电力机车断电过分相的速度和时分损失研究

刘柏思 王青元

（西南交通大学电气工程学院，成都 610031）

1 引言

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。常用的电分相分为器件式和关节式两种形式，器件式电分相因硬点问题突出已逐渐被淘汰[1]，而关节式电分相则在既有铁路电气化改造和新建高速客运专线中得到广泛应用。

我国大部分普速铁路和高速铁路（如京津、石太高速客运专线）上运营的电力机车（或电力动车组）采用断电过分相方式。机车通过电分相的一般操纵方法为[2]：退级、关闭辅助机组、断开主断路器，惰行通过电分相，过分相后按线路标志闭合主断路器、闭合辅助机组、进级牵引。

电力机车断电过分相时，牵引传动系统不再输出牵引力，此时列车所受合外力为制动力与阻力之和，列车运行速度一般会有所降低，区间运行时间有所增加。为优化电分相设置方案，在前期设计中需要综合考虑线路状况[4]、机车特性[3]、无电区长度等因素，通过定量分析计算来证明方案的合理性。本文就此方面进行了分析和研究，给出了仿真计算结果，并就电分相的设置方案提出了建议。

2 电力机车过分相的速度和时分损失

电力机车切断主断路器开始惰行进入无电区的速度为入分相速度vin，闭合主断路器开始取流牵引、离开无电区时刻的速度为出分相速度vout，机车进出分相的速度差即过分相的速度损失为

设机车过分相惰行距离为sidle，机车离开分相重新取流牵引至速度达到vin行进距离为strac，机车通过tidle所用时间为tidle，机车通过strac所用时间为ttrac，则机车过分相的速度损失△t可表示为

3 影响电力机车过分相速度和时分损失的因素

电力机车断电过分相时，切断主断路器通过整个无电区，其间不再从牵引供电网取流，牵引传动系统无法输出牵引力，机车所受合外力为制动力、列车基本运行阻力和坡道、曲线、隧道等附加阻力。从运动学角度分析造成机车过分相速度和时分损失的原因大致包括以下几个方面：

（1）列车阻力特性。列车阻力特性是列车固有的属性，反映了列车在平直线路运行时所受阻力的状况。列车阻力是过分相过程中列车所受合外力的主要构成因素。

（2）列车再生制动力。对于某些类型的动车组，为保证其通过电分相过程中辅助系统持续工作，需要通过再生制动的产生的电能为辅助系统供电。列车发挥的再生制动力的大小依辅助系统功率和列车运行速度而定。在此情况下，列车的再生制动力将加剧列车速度的衰减。

（3）列车牵引特性。列车牵引特性决定了列车离开分相后的速度恢复能力，是影响时分损失的主要因素。

（4）线路状况。线路的平纵断面，即坡道和曲线，以及隧道的分布导致了列车运行的附加阻力，加剧了列车惰行通过无电区的速度衰减。因此，在大上坡或隧道路段设置电分相会使通过的列车产生较大的速度和时分损失。

（5）无电区长度。列车以相同速度进入无电区，无电区越长，列车损失的动能越多，出分相速度越低，速度损失越大。因此，对于中低速线路应避免设置无电区较长类型的电分相，以免列车速度损失过大，甚至发生在电分相内停车事故。

综上所述，造成机车断电过分相速度损失的因素并非单一的机车、线路或电分相的特性，而应是三者的共同作用。机车入分相速度、出分相速度和速度损失是评估电分相、线路和机车耦合系统设置方案合理性的一组重要指标。

4 速度和时分损失的计算

列车基本运行阻力特性通常以Davis公式表示

其中，f为列车单位基本运行阻力；v为列车运行速度；a，b，c为基本运行阻力公式各项系数。

列车运行中所受附加阻力中，坡道阻力为ig，曲线附加阻力可等效为坡道阻力形式ic，隧道阻力it主要来源于空气阻力，其作用效果类似基本运行阻力中的cv2项，设隧道阻力

其中，d隧道附加阻力公式系数。

设列车提供给辅助系统的单位质量再生功率为pr，则列车所受单位再生制动力为

设重力加速度为g，列车回转质量系数为γ，则电力机车惰行通过无电区的单质点模型运动方程为

由式（3）～（8）可得

该方程反映了列车断电过分相过程中，列车速度与惰行距离、机车特性和线路状况的耦合关系，此关系为多质点模型列车在多线路断面上的运行仿真提供了理论基础。

基于方程（9），利用VC++语言可编程实现列车断电过分相速度变化的精确计算模型，并对CRH2型动车组以200km/h和250km/h的入分相速度通过处在线路坡度为-15‰～15‰路段的电分相的速度损失和时分损失情况进行了仿真计算，结果如图1、图2和表1所示。

图1 CRH 2型动车组断电过分相的速度损失情况（入分相速度为200km）

图2 CRH 2型动车组断电过分相的速度损失情况（入分相速度为250km）

表1 CRH 2型动车组断电通过1000m无电区时的时分损失情况

5 结论

通过上述理论分析和仿真计算，得到以下结论：

（1）电力机车断电过分相时的速度损失并非机车特性、线路状况或无电区长度等单一因素作用的结果，而是三者耦合构成的系统共同作用的结果。

（2）考虑电分相位置与线路断面关系时，应避免将电分相设置在大上坡或大下坡（因列车反向运行时为大上坡）位置，以避免电力机车过分相时产生较大的速度损失或在分相内发生停车事故。

（3）考虑电分相长度与线路限速关系时，为避免过分相产生较大的速度损失，应避免在中低运营速度路段设置长无电区的电分相；而高速运营速度路段则可适当采用长无电区电分相。

[1] 马德明,高仕斌.断电过电分相的过电压暂态过程分析[J].供变电,2008(3).

[2] 李官军,冯晓云,王利军等.电工技术学报[J].高速动车组自动过分相控制策略研究与仿真,2007(7).

[3] 冯晓云.电力牵引交流传动及其控制系统[M].北京:高等教育出版社,2009:15-18.

[4] 孙中央.列车牵引计算规程[M].北京:中国铁道出版社,2005:48-51.