關(guān)于電力機車(chē)過(guò)分相問(wèn)題的探討論文
0引言
為使電力系統三相負荷盡可能平衡，電氣化鐵道的接觸網(wǎng)采用分段換相供電。為防止相間短路，在不同相供電臂之間的連接處用絕緣裝置分割，形成了二個(gè)供電臂之間絕緣分割區域，稱(chēng)為分相區。電力機車(chē)在進(jìn)入分相區前，通過(guò)“人控”(司機操作)或“機控”(設備控制)2種方法，切斷機車(chē)用電負載，使電力機車(chē)受電弓在無(wú)電流情況下滑行通過(guò)分相區后，再恢復機車(chē)用電負載。上述“人控”和“機控”的2種過(guò)分相操作方法，由于受操作者可能存在的失誤和設備故障失控，帶電過(guò)分相的現象還難以杜絕，而一旦發(fā)生，輕則受電弓、分相裝置受損，嚴重時(shí)造成接觸網(wǎng)燒損，中斷鐵路運輸，給電氣化鐵路行車(chē)安全構成嚴重威脅。因此，研究和完善過(guò)分相的設備改進(jìn)方案，強化配套的管理工作，提升電力機車(chē)過(guò)分相的可靠性成為十分重要的課題。
1過(guò)分相裝置原理簡(jiǎn)述
目前國內外研究和采用的自動(dòng)過(guò)分相裝置，技術(shù)方案有3種：即地面開(kāi)關(guān)自動(dòng)切換方案，柱上開(kāi)關(guān)自動(dòng)斷電方案，車(chē)上自動(dòng)控制斷電方案。
1)地面開(kāi)關(guān)自動(dòng)切換方案
日本新干線(xiàn)采用地面開(kāi)關(guān)自動(dòng)切換過(guò)分相方案。在接觸網(wǎng)分相處設置一個(gè)中性區段，兩端分別由絕緣器F1、F2與二相接觸網(wǎng)絕緣，一般采用錨段關(guān)節結構，以保證受電弓滑過(guò)時(shí)能連續受流。2臺真空斷路器S1、S2分別跨接在接觸網(wǎng)兩相上并能通過(guò)它們向中性區段供電，在無(wú)機車(chē)通過(guò)時(shí)，S1閉合、S2斷開(kāi)。鋼軌兩側設置4個(gè)機車(chē)位置感應器CG1~CG4(或利用軌道電路實(shí)現位置檢測)，當機車(chē)駛入CG1點(diǎn)時(shí)，機車(chē)自然由A相供電;當機車(chē)駛入CG2點(diǎn)，但還未到CG3點(diǎn)時(shí)，控制電路使斷路器S1斷開(kāi)，S2閉合，此時(shí)中性段由B相供電;當機車(chē)駛出CG4點(diǎn)時(shí)，控制電路使S1閉合，S2斷開(kāi)，恢復到?jīng)]機車(chē)時(shí)的狀態(tài)。機車(chē)反向通過(guò)分相區時(shí)CG1~CG4發(fā)出相反順序動(dòng)作。工程實(shí)施要考慮設備在線(xiàn)檢修備份等因素并設置分區所，實(shí)際方案較以上復雜得多。這種過(guò)分相方案斷電時(shí)間約0.1~0.15s，其優(yōu)點(diǎn)是：接觸網(wǎng)無(wú)供電死區，無(wú)需司機操作，車(chē)上主斷路器無(wú)須動(dòng)作，自動(dòng)換向時(shí)接觸網(wǎng)中性段瞬間斷電時(shí)間短，可適用于不同機車(chē)速度;缺點(diǎn)是：過(guò)分相后合閘的電流沖擊較大，建造和運行維護費用很高。
2)柱上開(kāi)關(guān)自動(dòng)斷電方案
瑞士等國家采用此方案，我國原福州鐵路分局曾從瑞士AF公司引進(jìn)，安裝于鷹廈線(xiàn)運用。其結構原理如圖2。它由2個(gè)真空磁控線(xiàn)包L1、L2，真空斷路器K1、K2，過(guò)電壓吸收器MDA，以及相應的接觸網(wǎng)分段組成。在設備和結構上對稱(chēng)分布，以適應正、反向行車(chē)要求。其基本原理是利用機車(chē)通過(guò)磁控線(xiàn)包受流區b段和h段時(shí)使L1、L2受流，產(chǎn)生真空斷路器K1、K2分閘動(dòng)作和真空滅弧，切斷機車(chē)供電，使機車(chē)不帶電通過(guò)分相主絕緣區e段。其特點(diǎn)是設備布置在支柱上，結構簡(jiǎn)單，無(wú)須設立分區所，無(wú)需司機操作，機車(chē)上主斷路器無(wú)需分斷。缺點(diǎn)是：真空開(kāi)關(guān)帶負荷分斷，需要經(jīng)常維護，柱式安裝，難以實(shí)現設備備份;機車(chē)過(guò)分相時(shí)過(guò)渡過(guò)程中的過(guò)電壓、涌流沖擊大，容易造成列車(chē)沖動(dòng);接觸網(wǎng)分段較多、結構復雜;機車(chē)單方向行駛時(shí)，K1、K2開(kāi)關(guān)只有一組動(dòng)作是必要的，同時(shí)存在供電死區，斷電時(shí)間也較第一種長(cháng)并與速度有關(guān)。
3)車(chē)上自動(dòng)控制斷電方案
法國、德國、英國、中國等采用車(chē)上自動(dòng)控制斷電過(guò)分相。分相區采用錨段關(guān)節結構設置中性區段，在機車(chē)進(jìn)出分相區一定距離的線(xiàn)路上安裝磁鋼或其他點(diǎn)式信息裝置。當機車(chē)從A相駛來(lái)達到磁鋼1處時(shí)，通過(guò)車(chē)載設備接受地面信息并送入機車(chē)牽引控制裝置，延時(shí)斷開(kāi)機車(chē)主斷路器，使機車(chē)惰行通過(guò)無(wú)電區。在通過(guò)無(wú)電區后，機車(chē)接受到地面磁鋼2的定位信息，再自動(dòng)合上主斷路器，然后順序啟動(dòng)輔機并控制牽引電流逐步加載，其控制過(guò)程可完全由車(chē)載設備完成，無(wú)需司機操作。
這種方案的優(yōu)點(diǎn)是：投資費用低，僅增加地面信息裝置及車(chē)上信號接受設備，通過(guò)車(chē)上斷電控制牽引電流的上升率，可減少對列車(chē)沖動(dòng)影響，能適應不同速度的列車(chē)通過(guò)等。其缺點(diǎn)是：車(chē)上斷電時(shí)間較長(cháng)，在高坡困難區段列車(chē)速度損失較大，地面信息設備缺乏備份，如果該信號丟失或失效會(huì )發(fā)生帶電拉弧等故障。
2車(chē)上自動(dòng)過(guò)分相裝置運用管理分析
我國鐵路電氣化是從既有線(xiàn)改造起步的，在解決電化區段過(guò)分相這一關(guān)鍵技術(shù)課題上，通過(guò)借鑒國外經(jīng)驗，逐步推廣應用車(chē)上自動(dòng)控制斷電方案。而車(chē)上控制過(guò)分相方案存在的一些弱點(diǎn)，使我們在完全采取車(chē)上自動(dòng)過(guò)分相問(wèn)題上比較謹慎，其可靠性方面存在的主要問(wèn)題有：
1)司機頻繁操作，失誤的概率客觀(guān)存在
在鐵路高速、高密度運行條件下，單純依靠司機操作過(guò)分相存在一定難度。以京滬線(xiàn)為例，上海鐵路局管內上、下行設有64處分相區，平均距離18.6km，最小不足13km，按目前客運機車(chē)運行速度約7min左右過(guò)一次分相，動(dòng)車(chē)組以最快速度運行時(shí)不足4min過(guò)一次分相。司機頻繁操作，勞動(dòng)強度較大，再加上行車(chē)過(guò)程中的必要操作和信號瞭望等其他因素干擾，司機對過(guò)分相操作的注意力分散，操作失誤的可能性客觀(guān)存在。此外，對司機過(guò)分相操作過(guò)程缺乏記錄分析手段，其作業(yè)規范僅依靠司機的行為自律，發(fā)生問(wèn)題也難以追究責任。
2)地面感應器沿線(xiàn)分布，必須加強管理
預埋在軌道枕木頭部的地面感應器磁鋼信號源沿線(xiàn)分布，經(jīng)對其安裝結構和工藝改進(jìn)后,目前能有效防止失竊等現象的發(fā)生。但磁鋼安裝分布點(diǎn)多線(xiàn)長(cháng)，跨部門(mén)管理難度較大，特別在線(xiàn)路施工維修過(guò)程中，容易出現磁鋼破損、移位、缺失等情況，一旦發(fā)生而又未及時(shí)發(fā)現和處理，會(huì )影響自動(dòng)過(guò)分相裝置的正常工作。
3)分相點(diǎn)位置識別可靠性需要提高
自動(dòng)過(guò)分相位置識別信息的接受和處理是重要的環(huán)節。目前采用的自動(dòng)過(guò)分相裝置在設計上已經(jīng)考慮了增設預斷、強斷2個(gè)獨立磁鋼信號的接受和處理，具有一定的冗余措施，但其分相點(diǎn)位置識別方式仍屬同一類(lèi)型。受機車(chē)運行速度、橫向擺動(dòng)、垂直振動(dòng)、外來(lái)物體擊損等引起的磁感應狀態(tài)變化，以及沿線(xiàn)電磁信號對接受線(xiàn)圈的干擾影響等，分相點(diǎn)位置識別，信息丟失、誤動(dòng)作的概率客觀(guān)存在，探索和完善獨立于磁鋼信息源的輔助信息識別系統，可進(jìn)一步提高自動(dòng)過(guò)分相系統的可靠性。
3解決方案
解決電力機車(chē)過(guò)分相安全問(wèn)題，國內外已作了系統的探索和研究。作為運營(yíng)管理部門(mén)，欲從技術(shù)方案上徹底解決問(wèn)題，不僅涉及方案試驗驗證，而且涉及投資及運營(yíng)線(xiàn)施工改造等難題�；谀壳艾F狀，唯有采取針對性的技術(shù)和管理措施配套，創(chuàng )造條件逐步過(guò)渡到“機控為主、有序管理”狀態(tài)。
1)實(shí)施“人控為主、機控為輔”過(guò)渡，增強過(guò)分相裝置的可靠度
針對司機責任意識、業(yè)務(wù)素質(zhì)及能力現狀，在宣傳教育上，著(zhù)重處理好司機對自動(dòng)過(guò)分相設備的依靠和依賴(lài)關(guān)系;在管理措施上，要明確司機操作過(guò)分相的具體要求，并列入作業(yè)標準化考核范圍，同時(shí)要制定并落實(shí)過(guò)分相設備檢修和入庫檢查的功能測試規定，以提升車(chē)載過(guò)分相設備的可靠性�，F階段實(shí)施“人控為主、機控為輔”的管理模式，建立機車(chē)過(guò)分相的二道防線(xiàn)。
2)增設過(guò)分相狀態(tài)記錄功能，實(shí)施對人機控制過(guò)程的分析管理
針對不同機型情況，利用機車(chē)監控裝置擴展接口開(kāi)發(fā)了過(guò)分相狀態(tài)記錄功能。將車(chē)載自動(dòng)過(guò)分相設備的預斷、強斷輸出和機車(chē)主斷路器及司機操作開(kāi)關(guān)信息作為輸入信號，實(shí)現機車(chē)過(guò)分相關(guān)鍵要素信息的事件記錄。
結合監控裝置的機車(chē)工況(加載、卸載)、過(guò)分相事件記錄等綜合分析判斷，完成對過(guò)分相過(guò)程中設備狀態(tài)及司機操作的詳細分析。在監控裝置地面處理軟件功能上，增設了主界面的“過(guò)分相”欄目，實(shí)現退勤檢索分析。
在過(guò)分相記錄事件分析中，設置了5個(gè)判斷結果，即：操縱正確、操縱錯誤、操縱警告、設備不良、設備正常。一旦軟件檢索到存在操縱錯誤、操縱警告、設備不良等事件之一，則在相欄目中顯示出紅色背景數字，警示分析人員進(jìn)行詳細分析，實(shí)現了人機控制的過(guò)程管理。
3)增加地面磁鋼的檢測功能，及時(shí)監測管理
地面磁鋼信息源是目前車(chē)上自動(dòng)過(guò)分相的關(guān)鍵環(huán)節，必須確保其長(cháng)期穩定可靠。為防止因線(xiàn)路施工管理不到位，造成磁鋼破損等情況發(fā)生，按照“車(chē)對地”行車(chē)設備動(dòng)態(tài)檢測的思路，開(kāi)發(fā)過(guò)分相磁枕狀態(tài)檢測裝置，實(shí)現對過(guò)分相磁鋼信息源的數量、安裝地點(diǎn)(位置)的動(dòng)態(tài)檢查，相關(guān)監測信息自動(dòng)上網(wǎng)實(shí)現報警提示，一旦發(fā)現問(wèn)題及時(shí)通知設備維修部門(mén)進(jìn)行現場(chǎng)檢查和維護。目前，該裝置已在上海鐵路局DF11353號機車(chē)試裝并多次對京滬、滬昆線(xiàn)的地面磁鋼信號進(jìn)行檢測(限于篇幅，本文在此不作詳細介紹)，取得一定效果。
4)補強語(yǔ)音提示功能，彌補人工操縱的疏漏
目前在機車(chē)監控裝置的過(guò)分相語(yǔ)音提示設置條件中大多采用對牽引客運列車(chē)的機車(chē)在到達分相點(diǎn)前的1500m時(shí)進(jìn)行首次語(yǔ)音提示，然后在距分相點(diǎn)前的1000m時(shí)進(jìn)行第2次語(yǔ)音提示;對牽引貨運列車(chē)的機車(chē)則分別在距分相點(diǎn)前的1000m、500m進(jìn)行2次語(yǔ)音提示。這種按固定方式設置的2次語(yǔ)音提示模式未充分考慮機車(chē)運行速度及實(shí)際過(guò)分相狀態(tài)，應當加以補強。例如在首次語(yǔ)音提示后，應采取連續不斷提示的方法，由監控裝置實(shí)時(shí)檢測過(guò)分相狀態(tài)，直至在司機或設備發(fā)生過(guò)分相操作后，方才關(guān)閉語(yǔ)音，以彌補人工操作過(guò)程中的疏漏。
5)探索分相點(diǎn)位置識別冗余信息源，提高系統可靠度
在既有分相點(diǎn)位置識別的地面磁鋼信息源以外，探索不同方式且獨立的分相點(diǎn)位置識別信息來(lái)源，實(shí)現信息源的冗余備份，對提高自動(dòng)過(guò)分相裝置的系統可靠度，最終實(shí)現完全由設備自動(dòng)控制過(guò)分相具有積極意義。機車(chē)監控裝置里程坐標相對地面磁鋼信息來(lái)講是完全獨立的，當車(chē)載過(guò)分相地面感應器的磁耦合回路任一處環(huán)節處于非正常狀態(tài)時(shí)，利用機車(chē)監控裝置里程坐標實(shí)現過(guò)分相冗余控制能發(fā)揮一定的安全保障作用，特別是采用這一方法時(shí)幾乎不需要增加投入費用，也不增加設備管理維修成本，應當積極探索。解決這一問(wèn)題的技術(shù)關(guān)鍵，一是要提高監控裝置走行距離累計精度(控制走20m以?xún)?，并有良好的防機車(chē)輪對空轉、滑行等距離補償措施;二是要設計好2套控制信息源并行工作時(shí)的控制邏輯關(guān)系，要以既有磁鋼控制信息源為主，監控裝置里程坐標控制信息源為輔，防止出現2種過(guò)分相位置識別信息源在控制時(shí)機上出現交叉影響等情況。
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