地面自動過分相系統(tǒng)列車位置檢測及智能復(fù)原技術(shù)

肖培龍

（北京電鐵通信信號勘測設(shè)計院有限公司，北京 100036）

電氣化電力牽引供電區(qū)段，兩個不同牽引變電所供電分界點(diǎn)之間會存在相位差，電力機(jī)車受電弓經(jīng)過電分相區(qū)時，會產(chǎn)生瞬間高電壓，拉弧燒損接觸網(wǎng)設(shè)備和受電弓。

為了解決電氣化區(qū)段電力機(jī)車安全越過電分相問題，目前一般在分界點(diǎn)處設(shè)一段無電過渡區(qū)，通常稱為分相區(qū)，讓電力機(jī)車斷電后滑過分相區(qū)，然后再接通新相區(qū)接觸網(wǎng)供電。

1 電力機(jī)車過分相區(qū)的傳統(tǒng)方法

目前在我國電力機(jī)車過分相區(qū)的傳統(tǒng)方法主要有：司機(jī)人工確認(rèn)斷電法、地面設(shè)備通知司機(jī)人工斷電法以及車載設(shè)備自動斷電法。

1.1 司機(jī)人工確認(rèn)斷電法

本辦法為最原始斷電法，在地面自動通知設(shè)備或車載自動過分相設(shè)備故障時，仍采用本方法。

在分相區(qū)地面設(shè)立斷電標(biāo)、禁止雙弓標(biāo)、合電標(biāo)，以及準(zhǔn)備降弓標(biāo)、降弓標(biāo)、升弓標(biāo)，由司機(jī)根據(jù)地面標(biāo)志牌提示進(jìn)行操作，人工控制降落受電弓。當(dāng)列車滑行越過分相區(qū)時，再由司機(jī)人工控制升起受電弓，讓列車安全越過電分相區(qū)。

此種斷電法，司機(jī)勞動強(qiáng)度大，司機(jī)必須時刻注意地面標(biāo)志牌。在車速不高的情況下，司機(jī)尚可應(yīng)付，一旦車速較高，此種過電分相區(qū)的方法將存在較大安全隱患。

1.2 地面設(shè)備通知司機(jī)人工斷電法

此辦法由地面設(shè)立通知設(shè)備，在列車接近電分相區(qū)時，自動通知司機(jī)注意降弓操作，在列車越過電分相區(qū)時，再自動通知司機(jī)采取升弓操作。目前一般采用磁鋼作為自動通知設(shè)備使用。

此種方式，已明顯減輕了司機(jī)勞動強(qiáng)度，但還不能完全解放司機(jī)，升降弓操作仍需由司機(jī)來完成。

1.3 車載設(shè)備自動斷電法

地面設(shè)備自動通知車載設(shè)備，并由車載設(shè)備自動切斷車輛與接觸網(wǎng)的連接，使列車自動滑行越過電分相區(qū)，再由地面設(shè)備通知車載設(shè)備自動接通接觸網(wǎng)供電，確保列車安全越過電分相區(qū)。

此方案已廣泛應(yīng)用于高速鐵路及客運(yùn)專線。通常采用信標(biāo)應(yīng)答器作為通知設(shè)備。但在普速線路，也有采用磁鋼、射頻非接觸卡等設(shè)備作為通知設(shè)備。

2 地面自動過分相與車載自動過分相差異性分析

目前，國際上自動過分相區(qū)的方法主要有兩種：一種是以歐洲為代表的車載設(shè)備自動斷電過分相，習(xí)慣稱為車載自動過分相；另一種是以日本為代表的地面設(shè)備自動切換供電過分相，習(xí)慣稱為地面自動過分相。

車載設(shè)備自動過分相與地面設(shè)備自動過分相之間的差別，主要在于過電分相時的供電方式。車載設(shè)備自動過分相是由地面設(shè)備通知車載設(shè)備自動斷電后滑行過分相，然后再供電；地面設(shè)備自動過分相是由地面設(shè)備自動切換供電分區(qū)、在列車不斷電前提下自動過分相。

車載自動過分相因要失電滑行通過電分相區(qū)，列車運(yùn)行速度將會有所降低，線路運(yùn)能也會受影響。此種方式是由車載設(shè)備自動跳閘斷電、再切換供電通過分相區(qū)，車載設(shè)備動作頻繁，對車載設(shè)備真空斷路器生命周期影響較大，維修更換不便。

地面自動過分相采用列車位置檢測方式，預(yù)先為列車準(zhǔn)備同相供電分區(qū)，當(dāng)列車完全進(jìn)入同相分區(qū)時，再由地面設(shè)備自動切換供電分區(qū)，確保列車同相通過電分相區(qū)。此方式主要在電分相區(qū)地面設(shè)置自動轉(zhuǎn)換設(shè)備，列車上無需安裝轉(zhuǎn)換切換設(shè)備，日常維護(hù)檢修作業(yè)均改在地面，減輕車輛維修壓力。

3 地面自動過分相系統(tǒng)簡單工作原理

地面自動過分相系統(tǒng)，其工作原理很簡單，平常接觸網(wǎng)中性區(qū)處于A相區(qū)供電狀態(tài)（以正向運(yùn)行為例，如圖1所示），當(dāng)列車完全進(jìn)入接觸網(wǎng)中性區(qū)時，真空斷路器跳閘，改由B相區(qū)向接觸網(wǎng)中性區(qū)供電，如圖2、3所示，真空斷路器切換時間不大于0.3 s，當(dāng)列車完全出清中性區(qū)后，再將中性區(qū)電源改為A相供電，以便下次列車運(yùn)行。

當(dāng)列車反方向運(yùn)行時，在列車反向接近分相區(qū)時，需先將接觸網(wǎng)中性區(qū)電源由A相供電改為B相供電，如圖4所示，以保證列車安全進(jìn)入接觸網(wǎng)中性區(qū)。當(dāng)列車完全進(jìn)入中性區(qū)時，再將中心區(qū)電源切換至A相供電，如圖5所示，以利列車安全駛?cè)階相區(qū)。列車駛出中心區(qū)并完全駛?cè)階相區(qū)后，中性區(qū)仍保留A相區(qū)供電，以便下次正向列車運(yùn)行，如圖6所示。

4 列車位置檢測

地面自動過分相系統(tǒng)主要依賴于列車位置檢測技術(shù)，通過列車位置檢測設(shè)備通知真空斷路器跳閘切換時機(jī)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)列車不失電通過電分相區(qū)（瞬間失電時間不大于0.3 s）。

列車位置檢測技術(shù)有多種，主要有利用軌道電路檢測方式、計軸設(shè)備檢測方式、磁鋼設(shè)備檢測方式、射頻卡檢測方式等。

軌道電路檢測方式，是在原有區(qū)間自動閉塞軌道電路基礎(chǔ)上疊加一套互不干擾的軌道電路設(shè)備，或充分利用既有區(qū)間自閉軌道電路，綜合設(shè)計和考慮，共同使用。

計軸檢測方式，是在電分相區(qū)獨(dú)立設(shè)置計軸設(shè)備，利用計軸特性構(gòu)成列車位置檢測條件。目前有在單軌條設(shè)置的方案，也有在雙軌條上設(shè)置的方案。

磁鋼檢測方式，是目前車載設(shè)備自動過分相的常用檢測方式，也可用于地面自動過分相列車位置檢測，但其安全可靠性還有待于進(jìn)一步驗證。

射頻卡檢測方式，是一種較新的檢測方案，但需在列車上安裝相應(yīng)的射頻卡，對列車交路規(guī)定較嚴(yán)，其他未安裝射頻卡的列車不能上道運(yùn)行。

經(jīng)綜合分析，結(jié)合我國自動閉塞特點(diǎn)，考慮到地面自動過分相系統(tǒng)特性要求，從故障-安全角度出發(fā)，選用計軸設(shè)備作為地面自動過分相區(qū)列車位置檢測設(shè)備，采用單軌條布置計軸點(diǎn)并冗余配置。采用軌道電路作為列車位置檢測，效果會更好，但必須與區(qū)間自動閉塞系統(tǒng)一并設(shè)計，綜合考慮，資源共享?？紤]到我國維修體系，以及工程實(shí)施難易程度，還是推薦采用計軸系統(tǒng)設(shè)備，獨(dú)立使用。具體如圖7所示。

其中：A、B點(diǎn)計軸設(shè)備為列車正向接近電分相區(qū)檢測設(shè)備，同時也作為列車正向完全進(jìn)入接觸網(wǎng)中性段的檢測設(shè)備，反方向運(yùn)行時又作為列車進(jìn)入A相區(qū)檢測條件及反向復(fù)原檢測條件；B、C點(diǎn)為列車正向進(jìn)入接觸網(wǎng)中性段的檢測條件，反向運(yùn)行時又作為列車完全進(jìn)入接觸網(wǎng)中性段及出清接觸網(wǎng)中性段的檢測條件；C、D點(diǎn)為列車正向完全進(jìn)入接觸網(wǎng)中性段的檢測條件，同時也是列車正向完全出清接觸網(wǎng)中性段的檢測條件，反向運(yùn)行時作為列車進(jìn)入接觸網(wǎng)中性段檢測條件；D、E點(diǎn)是列車進(jìn)入B相分區(qū)的檢測條件，同時也是反方向運(yùn)行列車完全進(jìn)入接觸網(wǎng)中性段的檢測條件；E、F點(diǎn)是列車正向完全進(jìn)入B相區(qū)的檢測條件，也是反方向運(yùn)行列車接近中性區(qū)的冗余檢測條件；F、G點(diǎn)是反向運(yùn)行列車接近檢測條件。

5 冗余配置

列車位置檢測在地面自動過分相系統(tǒng)中有著舉足輕重的作用，一旦其故障，整個系統(tǒng)則立即停用，嚴(yán)重危及行車安全。

考慮到計軸系統(tǒng)設(shè)備特點(diǎn)，在遇干擾或故障情況下，一時難以恢復(fù)正常，嚴(yán)重危及行車安全。故很有必要采用冗余配置技術(shù)。

從圖7計軸設(shè)備布置圖可以看出，C點(diǎn)是正向運(yùn)行時A、B點(diǎn)設(shè)備的冗余配置，一旦A、B點(diǎn)設(shè)備故障，只要列車正向進(jìn)入C點(diǎn)（設(shè)計時已將BC間隔設(shè)計為大于一列車長），表明列車已完全進(jìn)入中性段，即將接觸網(wǎng)中性段由A相供電改為B相供電，確保A、B點(diǎn)故障時地面自動過分相系統(tǒng)仍能正常工作。同時C點(diǎn)也是反向運(yùn)行時判斷列車完全進(jìn)入中心區(qū)的冗余檢測點(diǎn)，在D、E點(diǎn)故障情況下，仍能由C點(diǎn)冗余設(shè)備發(fā)揮重要作用。

F、G點(diǎn)是列車正向運(yùn)行時D點(diǎn)或E點(diǎn)故障情況下的冗余配置點(diǎn)。在列車正向出清中性區(qū)時，即使D、E點(diǎn)故障，仍能由F、G點(diǎn)設(shè)備提供中性區(qū)切換信息，讓接觸網(wǎng)中性區(qū)由B相供電改為A相供電，以便后續(xù)列車正常進(jìn)入分相區(qū)。

E點(diǎn)是F、G點(diǎn)故障情況下反向運(yùn)行列車檢測冗余配置點(diǎn)。反向運(yùn)行情況下，必須在列車接近分相區(qū)時，先將接觸網(wǎng)中性區(qū)A相供電電源改為B相供電，然后才能讓列車安全進(jìn)入中性區(qū)，故反向接近列車檢測必須冗余配置。

6 智能復(fù)原

采用計軸作為列車位置檢測設(shè)備，在遇干擾而多計軸或少計軸的情況下，系統(tǒng)復(fù)原一般均需人工參與。但接觸網(wǎng)分相區(qū)一般在區(qū)間較多，電分相區(qū)大多無人值守，在遇計軸設(shè)備故障情況下，很有必要采用智能復(fù)原技術(shù)。

利用列車順序占用、順序出清的時序邏輯特點(diǎn)，在列車完全出清電分相區(qū)后，若有某一點(diǎn)計軸設(shè)備未能及時復(fù)原，則可判定該點(diǎn)多計軸或少計軸，應(yīng)予以立即清零復(fù)原。在計軸設(shè)備配置中，采用冗余配置也是智能復(fù)原技術(shù)的關(guān)鍵一環(huán)。利用冗余配置，即使某一計軸點(diǎn)故障，也不會影響整個地面自動過分相系統(tǒng)正常工作，通過周邊計軸點(diǎn)設(shè)備工作狀況予以判斷。只要其與相鄰計軸點(diǎn)有差異，即可說明其發(fā)生故障。待周邊計軸點(diǎn)復(fù)原后，通過智能判斷即可清零復(fù)原。

在首尾兩端計軸點(diǎn)均無計軸數(shù)情況下，若中間某點(diǎn)計軸設(shè)備突然計數(shù)，則說明有干擾存在，該點(diǎn)計軸數(shù)可以予以清零復(fù)原。

在首尾兩端首個計軸點(diǎn)故障情況下，一時難以判斷是列車真正占用還是干擾引起計數(shù)，但通過冗余配置后不影響系統(tǒng)正常使用。待后續(xù)各點(diǎn)計軸設(shè)備正常計軸后，即可判斷該首個計軸點(diǎn)設(shè)備是否工作正常。若不正常計數(shù)，則予以清零復(fù)原。

在列車運(yùn)行方向末端最后一個計軸點(diǎn)設(shè)備故障情況下，通過冗余配置，對系統(tǒng)正常復(fù)原不會有影響，但不能判斷列車是否完全出清該計軸點(diǎn)，利用列車運(yùn)行移動授權(quán)命令是由信號系統(tǒng)自動閉塞設(shè)備提供的條件，線路上還有一套信號系統(tǒng)設(shè)備檢測列車占用情況，待下一列車接近本分相區(qū)時，表明本分相區(qū)已經(jīng)無車占用，后續(xù)列車可以通過運(yùn)行，或既使前行列車長期停在最末計軸點(diǎn)內(nèi)方，后續(xù)列車也很難跟進(jìn)至接觸網(wǎng)中性區(qū)（追蹤安全距離不夠），故在后續(xù)列車越過中性區(qū)C點(diǎn)后，即可將最末一個計軸點(diǎn)計軸數(shù)予以清零復(fù)原。

7 結(jié)語

通過武廣客運(yùn)專線烏龍泉站試驗以及鐵科研環(huán)行道試驗，表明列車位置檢測方案及智能復(fù)原技術(shù)方案可行，現(xiàn)場試用情況良好，可以在客運(yùn)專線推廣使用。

采用地面自動過分相系統(tǒng)后，可以減輕司機(jī)勞動強(qiáng)度，減緩機(jī)車車輛維修周期壓力，提高線路通行能力。但我國目前客運(yùn)專線均按車載自動過分相系統(tǒng)設(shè)計，機(jī)車車輛也是按車載自動過分相系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，CRH3型車失電保護(hù)恢復(fù)時間過長，不能確保列車失電時間不大于0.3 s的技術(shù)條件，在CRH3型車失電保護(hù)恢復(fù)時間內(nèi)仍需滑行通過分相區(qū)，失去了地面自動過分相區(qū)的優(yōu)勢，且目前尚無配套的地面自動過分相系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范，要想推廣使用地面自動過分相系統(tǒng)，還有很多工作需要去做。

[1] 廖軍華．鐵路技術(shù)創(chuàng)新，2011（第1期）自動過分相地面感應(yīng)裝置在高速鐵路中的應(yīng)用

[2] 朱學(xué)輝，陳玉泉，張虎年，等．關(guān)節(jié)式電分相線索燒損原因及防范措施[J]．電氣化鐵道，2007(4)：32-35.