电力机车自动过分相方案的探讨严云升.docx

可编辑电力机车自动过分相方案的探讨摘 要：介绍了 3 种自动过分相方案的工作原理及实际应用状况，分析了它们各自的优点和缺点，并建议在准高速和高速电气化线路上承受第 3 种方案，即车上自动掌握断电方案关键词：电力机车 接触网 电分相 供电死区 中性段 自动过分相为使电力系统三相负荷尽可能平衡，电气化铁道的接触网承受分段换 相供电为防止相间短路，各相间用空气或绝缘物分割，称为电分相国 内接触网上每隔 20 km～25 km 就有一长约 30 m 的供电死区在此无电区外肯定距离处设有“断”、“合”提示牌，电力机车通过时须退级、关闭 关心机组、断开主断路器，惰行通过无电区后再逐项恢复，这样受电弓是 在无电流状况下进出分相区的，从而保证了受电弓和接触网的寿命但这 样操作，一方面影响了行车速度，另一方面增加了司机的劳动强度，操作 稍有疏忽就会拉电弧烧分相绝缘器对准高速、高速线路，每小时就要过 10 多个分相区，靠司机操作实属困难对高坡重载区段，手动过分相见引起列车大幅降速，延长咽喉区段的运行时间，降低线路运能因此必需考 虑列车自动过分相的方案，及早取消司机的手动过分相操作国外仅有少数国家争论和承受自动过分相装置，其技术方案根本上有 3 种：地面开关自动切换方案，柱上开关自动断电方案，车上自动掌握断电方案。

下面将对这 3 种方案进展介绍、分析和比较1 地面开关自动切换方案这种方案国际上以日本为代表，解决了东海道干线上高速列车自动过分相的难题国内郑州铁路局西安科研所在咸阳四周对这种方案进展了争论和试验这种方案的工作原理见图 1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 不承受一般的由绝缘物构成的分相绝缘器，而承受锚段关节构造，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 相驶来到达 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 随即快速闭合，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、负荷根本不变的条件下通过相分段待机车驶离 CG4 处后，QF2 分断、装置回零反始终车时，由掌握系统自动识别，掌握 2 台真空负荷开关以相反挨次轮番闭合，承受这种方法过分相，断电时间约为 0.1 s～0.15 s。

图 1 地面开关自动切换方案的工作原理图这种方案的优点是：接触网无供电死区，无须司机操作，机车上主断 路器无须动作，自动换相时接触网中性段瞬连续电时间很短，且此时间与 行车速度无关，可适用于 0～350 km/h 速度范围，对行车中可能消灭的限速、一度停车等状况均能正常工作这种方案的缺点是：(1) 真空负荷开关带负荷分断，因而必需考虑备份及检修备份 图 2 是有用的主接线图其中 QF1、QF2 为主用开关，QF5、QF4 分别为其检修备用开关，当主用开关检修时可以便利地投入工作QF3 是 QF1、QF5 的备用开关，寻常它处于闭合位，当万一 QF1(QF5)由于灭弧室真空破坏或操作机构缘由发生拒分故障时，掌握系统则命令QF3 快速分断，然后再闭合 QF2(QF4)，以避开造成相间短路图中 QS1 为三相隔离开关，便于装置的投入或撤出；QS3 为单极隔离开关，在 QF3 检修时将其旁路；QS2 单极隔离开关寻常处于分断位，只有当装置停用，中性段上恰有机车途停 时才闭合闭合后，机车得电驶离中性段图 2 有用主接线图QF1、QF2——主用开关； QF3——备用开关； QF4、QF5——检 修备用开关； QS1——三极隔离开关； QS2、QS3——单极隔离开关； JY1、JY2——分相绝缘器； F——避雷器； TI——电流互感器； TV——电压互感器； FU——熔断器(2) 中性段的长度难于确定。

对于只有 1 个受电弓的列车或是双机重联、2 台机车紧靠的列车，中性段的长度可以按双机长度来确定对于双机重联，机车分布在首尾的列车或是多弓动力分散型列车，中性段要按整 个列车长度来考虑中性段的长度必需考虑本区段运行模式的多样性图 3 过分相区时的电流波形(a) v=40 km/h，网压 27.7 kV，19 级；(b) v=85 km/h，网压 29 kV,15 级(3) 过分相区后合闸时的电流冲击比较大，假设机车上不实行措施限制合闸冲击电流，有可能造成电机环火，同时列车冲动也使乘客难于忍受 图 3 是 637 次列车、573 号机车两次过分相段时的电流波形，第 2 次的合闸涌流为机车原负荷的 9.5 倍这可能是由于负荷开关带负荷分断后引起 的中性段残压恰与合闸后的电压相位接近叠加造成的解决合闸时的电流冲击，可在机车上实行措施，即机车上检测到连续60 ms 无网压时，把司机给定拉回到 0，延时 0.5 s，然后再重启动机车司机给定由 0 到最高值约延时 6 s4) 投资巨大，要建分区所，需要有一批治理和操作维护人员初步 估算其投资比第 3 种方案超出 2 个数量级，而且后续的治理维护费用相对也较大。

该方案经过试验改进，现已经路上投入使用2 柱上开关自动断电方案这种方案以瑞士 AF 公司为代表国内福州铁路分局曾从瑞士 AF 公司引进了 2 组自动分相装置，装于鹰厦线永安机务段管区内其工作原理见图 4A、B 两组真空开关在正常状态下均处于分断位置当电力机车运行至a-b 之间时，A 组开关装置线圈有电流通过，磁铁吸合，真空开关在 15ms 时间内闭合使 c-d 段有电当电力机车运行至 c-d 之间时，A 组开关的线圈中无电流通过，磁铁释放，15 ms 时间内 A 组真空开关断开，使 d-e-f-g为无电区，机车惰行当电力机车运行至 g-h 之间时，B 组开关装置线圈有电流通过，同理 B 组真空开关闭合；当机车驶离 i 点后，B 组开关线圈失电使 B 组开关断开，但此时该开关不起分断电流作用这样 A、B 两组开关回到初始状态图 4 柱上开关自动断电方案的工作原理图这种方案的优点是：比第 1 种方案来得简洁，无须设立分区所，相应投资要少些，供电死区(d-e-f-g 或 c-d-e-f)比现有的分相区来得短，无需司机操作，机车上的主断路器不需分断这种方案的缺点是：(1) 真空开关带负荷分断，需要常常维护，由于是柱式安装，难于实 现 100%备份。

2) 该方案运行的牢靠性与机车通过分相区时的速度有关，即通过速度必需在肯定范围内假设机车速度太低，机车尚未到达 d 点就过早地断电，靠惯性闯过供电死区时的速度损失很大，严峻时甚至接近停车；假设机车速度太高，机车通过 a-c 段的时间太短，A 组开关线圈得电时间太短， 导致 A 组开关不能正常闭合所以这种方案难于适应临时限速、一度停车等特别状况3) 过分相后机车电流有很大的冲击，造成机车主断路器跳闸，假设机车上未实行措施，势必造成机车冲动，影响电机和车钩，使乘客感到不 舒适这点与第 1 方案类似4) 试验中觉察在靠近分相两端产生了一些明显的电弧这主要是机 车进入分相区 a-c 段时，由于真空开关线圈的接入，引起加到机车上的网压突降，产生了电弧这是本方案不行抑制的弊病5) 分相区中接触网分段比较多，接触网构造简单6) 当机车向一个方向行驶时，A、B 2 组开关中只有一组开关动作是必要的，另一组开关动作是多余的7) 难于适应多弓运行的列车，一列车过分相见造成真空开关屡次动 作，且与弓的位置有关8) 存在着肯定长度的供电死区，因而断电时间比第 1 种方案长，且与速度有关这种方案由于其本身的缺陷，特别是难于适应不同的通过速度，再加 上对过分相后的电流冲击未实行相应措施，因而未能实际投入使用。

3 车上自动掌握断电方案该方案的工作原理是当机车得到过分相预报信号后，首先进展确认， 然后封锁触发脉冲，延时断开主断路器，使机车惰行通过无电区在通过无电区后，由机车自动检测网压从无到有的跳变并确认，再合主断路器， 挨次启动辅机，然后限制电流上升率，启动机车该方案中，除分相预报信号与地面设施有关外，其余一切操作都由机车自动完成，无需人工干预广深线全线都承受这一方案自动过分相，所用的 SS8机车具有自动过分相的功能，实际使用效果好，投资较以上两种方案都少得多在离分相区两端约 60 m 处的线路上，左、右各埋 1 块磁铁，一个分相区只需要 4 块磁铁机车头部靠近铁轨处左右各设 1 个感应器，当机车通过磁铁时，感应器就接收到信号，再由感应器向机车微机掌握系统发送 110 V 电平的预报信号机车微机掌握系统在收到该预报信号后延迟肯定时间，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，预报信号随之消逝所延迟的时间用于完成对预报信号确实认，封锁 触发脉冲，等待电机电流衰减和断开主断路器，并留有肯定余量但延时 时间不能太长，必需保证机车开头进入分相区时使感应器复位，以便进展 下一次的检测。

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没有实际意义， 它只是为了线路上车辆双向行驶的需要才设置的图 5 是目前广深线上这些信号的时序图图 5 预报信号与复位信号的时序机车上为了实现自动过分相的功能，一是必需在主断路器前设置 25 kV 的高压电压互感器，以便检知是否已过了分相区；二是利用微机系统已有 的硬件：1 个数字输入口用于检知预报信号，2 个数字输出口，分别发出感应器复位信号及合主断路器命令自动过分相分主断路器命令，可与机 车保护用的分主断路器命令合用，由软件来区分主断分的缘由国产相控 电力机车上一般都装有高压互感器，用于供给一次侧电压信号和检测无功 功率所以为了实现过分相的自动掌握，一般不需另行增加设备实现机车上过分相的自动掌握，对微机掌握的机车(如 SS 、SS 、SS )8 9 4B来说是不难解决的，主要通过软件来实现；而对于模拟掌握的相控机车(如SS 改、SS 、SS 、SS)，则需进展改造，加装一些小设备；对于用调压开4 3B 6 6B关进展调压的机车(如SS 、SS )则较难于实现1 3该方案的优点是：(1) 投资最低，仅需解决过分相的预报信号问题。

2) 主断路器只分断辅机的小电流，而不需分断牵引电机电流，因而 对主断路器电寿命影响不大3) 过分相区后能自动掌握电流上升率，不会有冲击电流，对列车造 成的冲动也比较小，提升了乘客的舒适度4) 过分相的自动掌握与列车速度无关，可适应低速、常速、准高速 和高速的要求5) 预报信号的检测承受了 2 套冗余，所以使用牢靠，没有发生过问题6) 无需人工干预7) 可以适应多弓的列车头车在接到分相预报信号后，发出命令到 其他动力车，使各动力车几乎同时封锁脉冲和断开主断路器，由各车自己 推断是否通过了分相区这样合主断路器命令是相继发出的，因而可削减 整个列车牵引力的损失昆明至石林的动车组上有 3 台动车、3 弓并举， 就是承受这种方法自动过分相的该方案的缺点是：机车上有一。