电力机车过分相

毕业设计（论文）
课题名称：电力机车过分相装置的装车改造
与设计、安装与试验
专业（系）电气工程系
班级工业控制091
学生姓名周金
指导老师周莹
完成日期2011
2012 届毕业设计任务书
一、课题名称：电力机车过分相装置的装车改造与设计、安装与试验
二、指导老师：周莹
三、设计内容与要求
1、课题概述
SS6B电力机车自动过分相装置采用车载自动过分系统，有车载控制装置和地面磁性感应器两部分组成。

通过本课题的设计，要求学生能分析SS6B电力机车过分相装置的原理，掌握SS6B型电力机车自动过分相系统安装要求，能够根据相应技术要求，进行控制装置与电力机车各部件的调试，掌握SS6B电力机车自动过分相装置在实际运用中的故障进行分析，并对SS6B电力机车自动过分相装置进行改装设计。

使学生更好的理解SS6B电力机车自动过分相装置工作原理与应用，培养学生应用所学知识去株洲机务段进行自动股份向装置调研，分析解决自动过分相装置的实际问题，使学生建立正确的设计思想，掌握工程设计的一般程序和方法。

2 设计内容与要求
（1）叙述SS6B电力机车自动过分相装置装车改造方案的设计（装车前自动过分相装置在其他车型上的应用）
（2）绘制SS6B电力机车自动过分相装置系统结构图
（3）拍摄SS6B电力机车自动过分相控制装置安装图片，车感器安装图片，信号指示器安装图片
（4）根据实际情况对相应的车感应器电路进行改造设计（包括埋设方式，安装示意图）
（5）绘出改进后自动过分相装置的面板示意图及背板示意图
（6）标出自动过分相控制器的外形尺寸图，并提出设备安装要求
韶山6B（SS6B）型干线客货两用电力
机车
一、简介
SS6B型电力机车是1992年为郑宝铁路电气化工程提供的国际招标第三批电力机车。

它是由株机厂和株洲所共同研制开发的6轴干线用交直传动相控电力机车。

该型机车的设计，
以国内外交直传动相控电力机车成熟的技术和经验为基础，并根据铁道部“关于开展电力机车简统化、系列化”的精神，较大范围内采用和吸收了SS4和SS6型机车的技术。

样车于1992年12月完成
二、技术特点
(1)、机车主电路采用转向架独立供电方式，可进行机车电气轴重转移补偿以提高机车的粘着利用。

采用大功率整流元件和晶闸管元件组装构成的不等分三段半控桥电路，进行机车相控无级调压。

为提高装置并联元件的均流特性，在元件支路串联了均流电抗器，并采用铜散热器进一步改善机组散热条件。

采用加馈电阻制动，保证在低速区(10-5Okm/h)具有恒定的最大制动力
(2)、采用与SS6B型机车通用的ZD114型牵引电动机。

(3)、在机车主电路交流侧也设有功率因数补偿装置，因而使机车具有较高的机车功率因数和较小的谐波等效干扰电流。

(4)、机车在速度达到5Okm/h(或控制级6级以上)后可实行三级磁场削弱控制。

此外，为提高机车调速范围，控制系统也作电机超压控制，机车最大恒功速
度达83km/h
(5)、电子控制装置采用标准型结构，对机车进行特性(恒流准恒速)控制，并具有轴重转移电气补偿、防空转滑行、功率因数补偿、空电联合制动等控制功能。

(6)、辅助电路为传统的旋转劈相机系统。

每台车有两台劈相机，所有辅助电机与SS4G型和SS6乳型机车通用，辅机保护采用三相自动开关保护。

(7)、C0转向架采用双侧低位平拉杆牵引装置，具有动力学稳定性好、粘着利用高的优点;电机采用滚动轴承抱轴式悬挂、单侧刚性直齿传动;牵引力的传递由轴箱及拉杆传到构架，再由双侧平拉杆传到车体侧梁，通过侧梁传递到车体牵引梁及车钩;一系悬挂和二系悬挂分别是传统的橡胶叠簧和圆簧
(8)、机车车体采用了大顶盖整体承载结构，其断面结构与SS4G型机车基本一致。

采用了预布线和预布管设计。

控制电路均由冷压型线簧芯式插件连接，并由车内两端的端子柜交换。

车内设备采用传统的分室斜对称布置，紧凑有序、易于维护
(9)、机车通风系统采用传统的车体通风方式，进风口为车体侧墙大面积立式百叶窗。

牵引通风支路分别先冷却平波电抗器，然后冷却1、2位(或5、6位)牵引电机，或先冷却变流装置，再冷却3位(或4位)牵引电机。

变压器通风支路为车内吸风，经全铝翅片式散热器进行热变换，再经车顶排风。

制动电阻通风支路为独立的车底吸风、车顶排风，车顶有活动百叶窗结构。

(10)、为提高SS6B型机车的可靠性和使用性能，并使之适应郑宝铁路电气化铁路日元贷款招标机车的技术要求，SS6B型机车还来用了多项引进产品或引进技术国产化的产品。

除采用ZD114型牵引电机之外，还采用台湾国祥公司生产的顶式空调器，德国德意达与上海通讯工厂合资生产的DFl6型光电式速度传感器，仿6K型机车的静压式风速继电器，国产化的TSG3型(8K型机车)受电弓及TDZlA型空气断路器等电器部件。

摘要
随着高速电气化铁道的快速发展，电力机车运输供电面临巨大挑战。

电气化铁道电网采用单相供电,而电力系统则是三相供电系统。

为了使电气化铁道从电力系统三相电网取流基本对称,电气化铁道采用了分相分段取流的方法,即每隔20～25km设置一个分相区,相邻分区由不相同的两相供电,相邻分相区约有30m的供电死区,这样就存在电力机车如何通过供电死区。

在比较国内所用的3种自动过分相方式的基础上,提出在准高速和高速电气化铁道上采用车载断电自动过分相装置的方案,
本文研究的自动过分相装置基于LKJ2000型监控装置和GPS全球定位系统，利用微处理器从LKJ2000型监控装置中获得相应定位数据，利用GPS系统进行辅助定位，利用PLC控制模块以及混合继电器模块实现对机车的控制操作该装置具有控制精度高，可靠性高，易于安装、管理和维护等优点，具有广阔的应用前景。

关键字：自动过分相可靠性微处理器LKJ2000型监控装置GPS全球定位系统PLC控制
Abstract
With the rapid development of high speed electrified railway,
electric locomotive power supply faces enormous challenge. Electrified
railway power system single phase power supply, while the power system
is a three-phase power system. In order to make the electric railway power
system three-phase power flow from taking the basic symmetry, electrified
railway using segmented flow with phase method, every 20 ~ 25km set a segregated area, adjacent partition by different two-phase power supply,
adjacent phase are about 30m supply dead, so there is electric locomotive
by power supply zone. In comparison with domestic with 3 kinds of automatic
neutral-section passing way foundation, proposed in the high speed
railway on the use of on-board neutral-section passing device for
automatic power cut off,
This paper studies the automatic neutral-section passing device
type monitoring device based on LKJ2000 and GPS global positioning system,
the use of the microprocessor from type LKJ2000 monitoring device to
obtain the corresponding positioning data, the use of GPS system for the
auxiliary positioning, the use of PLC control module and the mixed relay
module to control operation of the locomotive device has the advantages
of high control accuracy, high reliability, easy installation the management and maintenance, and other advantages, has broad application prospects.
Keywords: automatic phase over-separation reliability microprocessor
LKJ2000 type monitoring device GPS global positioning system
PLC control
第一章绪论
1.1.1课题研究的目的及意义
铁路是国家重要基础设施、国民经济大动脉和大众化交通工具。

加快铁路发展，对促进经济社会发展，实现全面建设小康社会的宏伟目标具有重要作用。

经过多年的努力，我国铁路事业取得了长足进步，但是目前铁路运输能力与运输需求的矛盾仍然十分突出，成为经济社会进一步发展的制约。

重载和提速是目前我国铁路发展的重要方向，对于扩大铁路运输能力，缓解铁路运输瓶颈制约都具有重要意义。

随着我国铁路运输形式的发展，特别是铁路干线机车时速的大规模提升，对机车的自动化运行提出了更高的要求。

1.1.2 改造设计电力机车自动过分相装置的目的及意义
我国电力系统供电网络采用三相交流方式供电，而在铁道电气化牵引区段，电气机车的供电方式采用单相工频交流方式。

为使电力系统三相供电网络的负荷平衡以及提高电网利用率，电气化铁路接触网采用分段分相供电方式。

为防止相间短路，各相间用空气或绝缘物分割，称为电分相。

铁路供电网络的换相间隔为20km-30km，不同相位之间存在个长约30m的电分相区。

为保证机车受电弓与铁路接触网的电寿命，必须保证车受电弓在无电流情况下进出分相区。

传统的电力机车过分相技术采用车上手动切换方法，即电力机车通过分相区时，司机按照操作规范，进行人为过分相操作。

接近分相区时，司机先将机车调速手轮回零（也称降流过程），再断开主断路器、辅断路器等器件，保证受电弓无电进入分相区机车利用惯性作用通过分相区后，再以相反的顺序操作，恢复机车电力供应。

这种手动操作通过分相区的方法主要存在三个缺陷：第一，降低了行车安全。

采用人工过分相方法，行车安全完全依赖于机车司机的注意力和技术水平，没有技术设备保障，对行车安全极为不利；第二，加大了司机的劳动强度；第三影响了行车速度。

特别对高坡重载区段，手动过分相会引起机车大幅降速，延长咽喉区段的运行时间，降低线路运送能力。

这种手动切换方式己无法适应我国电气化铁路重载和高速发展的需要，所以保证自动过分相装置的正常工作研究就显得十分必要。

2.1自动过分相系统的发展和现状
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20千米至25千米就有一长约30米的供电死区。

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，J隋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。

因此很多列车自动过分相的方案被提出，来取代司机的手动过分相操作。

自动过分相装置的发展经历从地面设施到车载设备、从机电开关控制到微机控制的发展历程。

早期的自动分相装置主要是设置在分相区附近的机电开关设备，其中比较典型的方案包括地面开关自动切换装置以及柱上开关自动断电装置。

2.1.1.1地面开关自动切换方案
地面开关自动切换方案的工作原理如图2一1所示。

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

JYI、JYZ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。

二台真空负荷开关QFI、QFZ分别跨接在JYI、JYZ上，使接触网两相能通过它们向中性段供电。

在线路边设置四台无绝缘轨道电路CGI一CG4作为机车位置传感器。

无车通过时，两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cGI处时，真空负荷开关QFI闭合，中性段接触网由A相供电。

待机车进入中性段，到CG3处时，QFI分断，QFZ随即迅速闭合，完成中性段的换向过程。

由于此时中性段己由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CG4处后，QFZ分断，装置回零。

反向来车时，由控制系统自动识别，控制两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0.1秒一0.15秒。

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O一350千米每小时的速度范围，对行车中可能出现的限速，一度停车情况均能正常工作。

这种方案的缺点是:装置必须要在线备份并在线检查，需要设计冗余电路中性段长度难于确定;合闸时电流冲击较大，列车容易产生冲动;投资巨大，要建分区所，需要有一批管理和维护人员。

2.11.2柱上开关自动断电方案
柱上开关自动断电方案的工作原理见图2一2。

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ab之间时，A组开关装置线圈有电流通过，磁铁吸合，真空开关在巧毫秒时间内闭合使ed段有电。

当电力机车运行至ed之间时，A组开关的线圈中无电流通过，磁铁释放，巧毫秒时间内A组真空开关断开，使d一e一乒g为无电区，机车惰行。

当电力机车运行至gh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。

这种方案的优点是:比上一种方案来得简单，无须设立分区所，相应投资要少些;供电死区(d一e一f-g段或c一d一e一锻)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：
(l)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)该方案的运行可靠性与机车通过分相区时的速度有关，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一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。

随着列车速度的不断提升和微机网络控制系统在车辆中的广泛使用，现代自
动过分相装置更多的开始向车载定位的方向发展。

其中比较典型的方案包括车上自动控制断电方案和车载信息监测方案。

2.1.1.3车上自动控制断电方案
车上自动控制断电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，，一启动机车。

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。

在离分相区两端约60米处的线路上，左、右各埋一块磁铁，一个分相区只需要四块磁铁。

机车头部靠近铁轨处左右各设一个感应器，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20毫秒宽、110伏电平的复位信号，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，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。

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，而不需分段牵引电机电流，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。

该方案的缺点在于：地面磁铁的安装需要在路基上施工，牵涉部门多，施工难度大。

另外磁铁有可能人为的失效，造成漏检发生拉弧等行车事故。

为此，很多基于无线通信系统的地面定位方案的提出，其中比较典型的如基于RFID和GPS组合定位的替代方案。

第二章SS6B机车自动过分相系统介绍
2.1自动过分相系统的组成
电力机车过分相信号的感应、处理，由地面磁感应器、感应接收器和过分相控制装置共同完成。

机车过分相的控制，由微机柜及机车控制回路完成。

微机柜对机车过分相的自动控制，与司机操作控制并联，当司机操作控制过分相，自动控制起监视备份作用。

因而信号的接收与处理装置就显得格外重要。

2.1.1自动过分相地面磁感应装置介绍
2.1.1.1概述
电力机车自动过分相地面磁感应装置是基于免维护地面定位技术的车载自动过分相控制系统的地面磁感应装置。

机车通过感应地面定位信号确定机车与分相点的相对位置，地面定位和机车感应信号分别采用斜对称埋设和备份接收，以保证自动过分相的安全和可靠。

2.1.1.2主要性能
电力机车通过时会发出相应信号给机车，通过车载感应接收器和过分相控制装置自动完成电力机车断电过分相。

自动过分相地面磁铁式感应装置是嵌入到轨枕里的永久磁铁，具有耐高温、耐腐蚀、不会丢失、不会损坏等特点，适合安装在室外。

自动过分相地面装置为一端装有磁性信号装置的混凝土轨枕——信号轨枕；
信号轨枕在机车通过时会发出相应信号给机车。

每个分相点需安装四根信号轨枕。

由来车方向计起，第一根信号轨枕为预告(断主断)，第二根信号轨枕为强迫断（断主断），第三根信号轨枕为恢复（合主断），第四根信号轨枕为备用恢复或机车反向运行时预告（断主断）。

4根轨枕依次称为1号、2号、3号和4号轨枕。

信号轨枕及磁性端位置示意图见下图：
（3）系统技术性能
电力机车过分相信号的感应、处理，由地面磁感应器、感应接收器和过分相控制装置共同完成。

机车过分相的控制，由微机柜及机车控制回路完成。

微机柜对机车过分相的自动控制，与司机操作控制并联，当司机操作控制过分相，自动控制起监视作用。

地面感应器的埋设方式见下图：
机车运行至G1(G4)点，自动过分相控制装置接收到感应器感应的预告地面定位信号，控制装置向微机柜发出过分相信号，微机柜根据此时机车运行速度，控制电机电流平稳下0，发出断‘主断’信号给控制电路，控制电路控制机车断劈机、断‘主断’（预告模式）；同时，司机室蜂鸣器响3s，提醒司机过分相区。

当G1(G4)信号失效时，机车运行至G2(G3)点，动过分相控制装置接收到感应接收器感应的强迫地面定位信控制装置向微机柜发出过分相强迫断信号，微机柜立即封电流，发出断‘主断’信号给控制电路控制机车断劈相机、断‘主断’。

正常接收到G1(G4)信号时G2(G3)信号不起作用（强迫模式）。

机车通过无电区后，根据接收G3(G2)点，自动过分相装置接收到感应接收器感应的合闸地面定位信号，则通过预号通道向微机柜送
出合‘主断’信号，司机室蜂鸣器响3s，醒司机已通过分相区。

微机柜发出合‘主断’给控制电路，控路控制机车合劈相机、合‘主断’。

预备好后，微机柜控制电电流缓慢恢复到过分相前工况。

在正常接收G3(G2)信号时G4(G1)信号不起作用。

1.2地面磁感应装置组成及外形
地面磁感应装置是嵌入到轨枕里的永久磁铁，具有耐高温、耐腐蚀、不会丢失、不会损坏等特点，适合安装在室外。

（1）信号轨枕
采用特殊专用模具的钢筋混凝土轨枕，具有使用寿命长，稳定性高，养护工作量小等优异特性。

（2）磁性感应装置
采用特殊工艺制
造的磁体感应装置，
具有磁场稳定、抗震
荡、不易衰减、耐高
温、耐腐蚀等优异特
性。

磁钢本体采用贯穿的钢柱在轨底焊接固定，再灌注特殊填充物把磁钢本体与枕体粘结。

（3）防护罩及其它附件
高强度不锈钢防护罩，形状与轨枕侧面形状一致，无突出无内陷部分。

抗冲击，抗震动，耐磨损。

每个装置都具有清楚明显的铭牌标识，标识内容齐全：品牌，型号制造商，生产年份，编号等。

（4）应用范围
适用的速度范围：10～250km/h。

适用于单相50Hz、25kV交流电气化铁路接触网工程。

第三节地面感应器的安装
3.1安装作业流程
(1)确定统计各分相点里程；
(2)确定分相点所处站段和领工区；
(3)确定所需轨枕型号或、特殊分相点如桥梁隧道等特殊轨枕的型号；
(4)收集确定各材料库收货人的姓名、电话、地址、邮编，并通知生产制造商生产发货；
(5)施工单位根据安装图纸在分相点前后对应更换轨枕的位置作好标记。

并用油漆标示磁性信号对应端；
(6)在收到货后，按照一般混凝土轨枕锚固螺栓；
(7)将磁性轨枕在线路旁按油漆标示位卸下，尽量对准油漆位，以减小换枕时搬运距离；
(8)信号轨枕位置及磁性端朝向示意图
3.6磁性装置的安装(现场组装情况下)
(1)安装磁性装置时注意磁性装置的中心距钢轨内侧工作
边的水平距离。

磁性装置的中心距相邻钢轨内侧工作边的水平距
离为335mm，允许最大偏差为：±15mm。

如下图所示：
(2)尺寸定位后将磁性装置上的螺杆（轨枕下方）垫上平垫弹垫，然后用螺母拧紧。

(3)将磁性装置与轨枕接触的地方用密封胶密封。

现场组装注意：
●检查即将安装的轨枕有无断裂；
●磁性装置有无碰伤和松动，有无太多的铁屑、矿粉等吸附物。

●安装磁性装置时应特别注意将工具和其他铁器等远离磁性装置，因磁性装置的磁力超强，容易造成安全隐患。

3.8注意事项
（1）4根信号轨枕必须严格按照图的位置来放置。

即不管是单线还是复线，不管是上行还是下行，安放的位置永远是如图中的位置。

注意：
4个信号轨枕成斜对称布置，信号轨枕所在位置一定不能错。

（2）一个分相点（即一个中性区段）附近安装4根（1套）信号轨枕。

这4根轨枕完全一样，也不分编号，只有轨枕型号之分。

（3）信号轨枕的磁性装置一定要与图中黑色标志一致。

（4）35m、170m处的距离如果刚好落在一根轨枕上，则取该根轨枕作为需要更换的轨枕，如果落在两根轨枕之间，则取该两根轨枕中的任何一根轨枕作为需要更换的轨枕。

（5）磁性装置磁性比较强，安装时注意安全，尽量使手表、磁卡、呼机、手机等远离磁性装置。

注意铁器在磁性装置附近的使用，尽量不靠近磁性装置，拿好拿稳铁器，以免造成伤害。

（6）信号轨枕应尽量避开信号机、钢轨接头（无缝钢轨除外）和其他一些轨道上的装置，不要离得太近。

如果信号轨枕的位置刚好在钢轨接头等处，可以将特制轨枕的安装位置以35m±2m、170m±2m的位置作适当调整（即向左、右可以在2m以内作适当调整）。

但尽最大努力以35m、170m为标准安装。

第四节地面磁感应装置的日常维护和定期检修。