客運專線電分相錨段關節(jié)形式的比較分析

梁艷明，趙曉娜，劉京童，李 康，陳小峰，孫寶磊，趙軍亮

0 前言

為適應高速鐵路的弓網(wǎng)受流，2005 年國內(nèi)頒布的《新建時速200 公里客貨共線鐵路設計暫行規(guī)定》中規(guī)定：時速200 km 以上接觸網(wǎng)的電分相均采用帶中性段的絕緣錨段關節(jié)式電分相。電分相錨段關節(jié)在設計上都必須滿足以下幾個最基本要求：保證受電弓的平滑過渡；每個斷口（空氣絕緣間隙）必須能滿足相間絕緣要求；斷口間距應與機車受電弓間距滿足一定的配合關系，即有2 個斷口電分相錨段關節(jié)（含3 個斷口除外）的間距≠重聯(lián)或大編組動車組允許同時升起的2 個受電弓間的距離，防止2 個受電弓同時將2 個斷口短接造成相間短路；設置位置符合線路坡度及距信號機距離要求。

在目前國內(nèi)已投運的客運專線上均采用帶中性段的絕緣錨段關節(jié)式電分相，其形式主要有六跨、八跨、十二跨等。每一種形式在設計中均能滿足電分相錨段關節(jié)基本要求，但在實際應用中又存在一些問題。為推進國內(nèi)接觸網(wǎng)標準化工作進程，提高運營管理效率，下面從供電調(diào)度員的視角對目前客運專線上運用的幾種典型的電分相式錨段關節(jié)的優(yōu)劣進行比較分析，希望能對客運專線接觸網(wǎng)電分相設計提供借鑒。

1 雙斷口十二跨電分相錨段關節(jié)

目前京津城際鐵路采用的是十二（三）跨的長分相設計模式，即電分相無電區(qū)長度大于雙弓間距。按照重聯(lián)動車組受電弓前后車都升前弓或前后車都升后弓的運行方式，雙弓間距為200～215 m，無電區(qū)長度約為220 m。動車組斷電過分相，地面信號采用點式應答器方式。雙弓運行時動車組斷電滑行距離在800 m 以上，滑行時間約為10 s（300 km/h 速度下），速度損失很大。其分相示意圖如圖1。

圖1 十二跨絕緣錨段關節(jié)式電分相平面示意圖

京津城際鐵路錨段關節(jié)式電分相的設計優(yōu)勢在于它對2 個斷口（空氣絕緣間隙）都加裝了網(wǎng)上隔離開關（以下簡稱網(wǎng)隔）。在實際運行中發(fā)現(xiàn)該雙斷口雙網(wǎng)隔的設計使越區(qū)供電非常方便：

（1）牽引變電所一邊供電臂失電需越區(qū)供電時，可用同一變電所的1#、2#饋線與3#、4#饋線相互越區(qū)供電，而不需調(diào)整保護定值（因為饋線的主保護為阻抗保護）。

（2）需要跨越分區(qū)所越區(qū)供電時，分區(qū)所內(nèi)的越區(qū)隔離開關與分區(qū)所接觸網(wǎng)分相的網(wǎng)上隔離開關互為備用，確保越區(qū)供電的成功。

（3）當需要采用越區(qū)法處理動車停于無電區(qū)故障時方便快捷，供電調(diào)度員通過遠動系統(tǒng)在幾分鐘左右即可完成。

但該長分相也會對運行產(chǎn)生諸多不利，主要有以下幾方面：

（1）無電區(qū)過長使動車在運行過程中速度損失嚴重。

（2）增加了機車停于無電區(qū)事件的發(fā)生概率。據(jù)統(tǒng)計，2009 年京津城際鐵路累計發(fā)生了12 次動車停于分相無電區(qū)事件。雖然多數(shù)是由ATP 故障引起，但無電區(qū)距離過長（機車不能取流的等效無電區(qū)在300 m 以上）也是一個主要原因。

（3）限制運行方式。不能滿足重聯(lián)動車組前車升前弓+后車升后弓的運行方式（2 個受電弓的距離在250 m 以上，有同時短接2 個斷口的可能），而且每一列8 輛編組動車組設計2 個受電弓是為了互為備用，在重聯(lián)運行時除了前車升后弓+后車升前弓的方式是由于受電弓間距小于200 m 不能采用外，其他3 種方式（前后車都升前弓、前后車都升后弓、前車升前弓+后車升后弓）均應能靈活運用。在某種特定條件下，如果恰好重聯(lián)動車組前車的后弓與后車的前弓同時故障，重聯(lián)動車組還不能雙弓運行，有違設計初衷。

2 雙中性段三斷口八跨電分相錨段關節(jié)

雙中性段三斷口八跨電分相錨段關節(jié)形式是為解決客貨混跑電力機車受電弓多弓運行條件限制，特從意大利羅馬—那不勒斯（Rome—Naples）高速電氣化鐵道設計中引進的。它實際上是由3 個連續(xù)的絕緣錨段關節(jié)組成，有2 個中性段，3 個斷口。無電區(qū)長度約98 m，中性區(qū)長度為285 m。動車組斷電過分相，斷電滑行距離約528 m，滑行時間約為7 s（300 km/h 速度下），速度損失也較大。該電分相錨段關節(jié)可以適應于無高壓母線連接的任意雙弓間距運行。目前已在國內(nèi)石太、武廣等客運專線上采用。示意圖如圖2 所示。

該電分相錨段關節(jié)有以下優(yōu)點：

（1）解決了受電弓間距的制約問題。

（2）如果發(fā)生動車停于無電區(qū)內(nèi)，“有可能”在兩側饋線不停電的情況下將動車救援出無電區(qū)。

圖2 八跨絕緣錨段關節(jié)式電分相平面示意圖

但在實際運行中也有諸多不便：

（1）越區(qū)供電不靈活。因為它有3 個斷口，但一般只裝2 臺網(wǎng)隔，所以無法通過它完成越區(qū)工作，使得同一變電所兩側供電臂不能互越（1#、3#饋線間與2#、4#饋線間）。另外，更為重要的是：當需要跨分區(qū)所越區(qū)供電而恰好分區(qū)所遠動操作失靈時，會給運行帶來極為不利的影響。因為分區(qū)所多為無人值守，且離檢修工區(qū)較遠，所以唯一的解決方法只能是等人員趕到分區(qū)所進行當?shù)夭僮鳌Ｈ绻鞖獠缓闷嚐o法到達現(xiàn)場，還需調(diào)用綜合檢修作業(yè)車，情況會變得相當復雜。

（2）動車停于無電區(qū)時救援更加復雜。該3斷口電分相雖說可在兩側饋線不停電的情況下通過網(wǎng)隔操作將動車救出無電區(qū)，但實際操作過程復雜，對運輸?shù)挠绊懜鼮椴焕Ｒ坏﹦榆囃Ｓ跓o電區(qū)，首先要通過列調(diào)令動車降弓，相關的2 條供電臂所有動車都降弓，2 條供電臂退出并聯(lián)。然后令停于無電區(qū)的動車司機下車確認受電弓的位置，如果受電弓升起后的接觸點位于危險區(qū)（如圖3 所示）之外，則可通過合前方網(wǎng)隔讓動車前進，或合后方網(wǎng)隔讓動車向后退出無電區(qū)。但如果受電弓與接觸線的接觸點恰好在危險區(qū)內(nèi)，則須調(diào)用其它機車將其拖出無電區(qū)。為便于說明問題現(xiàn)將圖2 陰影部分的立面圖放大繪制如圖3。

如受電弓恰好在圖3 所示A 點，升弓后受電弓受力在虛線中性段，而與實線中性段虛接。合上W2后機車同樣會檢測到網(wǎng)壓正常，如果機車此時合主斷路器啟動，較大的啟動電流會引起拉弧。加之此時受電弓滑板與接觸線相對移動速度較慢，電弧熱量在局部積累，可能燒損接觸線而后果嚴重。

圖3 八跨電分相中心部分立面圖

由此可知：動車司機下車確認受電弓位置，列車調(diào)度協(xié)調(diào)聯(lián)系，供電調(diào)度進行判斷，該過程即復雜又耗時，而且如果受電弓就在危險區(qū)內(nèi)，則以上所做的工作均是徒勞的。而京津城際鐵路的雙斷口雙網(wǎng)隔分相在該情況下只需降弓、解環(huán)、斷開兩側電源然后用網(wǎng)隔越區(qū)即可，既簡單又快捷。

3 雙斷口六跨電分相錨段關節(jié)

雙斷口六跨電分相是借鑒法國高速鐵路的一種短分相設計模式，即雙弓間距大于中性區(qū)的長度。其有2 個斷口，但只在運行方向上裝設1 臺網(wǎng)隔。無電區(qū)約22 m，等效無電區(qū)約35 m，中性區(qū)的距離小于190 m。動車組斷電過電分相，地面信號采用點式應答器方式，雙弓運行時動車組斷電滑行距離在400 m 以上，滑行時間約5 s（300 km/h速度下），速度損失最小。目前在國內(nèi)合武客運專線等線路上大量采用。示意圖如圖4 所示。

圖4 六跨絕緣錨段關節(jié)式電分相平面示意圖

該短分相模式的優(yōu)點是：動車斷電滑行距離短，速度損失??；無電區(qū)短，較少發(fā)生動車停于無電區(qū)故障；對動車組的升弓方式制約小。其不足之處是：2 個斷口只裝設1 臺網(wǎng)隔，制約了越區(qū)供電的靈活性，它的設計初衷可能是防止2 個斷口都裝設網(wǎng)隔，一旦同時誤合會造成相間斷路，其實只需將2 臺網(wǎng)隔加裝電氣閉鎖，將解鎖權留到調(diào)度端即可；救援方式復雜，當動車停于無電區(qū)時也需要動車司機下車確認受電弓不在危險區(qū)（靠近分相內(nèi)未裝網(wǎng)隔側接觸線與中性線轉換處）內(nèi)，方可采用合網(wǎng)隔的方式救援，由于其無電區(qū)較短，一旦發(fā)生動車帶電過分相，則高速通過的受電弓將電弧拉長，可能通過電弧造成相間短路。

4 綜合分析

2009 年10 月1 日起施行的鐵道部TG/03-2009規(guī)定：200～250 km/h 客運專線接觸網(wǎng)分相裝置應采用帶中性段的空氣間隙的錨段關節(jié)形式。中性段長度應小于200 m 或無電區(qū)長度大于220 m。這是指電分相錨段關節(jié)設計的2 種主要模式：短分相設計模式（受電弓間距離大于中性段的長度）和長相設計模式（受電弓間距離小于電分相無電區(qū)的長度）。此外，還有以上提到的3 個斷口設計模式。

長分相設計模式主要適用于不斷電自動過電分相技術。如日本新干線采用的地面開關站切換方式，預留一個較長的中性段以保證列車高速通過時能可靠完成機車位置判定及電源切換等工作。無電區(qū)長度不影響斷電時間間隔（約0.1～0.15 s）。該不斷電自動過電分相技術目前在國內(nèi)還不是很成熟，其所需投資龐大，技術較高。因此長分相設計模式在京津城際鐵路之后的其他客運專線接觸網(wǎng)設計中均未被再次采用。

短分相設計模式則更適用于地面感應車載自動斷電過分相技術。國內(nèi)已投運的客運專線基本均采用地面感應車載自動斷電過分相技術。它是一種比較適合國內(nèi)當前現(xiàn)實的動車過分相技術，它投資小、維護方便、可靠度和安全性較高，且可預留一個合適的時限完成電源切換工作，從而避免瞬間換相對機車電路及牽引網(wǎng)保護提出的更高技術要求。而短分相模式是與之相適應的較為合理的分相設計模式，它可以長效提高列車運行速度、節(jié)約能源、方便調(diào)度運維。同時應借鑒京津城際鐵路的雙斷口雙網(wǎng)隔模式，在分相的2 個斷口裝設2 臺網(wǎng)隔并進行電氣閉鎖，以利于越區(qū)供電的靈活性。因為越區(qū)供電對提高牽引供電可靠性有著非常重要的意義。

至于雙中性段三斷口八跨電分相錨段關節(jié)主要是出于多弓運行來考慮的。但高速鐵路要求雙弓間距不能太近，否則后弓的閃弧會對接觸線造成傷害，影響受流質量。目前國內(nèi)客運專線弓網(wǎng)受流質量評價標準引用了歐洲TSI 標準，允許雙弓間最小距離200 m。所以客貨混跑及多弓運行問題應通過技術管理規(guī)定或行車組織規(guī)定等方法加以解決。該電分相由于其斷電滑行距離較長且存在上述不利運行的因素（如果在3 個斷口都加裝網(wǎng)隔的話，則每個電分相上下行就需要6 臺網(wǎng)隔，這樣既增加了投資，同時也增加了操作難度及故障概率），因此在今后的客運專線接觸網(wǎng)設計中不建議繼續(xù)采用。

綜上所述，電分相錨段關節(jié)在設計上除了要滿足最基本要求外，還應滿足：

（1）電分相錨段關節(jié)的設計模式必須與所采用的動車過電分相技術相適應。

（2）通過電分相錨段關節(jié)的網(wǎng)隔應能完成越區(qū)供電，以提高越區(qū)供電的靈活性及牽引供電的可靠性。

示意圖如圖5。

圖5 七跨絕緣錨段關節(jié)式電分相平面示意圖

在目前國內(nèi)采用地面感應車載自動斷電過分相技術的條件下，應采用短分相設計模式，即采用七跨雙斷口雙網(wǎng)隔電分相錨段關節(jié)，將上述六跨電分相錨段關節(jié)的等效無電區(qū)距離再延長一個跨距，以避免地面感應車載自動斷電系統(tǒng)故障，發(fā)生動車帶電過分相時高速運行的受電弓拉長電弧將異相短接。同時在分相的2 個斷口都加裝網(wǎng)隔，并進行電氣閉鎖，以利于越區(qū)供電。

5 結束語

當前，為滿足快速增長的旅客運輸需要，各條客運專線快速上馬，3 個城際快速客運系統(tǒng)及“四縱四橫”快速客運主通道正在形成。中國高速鐵路技術也進入了一個從博采眾長、消化吸收到自成體系、自主創(chuàng)新的關鍵階段。這也對每位從事牽引供電運維人員提出了全新挑戰(zhàn)。自動過電分相技術是高速鐵路牽引供電系統(tǒng)關鍵技術之一。只有通過不同形式的電分相錨段關節(jié)在客運專線運營效果的總結，才能找到適合的最佳設計方案，逐步形成具有中國特色的高速鐵路接觸網(wǎng)設計標準體系。

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