电力机车自动过分相方案的探讨

严云升　1940年生,1962
年毕业于上海交通大学电
力机车专业,高级工程师
(教授级),主持了国产电力
机车微机控制系统的开发设计工作。

综述与评论
电力机车自动过分相方案的探讨
株洲电力机车研究所(株洲412001) 严云升
摘　要:介绍了3种自动过分相方案的工作原理及实际应用情况,分析了它们各自的优点和缺点,并建议在准高速和高速电气化线路上采用第3种方案,即车上自动控制断电方案。

关键词:电力机车　接触网　电分相　供电死区　中性段　自动过分相
收稿日期:1999206223
为使电力系统三相负荷尽可能平衡,电气化铁道的接触网采用分段换相供电。

为防止相间短路,各相间用空气或绝缘物分割,称为电分相。

国内接触网上每隔20km ～25km 就有一长约30m 的供电死区。

在此无
电区外一定距离处设有“断”、“合”提示牌,电力机车通过时须退级、关闭辅助机组、断开主断路器,惰行通过无电区后再逐项恢复,这样受电弓是在无电流情况下进出分相区的,从而保证了受电弓和接触网的寿命。

但这样操作,一方面影响了行车速度,另一方面增加了司机的劳动强度,操作稍有疏忽就会拉电弧烧分相绝缘器。

对准高速、高速线路,每小时就要过10多个分相区,靠司机操作实属困难。

对高坡重载区段,手动过分相会引起列车大幅降速,延长咽喉区段的运行时间,降低线路运能。

因此必须考虑列车自动过分相的方案,及早取消司机的手动过分相操作。

国外仅有少数国家研究和采用自动过分相装置,其技术方案基本上有3种:地面开关自动切换方案,柱上开关自动断电方案,车上自动控制断电方案。

下面将对这3种方案进行介绍、分析和比较。

1　地面开关自动切换方案
这种方案国际上以日本为代表,解决了东海道新干线上高速列车自动过分相的难题。

国内郑州铁路局西安科研所在咸阳附近对这种方案进行了研究和试验。

这种方案的工作原理见图1。

在接触网分相处嵌入一个中性段,其两端分别由绝缘器JY 1、JY 2与二相接触网绝缘。

JY 1、JY 2不采用一般的由绝缘物构成的分相绝缘器,而采用锚段关节结构,以保证受电弓滑过时能连续受流。

2台真空负荷开关Q F 1、Q F 2分别跨接在JY 1、JY 2上,使接触网两相能通过它们向中性段供
电。

在线路边设置4台无绝缘轨道电路CG 1～CG 4作为机车位置传感器。

无车通过时,2台真空负荷开关均断开,中性段无电。

当机车从A 相驶来达到CG 1处时,真空负荷开关Q F 1闭合,中性段接触网由A 相供电。

待机车进入中性段、到CG 3处时,Q F 1分断,Q F 2随即迅速闭合,完成中性段的换向过程。

由于此时中性段已由B 相供电,机车可以在不用任何附加操纵、负荷基本不变的条件下通过相分段。

待机车驶离CG 4处后,Q F 2分断、装置回零。

反向来车时,由控制系统自动识别,控制2台真空负荷开关以相反顺序轮流闭合,采用这种方法过分相,断电时间约为0.1s ～0.15s 。

图1　地面开关自动切换方案的工作原理图
这种方案的优点是:接触网无供电死区,无须司机操作,机车上主断路器无须动作,自动换相时接触网中性段瞬间断电时间很短,且此时间与行车速度无关,可适用于0～350km h 速度范围,对行车中可能出现的
限速、一度停车等情况均能正常工作。

这种方案的缺点是:
(1)真空负荷开关带负荷分断,因而必须考虑在线备份及检修备份。

图2是实用的主接线图。

其中Q F 1、Q F 2为主用开关,Q F 5、Q F 4分别为其检修备用
开关,当主用开关检修时可以方便地投入工作。

Q F 3是Q F 1、Q F 5的在线备用开关,平时它处于闭合位,当万一Q F 1(Q F 5)由于灭弧室真空破坏或操作机构原因发生拒分故障时,控制系统则命令Q F 3迅速分断,然
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1—1999年第6期机 车 电 传 动№6,1999　
1999年11月10日EL ECTR I C DR I V E FOR LOCOM O T I V E N ov .10,1999　
后再闭合Q F 2(Q F 4),以避免造成相间短路。

图中Q S 1为三相隔离开关,便于装置的投入或撤出;Q S 3为单极隔离开关,在Q F 3检修时将其旁路;Q S 2单极隔离开关平时处于分断位,只有当装置停用,中性段上恰有机车途停时才闭合。

闭合后,机车得电驶离中性段。

图2　实用主接线图
Q F 1、Q F 2——主用开关;Q F 3——在线备用开关;Q F 4、Q F 5——检修备用开关;Q S 1——三极隔离开关;Q
S 2、Q S 3——
单极隔离开关;JY 1、JY 2——分相绝缘器;F ——避雷器;T I ——电流互感器;TV ——电压互感器;FU ——熔断器
(2)中性段的长度难于确定。

对于只有1个受电
弓的列车或是双机重联、2台机车紧靠的列车,中性段的长度可以按双机长度来确定。

对于双机重联,机车分布在首尾的列车或是多弓动力分散型列车,中性段要
图3　过分相区时的电流波形
(a )v =40km h ,网压27.7kV ,19级; (b )v =85km h ,网压29kV ,15级
按整个列车长度来考虑。

中性段的长度必须考虑本区
段运行模式的多样性。

(3)过分相区后合闸时的电流冲击比较大,如果机车上不采取措施限制合闸冲击电流,有可能造成电机环火,同时列车冲动也使乘客难于忍受。

图3是637次列车、573号机车两次过分相段时的电流波形,第2次的合闸涌流为机车原负荷的9.5倍。

这可能是由于负荷开关带负荷分断后引起的中性段残压恰与合闸后的电压相位接近叠加造成的。

解决合闸时的电流冲击,可在机车上采取措施,即机车上检测到连续60m s 无网压时,把司机给定拉回到0,延时0.5s ,然后再重新启动机车。

司机给定由0到最高值约延时6s 。

(4)投资巨大,要建分区所,需要有一批管理和操作维护人员。

初步估算其投资比第3种方案超出2个数量级,而且后续的管理维护费用相对也较大。

该方案经过试验改进,现已经在线路上投入使用。

2　柱上开关自动断电方案
这种方案以瑞士A F 公司为代表。

国内福州铁路分局曾从瑞士A F 公司引进了2组自动分相装置,装于鹰厦线永安机务段管区内。

其工作原理见图4。

A 、B 两组真空开关在正常状态下均处于分断位置。

当电力机车运行至a -b 之间时,A 组开关装置线圈有电流通过,磁铁吸合,真空开关在15m s 时间内闭合使c -d 段有电。

当电力机车运行至c -d 之间时,A
组开关的线圈中无电流通过,磁铁释放,15m s 时间内A 组真空开关断开,使d -e -f -g 为无电区,机车惰行。

当电力机车运行至g -h 之间时,B 组开关装置线圈有电流通过,同理B 组真空开关闭合;当机车驶离i 点后,B 组开关线圈失电使B 组开关断开,但此时该开关不起分断电流作用。

这样A 、B 两组开关回到初始状态。

图4　柱上开关自动断电方案的工作原理图
这种方案的优点是:比第1种方案来得简单,无须设立分区所,相应投资要少些,供电死区(d -e -f -g 或c -d -e -f )比现有的分相区来得短,无需司机操作,机车上的主断路器不需分断。

这种方案的缺点是:
(1)真空开关带负荷分断,需要经常维护,由于是柱式安装,难于实现100%备份。

(2)该方案运行的可靠性与机车通过分相区时的
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2— 机 车 电 传 动
1999年
速度有关,即通过速度必须在一定范围内。

如果机车速度太低,机车尚未到达d 点就过早地断电,靠惯性闯过供电死区时的速度损失很大,严重时甚至接近停车;如果机车速度太高,机车通过a -c 段的时间太短,A 组开关线圈得电时间太短,导致A 组开关不能正常闭合。

所以这种方案难于适应临时限速、一度停车等特殊情况。

(3)过分相后机车电流有很大的冲击,造成机车
主断路器跳闸,如果机车上未采取措施,势必造成机车冲动,影响电机和车钩,使乘客感到不舒适。

这点与第1方案类似。

(4)试验中发现在靠近分相两端产生了一些明显的电弧。

这主要是机车进入分相区a -c 段时,由于真空开关线圈的接入,引起加到机车上的网压突降,产生了电弧。

这是本方案不可克服的弊病。

(5)分相区中接触网分段比较多,接触网结构复杂。

(6)当机车向一个方向行驶时,A 、B 2组开关中只有一组开关动作是必要的,另一组开关动作是多余的。

(7)难于适应多弓运行的列车,一列车过分相会造成真空开关多次动作,且与弓的位置有关。

(8)存在着一定长度的供电死区,因而断电时间比第1种方案长,且与速度有关。

这种方案由于其本身的缺陷,特别是难于适应不同的通过速度,再加上对过分相后的电流冲击未采取相应措施,因而未能实际投入使用。

3　车上自动控制断电方案
该方案的工作原理是当机车得到过分相预告信号后,首先进行确认,然后封锁触发脉冲,延时断开主断路器,使机车惰行通过无电区。

在通过无电区后,由机车自动检测网压从无到有的跳变并确认,再合主断路器,顺序启动辅机,然后限制电流上升率,启动机车。

该方案中,除分相预告信号与地面设施有关外,其余一切操作都由机车自动完成,无需人工干预。

广深线全线都采用这一方案自动过分相,所用的SS 8机车具有自动过分相的功能,实际使用效果好,投资较以上两种方案都少得多。

在离分相区两端约60m 处的线路上,左、右各埋1块磁铁,一个分相区只需要4块磁铁。

机车头部靠近
铁轨处左右各设1个感应器,当机车通过磁铁时,感应
器就接收到信号,再由感应器向机车微机控制系统发送110V 电平的预告信号。

机车微机控制系统在收到该预告信号后延迟一定时间,向感应器发出一个20m s 宽、
110V 电平的复位信号,使感应器复位,预告信号随之消失。

所延迟的时间用于完成对预告信号的确认,封锁触发脉冲,等待电机电流衰减和断开主断路
器,并留有一定余量。

但延时时间不能太长,必须保证机车开始进入分相区时使感应器复位,以便进行下一次的检测。

当机车驶离分相区时,感应器也相应动作,机车在经过同样延时后再次使感应器复位,而这一次感应器所发的信号没有实际意义,它只是为了线路上车辆双向行驶的需要才设置的。

图5是目前广深线上这些信号的时序图。

图5　预告信号与复位信号的时序
机车上为了实现自动过分相的功能,一是必须在
主断路器前设置25kV 的高压电压互感器,以便检知是否已过了分相区;二是利用微机系统已有的硬件:1个数字输入口用于检知预告信号,2个数字输出口,分别发出感应器复位信号及合主断路器命令。

自动过分相分主断路器命令,可与机车保护用的分主断路器命令合用,由软件来区分主断分的原因。

国产相控电力机车上一般都装有高压互感器,用于提供一次侧电压信号和检测无功功率。

所以为了实现过分相的自动控制,一般不需另行增加设备。

实现机车上过分相的自动控制,对微机控制的机车(如SS 8、SS 9、SS 4B )来说是不难解决的,主要通过软件来实现;而对于模拟控制的相控机车(如SS 4改、SS 3B 、SS 6、SS 6B ),则需进行改造,加装一些小设备;对于用调压开关进行调压的机车(如SS 1、SS 3)则较难于实现。

该方案的优点是:
(1)投资最低,仅需解决过分相的预告信号问题。

(2)主断路器只分断辅机的小电流,而不需分断牵引电机电流,因而对主断路器电寿命影响不大。

(3)过分相区后能自动控制电流上升率,不会有冲击电流,对列车造成的冲动也比较小,提高了乘客的舒适度。

(4)过分相的自动控制与列车速度无关,可适应低速、常速、准高速和高速的要求。

(5)预告信号的检测采用了2套冗余,所以使用可靠,没有发生过问题。

(6)无需人工干预。

(7)可以适应多弓的列车。

头车在接到分相预告信号后,发出命令到其他动力车,使各动力车几乎同时封锁脉冲和断开主断路器,由各车自己判断是否通过了分相区。

这样合主断路器命令是相继发出的,因而可减少整个列车牵引力的损失。

昆明至石林的动车组上有3台动车、3弓并举,就是采用这种方法自动过分相
的。

(下转第7页)—
3—第6期 严云升:电力机车自动过分相方案的探讨
关,使之能与原产品质量相媲美。

因检修、保养不当造成的机破、临修必须杜绝,更不应该出现漏检、失修使部件积劳成疾而缩短机车寿命。

今后对6G机车大范围修已无必要,应有针对性地对某些部件、部位重点进行维护保养和技术改进,机车检修费用的投入也应从注重代用更新的范围和数量转移到提高检修维护的深度和质量上来。

提高机车检修质量不仅要考虑人的因素,而且要考虑设备因素,检修中应尽量减少部件的互换,保持原有机车部件相对的匹配稳定性。

4　结束语
从以上分析来看,6G机车电气部件多数本身具有良好的技术性能和使用寿命,如主变压器和制动电阻柜;有些通过技术改造延长了使用寿命,如主整流柜;有些通过国产化可再次获得良好的技术性能,如主断路器和铜排导线;有些则经日常的正常维护保养能够保持其原有技术状态,如辅助电机等。

机车主要电气部件曾严重影响过机车使用,但目前已不是影响机车使用寿命的关键,其良好的使用状态还会持续较长时间。

6G机车长年运行于宝成线较恶劣的区段,机械部分有劳损,继续在这样的区段工作,损伤会加快。

从运用上调离艰难区段,改重载为轻载,机车寿命将会延长。

轻载不仅对机械部件有利,也对电气部件有利,西安—宝鸡间小特快客车的牵引运行就充分证明了这一点,它表现了无故障运行时间长、运行速度高、启动快、制动快等许多优点。

(上接第3页)
该方案的缺点是:机车上有一段时间是断电的,且断电时间比第1方案长,而断电时间的长短与通过速度有关。

假定分相处接触网供电死区长60m,那就在分相区前60m处设预告信号。

按SS8目前的控制软件,在预告信号收到后经430m s(3次确认180m s,封脉冲延时200m s,主断路器分断50m s)机车断电。

过分相区后经200m s主断路器合、机车得电(3次确认180 m s,主断合20m s)。

机车完全断电时间按下式计算:
t=(60+60)×3.6
v
+0.2-0.43(s)
若v1=160km h,v2=200km h,v3=250km h, v4=300km h,相应t1=2.47s,t2=1.93s,t3= 1.498s,t4=1.21s。

机车过完分相、主断路器合后的情况,不论采用哪一方案都是相同的,这主要取决于辅机的启动时间和旅客的舒适度要求。

电机电流上升到额定电流约需4 s。

相对于4s而言,第3方案比第1方案断电时间长的缺点,在高速时影响甚微,而在低速时影响比较明显。

4　小结
通过以上分析比较,认为:
(1)在准高速和高速线路上,采用第3方案即车上自动控制断电方案是可取的,投资最小,自动过分相性能较好,工作可靠。

第2种方案是不可取的,第1方案也由于其投资庞大,不宜采用。

(2)电机电流上升率的限制不必采用一固定值。

在刚投入的几秒内,上升率要小,以后上升率可以取大些。

这样可缩短过分相后电机电流的恢复时间,又不致引起冲动。

(3)由于过分相机车速度下降,过分相后速度再恢复的时间取决于坡道和机车在这种速度下的加速力,运行的技术速度与机车的最高速度差越大机车的加速力就越大。

(4)应采取措施防止埋在分相区两端的磁铁的丢失。

(5)预告信号的位置设为60m只适用于机车速度小于300km h,如果机车速度更高,应使预告信号提前。

参　考　文　献
1　林　磊.自动分相装置试验的浅析.电气化铁道,1998(3).
2　严云升.SS8电力机车的微机控制系统.机车电传动,1994(6).
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7
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第6期 王绥一　王　锐:6G型机车电气部件使用状态及技术改造性能评述 。