动车组不分闸过电分相技术对比分析

杨 浩，韩正庆，崔建强

0 引言

为了减少牵引负荷给电力系统带来的负序影响，国内电气化铁道牵引变电所采用轮换接线，分段换相的接线方式。无论是直供、AT供电或者BT供电方式，在变电所的出口处和分区所都无可避免地要设置电分相。从目前国内外的研究现状来看，机车通过电分相的技术方案主要有3种：地面开关自动切换方案、柱上开关自动断电方案、车载自动控制断电方案[1～3]。

随着国内高速铁路的不断发展，自动过电分相的技术也在日益成熟。国内的高速铁路线路在通过电分相时主要采用车载自动控制断电方案，京沪高速铁路为了满足时速 350 km的世界最高运营速度，采用了动车组不分闸过电分相技术。所谓动车组不分闸过电分相技术是指：在地面自动过电分相系统的配合下，动车组不分开车上主断路器，带负荷通过电分相的运行技术[4]。

动车组不分闸自动过电分相系统主要由中性段、机车位置检测装置、切换控制装置和切换断路器4个部分组成。当动车组进入电分相的中性段之前，由机车位置检测装置发出机车位置信号，切换控制装置收到位置信号后控制相应的切换断路器合分。考虑到切换断路器在切换过程中可能出现的拒动和误动，还有开关检修，因而采取了不同的开关设置方案。本文就3种常见的电分相处的接线方案进行对比分析，并给出选取建议。

1 自动过电分相的工作原理

地面开关自动切换过电分相是当机车经过电分相时，通过预埋在地上的传感器 CG1—CG4检测机车的位置信号，并控制其相应的真空断路器的分合，实现电分相两端供电臂对电力机车轮换供电，其结构与原理如图1所示。当没有电力机车经过时，QF1处于合位，QF2分位。当机车经过CG1时，中性段由α相供电；当机车行驶到CG2尚未到达CG3时，传感器CG2控制QF1分位，QF2合位，此时中性段改由β相供电；当机车驶离CG4时，传感器CG4控制QF1合位，QF2分位，真空断路器QF1和QF2恢复到没有机车经过时的状态。机车反向行驶时的过程与上述过程类似。

图1 地面开关自动切换方案示意图

2 机车位置检测方案

由上述原理可知，动车组在通过电分相时，需要对动车组位置给出准确的判断，进而由切换控制装置向切换开关发出动作命令。然而考虑到不同的路况，比如桥梁、隧道、坡道或者驼峰场等，又有客运专线，货运专线，高速铁路专线线路的不同，并结合国内不同地区的气候环境和地理特点，因而在对机车位置检测时采取了不同的方案。

2.1 轨道电路检测方案

轨道电路检测方案工作原理：轨道电路以2条钢轨为导线，通过设置绝缘节使得信号电流只能在一定长度内流通，在该段长度内一端接上轨道电源，一端接上轨道继电器，形成一个轨道检测回路，传递列车对轨道的占用信息[5，6]。

轨道电路检测机车位置的方案主要应用于客运专线，ZPW-2000A移频轨道电路信息量大，具有滤波特性，不易受环境影响，被广泛应用于国内新型高速铁路。该方案与轨道关联密切，对轨道周围的环境敏感度不高，技术成熟，因而适用于新型客运专线和高速铁路专线。

2.2 计轴设备检测方案

计轴设备由电源、双磁头传感器、采集板、计轴板继电器输出单元和计轴器复位单元组成。其工作原理：在钢轨两侧安装计轴设备，检测列车通过线路上某一计轴点的车轴数，通过计算2个计轴点的轮轴数，判断轨道区段的占用情况[7，8]。

计轴设备安装简单，轨道区段长度不受设备本身限制，脱离了钢轨媒介，不受钢轨表面清洁度影响，没有轨道电路存在的“死区段”。但该设备易受金属物干扰，且工程造价相对较高。计轴设备检测技术较为成熟，在国内外已有很多成功的应用先例，因而可以广泛用于客运专线和高速铁路。

2.3 其他检测方案

除了上述2种常用的机车位置检测方案外，目前国内外应用的检测方案还有雷达系统位置检测、红外线系统位置检测、光幕设备位置检测以及射频接触卡位置检测。

其中雷达系统位置检测主要用于驼峰场测速，红外线系统位置检测主要用于货车低速检测，射频接触卡位置检测主要用于部分货运列车。但是目前上述技术尚不成熟，有待进一步研究与改进，结合国内各地区地理特点和环境因素可以参考使用。

3 切换开关的电气主接线

3.1 第1种接线方案

第1种切换开关电气主接线方案如图2所示，它的主要设备包括：2套切换监控装置（执行过电分相程序）；4台单极断路器（CB11、CB12、CB21、CB22，执行切换）；6台单极断路器（CB1—CB6，切换故障时强断）；保护装置（配以电流速断保护）；计轴装置（检测动车组位置）；CR装置（限制过电压）；6台避雷器（限制雷电）；2 km高压电缆；附件、箱体。

（1）可以采用圆弧边分析法。所谓3点决定一个圆，1994年7月的325点、2005年6月的998点及2013年6月的1849点可作一圆弧边，大致上支撑了2018年10月的2449点。但如今又再度接近此圆弧线，恐怕跌破的机会大一些。

图2 第1种切换开关电气主接线方案示意图

第1种方案的投资约为500万，其特点是地面冗余配置，两侧供电臂不用停电。

下面就不同工况下，各种开关的分合状况进行讨论：

（1）工况 1，正常运营情况下，动车组正向运行。动车组进入电分相之前，CB1、CB2、CB3和CB11处于合位状态，其余开关处于分位状态，此时，中性线由左边供电臂α相供电，动车组进入中性线后，由切换监控装置控制CB11分闸，经过300 ms的延时控制CB21合闸，此时中性线由右边供电臂β相供电。动车组通过电分相后，所有开关恢复到动车组进电分相之前的状态。

（2）工况2，动车组进入中性区，CB11拒分。此时单极断路器CB1—CB3强断，合CB4—CB6，再合上CB22。

（3）工况3，动车组进入中性区，CB11拒分，CB22拒合，此时单极断路器CB1—CB6全部强断。

（4）工况4，动车组进入中性区，CB11分闸后，CB21拒合。此时单极断路器CB1—CB3强断，合CB4—CB6，再合上CB22。

（5）工况5，装置检修状态。单极断路器CB1—CB6全部强断，仅CB11合闸。

（6）工况 6，机车进入中性段后停车。单极断路器CB1—CB6全部强断，仅CB11合闸，合上右边的隔离开关 GK2，使滞留在中性线的机车受电驶离中性线。

3.2 第2种接线方案

图3 第2种切换开关电气主接线方案示意图

第2种方案的投资约为450万，特点是地面开关切换过电分相技术与车载自动断电过电分相技术相配合，当地面开关发生双重切换故障时，启动车载自动断电过电分相，两侧供电臂不用停电，避免了机车带电闯电分相。

不同工况下，各种开关的分合状况如下：

（1）工况 1，正常运营情况下，动车组正向运行。动车组进入电分相之前，CB1、CB2、CB3和CB11处于合位，其余开关处于分位状态，此时，中性线由左边供电臂α相供电，动车组进入中性线后，由切换监控装置控制CB11分闸，经过300 ms的延时控制CB21合闸，此时中性线由右边供电臂β相供电。动车组通过电分相后，所有开关恢复到动车组进入电分相之前的状态。

（2）工况2，动车组进入中性区，CB11拒分。此时单极断路器CB1强断，再合上CB21，使中性线由右边供电臂β相供电。

（3）工况3，动车组进入中性区，CB1、CB11拒分。此时，单极断路器 CB2强断，其余开关不动作。

（4）工况4，动车组进入中性区，CB11分闸后，CB21拒合。此时，单极断路器CB22合闸。

（5）工况5，装置检修状态。单极断路器CB1—CB3全部强断，仅CB11合闸。

（6）工况 6，机车进入中性段后停车。单极断路器全部强断。合上右边的隔离开关 GK2，使滞留在中性线的机车受电驶离中性线。

3.3 第3种接线方案

第3种切换开关电气主接线方案如图4所示，它的主要设备包括：2套切换监控装置；4台单极断路器（CB11、CB12、CB21、CB22）；1 套连接柜（联跳临所）；2台三极手动隔离开关（G1、G2）；保护装置；轨道电路（检测动车组位置）；CR装置；6台避雷器（限制雷电）；2 km高压电缆；附件、箱体。

图4 第3种切换开关电气主接线方案示意图

第3种方案的投资约为500万，特点是地面冗余配置，切换故障则自动使两侧供电臂短时失电，并切换到备用机。

不同工况下，各种开关的分合状况如下：

（1）工况 1，正常运营情况下，动车组正向运行。动车组进入电分相之前，三极手动隔离开关G1处于合位，CB11合位，其余开关处于分位状态，此时，中性线由左边供电臂α相供电。动车组进入中性线后，由切换监控装置控制CB11分闸，经过300 ms的延时控制CB21合闸，此时，中性线由右边供电臂β相供电。动车组通过电分相后，所有开关恢复到动车组进电分相之前的状态。

（2）工况2，动车组进入中性区，CB11拒分。此时，三极手动隔离开关 G1分，合 G2，再合上CB22，使中性线由右边供电臂β相供电。

（3）工况3，动车组进入中性区，CB11拒分，CB22拒合。此时，G1分，G2分。

（4）工况4，动车组进入中性区，CB11分闸后，CB21拒合。此时三极手动隔离开关G1分，合上G2，再合上CB22，使中性线由右边供电臂β相供电。

（5）工况 5，装置检修状态。三极手动隔离开关G1、G2处于分位状态。仅CB11合闸。

（6）工况 6，机车进入中性段后停车。三极手动隔离开关G1、G2处于分位状态。合上右边的隔离开关 GK2，使滞留在中性线的机车受电驶离中性线。

上述3种主接线方案对比分析见表1所示。

表1 切换开关电气主接线3种方案对比分析表

4 分析结论

动车组不分闸过电分相技术中，对机车位置进行检测时，计轴设备脱离了钢轨媒介，对环境的敏感度不高，抗干扰能力强，技术也比较成熟，因而推荐在高速铁路中采用计轴设备检测动车组位置。

对于切换开关的电气主接线，第1种方案的优点是通过配备6个单极断路器实现常用—备用，设备的有效利用率高，可维护性强。缺点是采用单极断路器切换常用—备用，切换时间会成为切换故障时的问题。第2种方案优点是可靠性高，当地面开关切换出现双重切换故障时，转为动车组断电过电分相，避免了动车组带电闯电分相。缺点是双重切换故障或整体检修时需要车载应答器断开动车组主断路器。第3种方案优点是依靠准确的故障检出和停电处理实现极少的越区事故。缺点是和两相邻的牵引变电所的关联密切，是大规模的系统。从工程造价来看，第2种方案要较为便宜，所需的开关数量相对较少，但是动车组检测装置需要配备1套动车组应答器。

正常运行时，3种方案下动车组都会有300 ms的短时失电，故障时 3种方案的停电时间略有不同。第1种方案和第2种方案对牵引供电系统的影响可以不予考虑，但第2种方案需要与车辆协调配合，第3种方案发生故障时需要将两侧相邻的变电所停电。综合各方面来看，结合国内高速铁路的实际情况，以及第1种方案在国内成功应用经验，故推荐切换开关的电气主接线采用第1种方案。

[1]严云升.电力机车自动过分相方案的探讨[J].机车电传动，1999，（6）：1-3.

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