高速铁路动车组不分闸自动过分相技术的应用

■ 方志国

方志国：中铁第四勘察设计院集团有限公司，工程师，湖北 武汉，430063

随着我国高速铁路的大规模建设和运营，其舒适度、安全性、可靠性成为关注焦点。高速铁路动车组采用电力牵引供电，每隔20～25 km设有电分相区。电分相区一般采用带无电区的双断口锚段关节形式。列车如何安全、可靠通过电分相区是国内外一直研究的问题。动车组自动通过电分相区可减少司机的劳动强度，提高运行效率和主断路器的使用寿命。

1 自动过分相的主要方式

动车组自动过分相主要有车载分闸和不分闸两种方式。车载分闸自动过分相通过车上主断路器的分合实现。过分相时动车组存在分闸区，电分相区的中性段不带电。动车组通过电分相区时，地面应答器与列控装置和ATP配合，强行断开机车断路器。目前，欧洲一些国家采用这种方式，对我国也适用，我国250 km/h及以下线路采用地面磁缸式车载过分相装置，属车载分闸自动过分相范围。

动车组不分闸自动过分相是通过地面过分相开关的分合实现。过分相时电分相区的中性段带电，动车组主断路器不分闸，这种方式以日本新干线为代表，我国既有线上也有应用。动车组不分闸自动过分相与车载自动过分相的优缺点如下。

（1）根据铁道部科学技术司2009年度科研项目《客运专线电分相设置与运行时分关系的仿真评估》的初步研究结论，在20‰大坡道上的长无电区电分相，动车组以350 km/h过分相分闸区时，每个电分相引起的速度损失约16 km/h。根据实际运行经验，高速运行的动车组分闸过分相时，最大降速10～15 km/h，不分闸自动过分相可避免因无电区车载断路器分闸而引起无牵引力的降速，可避免给旅客或司机造成害怕停车的心理压力。在特定运输组织情况下，动车组能以很低的速度正常通过分相区。

（2）不分闸自动过分相对动车组不存在分相区，列车通过时与正常线路一样，不需要车载断路器频繁动作，可延长车载断路器寿命。

（3）信号系统不需要为动车组过分相的分闸区设置相应的应答器或磁缸。

（4）动车组不分闸自动过分相时，在切换相序的短暂时间内，动车组有较大的冲击电压，需要车载设备配合。

目前，动车组不分闸自动过分相装置研制成功，并在武广高速铁路乌龙泉牵引变电所试验运行。

2 动车组不分闸自动过分相系统的技术方案及特点

动车组不分闸自动过分相系统主要由信号系统、控保系统、执行系统三部分组成（见图1）。

（1）信号系统。在单侧钢轨上布设3个车轮传感器，组成AG，BG两个轨道分区（见图2）。为提高设备可靠性，采用两套相同的信号设备组成独立的信号系统，完全独立于目前的信号系统，不影响信号的正常运行。

（2）控制系统。由两套独立的控制装置构成，互为备用。每套开关系统具有独立的保护装置，可独立完成两套开关系统的控制，开关切换控制器采用FTMI 最小化故障影响原则设计。

（3）执行系统。由一主一备两套开关系统组成，采用高性能国际先进技术水平的负荷开关，布设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。由于采用双断口，单个灭弧室开距较小，波纹管伸缩距离变短，有利于延长使用寿命。每套开关系统设置3台断路器，用以快速切除故障。

动车组不分闸自动过分相系统应具有以下特点：一是安全性，确保不会危及旅客及公众，包括业主、工作人员的人身安全；确保在故障情况下能够保证运行安全，不引起安全灾难，不带电闯分相，烧毁接触网、受电弓，造成异相短路等；不引起接口系统故障。二是高可靠性，采用国际先进技术产品、成熟技术；采用两套开关装置冗余配备，故障情况下互相切换。三是高可用性，外界故障或人员疏忽引起的故障不应导致系统失效；与SCADA系统相连，具备故障诊断功能；通过合理设置过分相开关和信号装置，局部故障不会影响临线供电或缩小故障范围。四是可维护性，系统的所有单元应在维修时间内可进行维护，系统应给出具体的维护、维修要求，使系统可靠性和可用性性能一致；日常维护和矫正性维修应尽可能减少对运营的影响。

3 动车组不分闸自动过分相系统关键技术及设备

3.1 机车位置检测技术

动车组不分闸自动过分相系统检测机车位置的基本原理是，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，表明列车所在区段。检测设备由室内计轴主机设备及室外设备（车轮传感器、车轮电子检测盒）和与站内其他设备连接的电路等组成。检测设备具有以下特点：一是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；二是系统设计按故障-安全原则设计，具有极高的可靠性；三是传感器与主设备间的供电和信息传输采用恒流传输，受干扰影响小；四是检测区段运算单元独立，运算单元故障影响面小；五是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；六是系统采用星型网方式连接，具有较强的抗传输干扰能力；七是室外检测点连接简单，且不需要设置地线；八是器件选择采用工业级或军用级，保证设备可靠运行。

3.2 自动控制技术

基于FTMI最小化故障影响设计原则开发的自动控制系统在结构上分为应用服务层、集中控制层和分散控制层。

应用服务层主要作为过分相控制系统的信息处理（包括设备运行监视、远方控制、故障报警、历史数据存储等），由数据处理服务器和客户端服务器组成，如监控系统、集控系统、调度系统，信息的传输通过工业总线或以太网。

集中控制层完成过分相系统的信息采集（包括轨道计轴信号、过分相开关信号、断路器信号等）、逻辑处理、过分相和断路器的控制，由计轴信号系统、逻辑控制系统、开关执行机构等组成。

分散控制层完成远端牵引变电站信号的采集和控制，由设置在牵引变电站的远程I/O就地采集信号和控制出口，信息通过光纤总线网传送至集中控制系统，并接收集中控制系统发出的控制命令，实现牵引供电开关的分合。

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，应具有可靠性高、寿命长的特点。在武广高速铁路试验运行的动车组不分闸自动过分相装置采用的是东芝VSW-30MS自动过分相开关，具有高可靠性、寿命长的特点，在日本新干线有成熟的运行经验。东芝VSW-30MS自动过分相开关具有开断、关合负荷电流、过载及短路电流功能，主要用于电气化铁道电力系统切换变电所及分区供电所的不同电源对接区间电源。

（1）寿命长。机械寿命达到30万次，电气寿命达到15万次，检修周期长（5万次操作为一个检修周期），检修方便易操作。

（2）绝缘性能和灭弧性能强。主回路采用高性能真空灭弧室，采用双断口结构，增强主回路的耐压水平，提高击穿电压，减少发生重燃概率。

（3）机构可靠。采用电磁操作结构，大大减少开关的零部件，保证机械传动部分的使用寿命；采用两段操作线圈结构，具有操作电流小和动作时间短的特点。

[1]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]. 铁道标准与设计，2010（1）

[2]许惠敏，徐鸿燕. 自动过分相方式的选择与运营管理的匹配研究[G]//中国铁道学会交流论文，2006

[3]中铁第四勘察设计院集团有限公司. 万宜线长大高坡地段自动过分相方案的研究科研报告[R]，2003