受电弓可高速通过，适用于运行速度大的线路。锚段关节式电分相以中性段为基准设置断合标及电磁枕，机车不能取电的距离较长，在长大坡道、车站出站口、列车限速等工况下，对列车运行影响较大[8-9]。

2.3 川藏铁路拟采用的电分相

川藏铁路电分相方案拟采用带中性段、空气间隙绝缘的双断口锚段关节形式[10]。电分相处按TG/01—2014《铁路技术管理规程》[11]、TB/T 3197—2018《车载控制自动过分相系统技术条件》[12]的规定设置标识牌和地面磁感应器，如图1所示。

图1 川藏铁路电分相处电磁枕设置位置(单位：m)

2.4 自动控制过分相特点分析

自动控制过分相方式有自动断电过分相和自动带电过分相2种方式。自动带电过分相方式目前采用较少，投资较大，存在问题较多，呼局之前部分线路采用，效果不好，未推广；兰渝线设计时有3处电分相处于大坡度上，按自动带电过分相设计，投资1 000万元/处，开通运行时未使用。现状设计均采用自动断电过分相方式。自动断电过分相控制方式分为列控自动控制和车载自动控制。正常运行情况下，列车断电过分相系统根据列车行驶速度、接触网电分相位置、电分相中性区段长度、分相区长度，由车载控制设备采集过分相信息，及时控制列车主断路器的分闸或合闸，实现自动控制列车断电过分相。

3 川藏铁路电分相设置原则

3.1 相关规范要求

3.1.1 电分相位置

非客运专线铁路电分相设置满足TB/T 10009—2016《铁路电力牵引供电设计规范》相关规定，电分相位置应满足电力机车运行、调车作业方便，供电线经路的合理及进站信号机位置和显示等要求[13]。当电分相设置在坡道区段时，应进行行车检算。锚段关节式电分相应满足运输组织的需要。

3.1.2 断合标设置

非客运专线铁路电分相处断、合标设置满足《接触网电分相标识设置补充规定》(铁总运[2015]145号)[11]，如图2所示。

图2 电分相处断合标设置示意(单位：m)

3.1.3 电磁枕设置

非重载铁路电分相处电磁枕设置满足TB/T 3197—2018《车载控制自动过分相系统技术条件》[12]，如图3所示(其中，a=a0+5)。

图3 电分相处电磁枕设置示意(单位：m)

3.1.4 相邻坡段坡度代数差

根据TB 10098-2017《铁路线路设计规范》，相邻坡段的坡度差不宜大于表1规定的数值[14]。

表1 相邻坡段最大坡度差

3.2 电分相缓坡设置原则

(1)电分相缓坡设置的最大坡度按从8‰，10‰，12‰三种典型坡度比选考虑。

(2)电分相设置的缓坡坡段与前后方相邻坡段坡度代数差不超过15‰。

(3)本线过分相检算货车采用HXD2双机牵引、普速客车采用HXD1D双机牵引，计算断电位置按磁枕1、取电位置按磁枕4。动车组采用CRH5型车、CRH380AL型车、CR400AF型车，当动车组在磁枕控制模式下运行时，计算断电位置按磁枕1、取电位置按磁枕4，电分相长度按750 m；当动车组在ATP控车模式下运行时，电分相长度按1 000 m。

(4)不同种类列车过分相末速度按25 km/h[15-19]。

(5)区间闭塞分区最大长度按2 km，电分相后方区间信号机按200 m考虑[19-21]。

4 电分相缓坡设置方案研究

4.1 电分相缓坡设置方案

结合电分相缓坡设置原则，考虑缓坡坡长不小于电分相长度1 km，对缓坡坡长从1，1.5，2，2.5 km四种情况，缓坡坡度从8‰，10‰，12‰三种情况考虑。当电分相缓坡设置为8‰，10‰，12‰时，相邻坡段分别为长600 m的23‰，25‰，27‰坡道(按满足1列车长度考虑)。

4.2 不同缓坡设置方案列车过分相检算

通过模拟牵引计算，分析货物列车、普速客车、动车组在不同缓坡设置方案上的出口速度，以及达到出口速度25 km/h的入口速度和加速距离。其中，货物列车编组采用HXD2双机牵引，车辆采用C62型，编组25辆，牵引总质量2 014 t，列车总质量2 415 t，列车总长373 m。普速客车采用HXD1D双机牵引，车辆采用25型客车，编组18辆，牵引总质量999 t，列车总质量1 251 t，列车总长521 m。采用CRH5型动车组，16辆编组(10M6T)，列车总质量1 000 t，总长423 m。采用CRH380AL型动车组，16辆编组(14M2T)，列车总质量903t，总长403 m。采用CR400AF型车，16辆编组(8M8T)，列车总质量940 t，总长417 m。

4.2.1 缓坡坡长为1 km(方案Ⅰ)

区间信号机暂按2 km布设，缓坡坡长恰好满足电分相长度1 000 m，前架信号机位于缓坡前方800 m处，列车在该信号机处起车，后架信号机位于缓坡终点后方200 m。通过模拟牵引计算，得到缓坡坡度为8‰时不同类型列车通过电分相时的入口速度和出口速度，如表2所示。

表2 方案Ⅰ不同种类列车通过电分相入口及出口速度

由表2可见，动车组以ATP模式过分相最受控制，其次为货物列车。不同种类动车相比，CRH380AL型动车更受控制。当缓坡坡度为8‰时，所有列车均不能通过检算。进而，当缓坡坡度为10‰及以上时，出口速度也均不满足25 km/h的要求。因此，将缓坡坡长设为1 km不可行。

4.2.2 缓坡坡长为1.5 km(方案Ⅱ)

区间信号机暂按2 km布设，缓坡坡长大于电分相长度，前架信号机位于缓坡前方500 m处，列车在该信号机处起车，后架信号机位于缓坡终点。通过模拟牵引计算，得到当缓坡坡度为8‰和10‰时，不同类型列车通过电分相时的入口速度和出口速度情况如表3所示。

表3 方案Ⅱ不同种类列车通过电分相入口及出口速度

由表3可见，当缓坡坡度为8‰时，动车组以ATP模式过分相不满足出口速度要求，CRH380AL以电磁枕模式过分相不满足出口速度要求；当缓坡坡度为10‰时，除CRH5以电磁枕模式过分相外，其余列车均不能通过检算。进而，当缓坡坡度为12‰及以上时，出口速度也均不满足25 km/h的要求。因此，将缓坡坡长设为1.5 km也不可行。

4.2.3 缓坡坡长为2 km(方案Ⅲ)

区间信号机按2 km布设，前架信号机位于缓坡与前方坡道变坡点处，列车在缓坡前方坡道起车，后架信号机位于缓坡终点。通过模拟牵引计算，得到不同类型列车通过电分相时的入口速度和出口速度情况如表4所示。

表4 方案Ⅲ不同种类列车通过电分相入口及出口速度

由表4可见，当电分相缓坡设为8‰，10‰时，不同种类列车过分相的出口速度均满足要求。当缓坡设在12‰及以上坡道时，动车组按ATP模式过分相的出口速度不满足要求。

4.2.4 缓坡坡长为2.5 km(方案Ⅳ)

区间信号机暂按2 km布设，前架信号机位于距缓坡起点500 m处，列车在该处起车，不同种类列车起车位置均处于缓坡坡段，后架信号机位于缓坡终点。通过模拟牵引计算，得到不同类型列车通过电分相时的入口速度和出口速度情况如表5所示。

表5 方案Ⅳ不同种类列车通过电分相入口及出口速度

由表5可见，当电分相缓坡设为8‰，10‰时，不同种类列车过分相均满足出口速度要求。当缓坡设在12‰坡道时，CRH380AL以ATP模式过分相不满足出口速度要求。

4.2.5 不同缓坡方案结果对比

比较不同缓坡长度及缓坡坡度的电分相缓坡设置方案下列车过分相的出入口速度结果，如表6所示。

由表6可见，当电分相缓坡长度为1，1.5 km时，即使设在8‰的缓坡，也不能满足列车过分相要求；当电分相缓坡长度设为2 km、缓坡坡度设为8‰及10‰时，可以满足不同种类列车过分相出口速度25 km/h要求；若延长电分相缓坡长度为2.5 km，不同类型列车均在缓坡坡段起车，仅缓坡坡度设为8‰及10‰时，可满足列车过分相出口速度25 km/h要求，当缓坡坡度为12‰时，CRH380AL型车以ATP模式过分相不能满足出口速度要求。因此，为节省工程投资，推荐缓坡长度采用2 km。

表6 不同动车组对各种缓坡设置方案的适应情况

4.2.6 出口速度按25 km/h控制的缓坡段长度

当过分相出口速度按25 km/h控制时，通过各型列车在不同坡道上按电分相长度惰行，倒推出合适的入口速度，并根据入口速度倒推列车所需的牵引加速距离，从而推算得到列车过分相时需要的最短坡段长度，如表7所示。列车起车位置设定为缓坡与前方坡道的变坡点位置。

表7 出口速度按25 km/h控制时需要的最短缓坡段长度

由表7可知，最短坡段长度主要受CRH380AL型动车以ATP模式过分相控制。若不考虑后架信号机位于缓坡终点，结合各车型过电分相时对缓坡段长度的要求，不同坡度方案所需缓坡长度如表8所示。

由表8可知，随着坡度的增加，列车过分相时需要的缓坡段长度增加，但在足坡地段一定线路长度范围内，坡度越大，所需缓坡段高程损失越大，对地形的适应性越好。若不考虑后架信号机位于缓坡终点，当缓坡设在12‰坡度以下时，所需缓坡坡长不超过2 km；若考虑后架信号机位于缓坡终点，当缓坡设在10‰坡度以下时，所需缓坡坡长不超过2 km，与前述不同缓坡设置方案出入口速度分析结果一致。

表8 不同坡度方案所需缓坡长度

4.3 电分相缓坡设置对运输质量的影响

结合不同缓坡设置方案的列车过分相检算结果，以克服2 100 m高差为例，通过对70 km长、30‰上坡段设置电分相缓坡，对设缓坡方案与不设缓坡方案的列车运行时分进行对比分析。其中设置缓坡方案选取1 km/8‰方案、1.5 km/8‰方案、2 km/8‰方案、2 km/10‰方案、2.5 km/8‰方案、2.5 km/10‰方案、2.5 km/12‰方案。其中动车组初速设为200 km/h，普客初速设为160 km/h，普货初速设为90 km/h。不同种类列车在不同缓坡设置方案的运行时分如表9所示。

表9 不同缓坡设置方案运行时分统计 min

由表9可知，不同缓坡设置方案在克服高差一定的情况下，不同种类列车运行时分相差较少。

4.4 电分相缓坡设置对工程情况的影响

结合川藏铁路全线供电设置方案，电分相缓坡的设置主要对夏里车站高程以及夏里大桥桥高、桥长有较大的影响，造成夏里车站高程以及夏里大桥桥高、桥长均有不同程度增加，且电分相缓坡采用的坡度越大，对夏里车站高程以及夏里大桥桥高、桥长影响越小，影响最大的为8‰电分相缓坡，最大桥高增加33.2 m，最大桥长增加78 m。若需保证夏里车站高程以及夏里大桥桥高、桥长不变，需要调整夏里隧道的最大坡度24‰，则夏里隧道无法实现坡度软化；若需实现夏里隧道软化坡度24‰，则必须展线，对于8‰，10‰，12‰三种坡度的电分相缓坡，线路长度依次增加1 383,1 167,1 000 m。

对于紧坡地段设置电分相缓坡，高程损失还会造成隧道埋深增大，对应的隧道埋深增大、斜井长度增大，但以上3种坡度方案的缓坡设置造成隧道埋深增大量不超过52.4 m。

综上所述，电分相缓坡设置对紧坡地段的工程影响较大，但仍可通过线路方案局部优化得以实现，且电分相缓坡采用的坡度值越大，对工程的影响程度越小，对工程就越有利。

5 结论

本文采用组合方案对比法，根据川藏铁路拟采用的电分相设置方案，从缓坡坡长1，1.5，2，2.5 km以及缓坡坡度8‰，10‰，12‰对电分相缓坡设置方案进行组合，通过模拟牵引计算分别对动车组、普速客车、货物列车进行过分相检算。根据不同种类列车在不同缓坡设置方案的电分相出入口速度结果，采用反推法，按出口速度25 km/h反推得到不同坡度方案最短缓坡长度，得出电分相出口速度受CRH380AL动车组以ATP模式过分相控制。从减少工程规模、节约工程投资角度考虑，推荐川藏铁路长大坡道电分相设置采用缓坡坡长≮2 km、缓坡坡度≯10‰方案。研究结论有力地支撑了川藏铁路的建设实施，同时为其他长大坡道铁路的勘察设计提供参考和借鉴。