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關(guān)于電力機(jī)車(chē)過(guò)分相問(wèn)題的探討論文
0引言
為使電力系統(tǒng)三相負(fù)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(qū)域，稱為分相區(qū)。電力機(jī)車(chē)在進(jìn)入分相區(qū)前，通過(guò)“人控”(司機(jī)操作)或“機(jī)控”(設(shè)備控制)2種方法，切斷機(jī)車(chē)用電負(fù)載，使電力機(jī)車(chē)受電弓在無(wú)電流情況下滑行通過(guò)分相區(qū)后，再恢復(fù)機(jī)車(chē)用電負(fù)載。上述“人控”和“機(jī)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(shè)備故障失控，帶電過(guò)分相的現(xiàn)象還難以杜絕，而一旦發(fā)生，輕則受電弓、分相裝置受損，嚴(yán)重時(shí)造成接觸網(wǎng)燒損，中斷鐵路運(yùn)輸，給電氣化鐵路行車(chē)安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。因此，研究和完善過(guò)分相的設(shè)備改進(jìn)方案，強(qiáng)化配套的管理工作，提升電力機(jī)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(guó)內(nèi)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(shè)置一個(gè)中性區(qū)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(jié)結(jié)構(gòu)，以保證受電弓滑過(guò)時(shí)能連續(xù)受流。2臺(tái)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(qū)段供電，在無(wú)機(jī)車(chē)通過(guò)時(shí)，S1閉合、S2斷開(kāi)。鋼軌兩側(cè)設(shè)置4個(gè)機(jī)車(chē)位置感應(yīng)器CG1~CG4(或利用軌道電路實(shí)現(xiàn)位置檢測(cè))，當(dāng)機(jī)車(chē)駛?cè)隒G1點(diǎn)時(shí)，機(jī)車(chē)自然由A相供電;當(dāng)機(jī)車(chē)駛?cè)隒G2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(dāng)機(jī)車(chē)駛出CG4點(diǎn)時(shí)，控制電路使S1閉合，S2斷開(kāi)，恢復(fù)到?jīng)]機(jī)車(chē)時(shí)的狀態(tài)。機(jī)車(chē)反向通過(guò)分相區(qū)時(shí)CG1~CG4發(fā)出相反順序動(dòng)作。工程實(shí)施要考慮設(shè)備在線檢修備份等因素并設(shè)置分區(qū)所，實(shí)際方案較以上復(fù)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(qū)，無(wú)需司機(jī)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(jī)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(yùn)行維護(hù)費(fèi)用很高。
2)柱上開(kāi)關(guān)自動(dòng)斷電方案
瑞士等國(guó)家采用此方案，我國(guó)原福州鐵路分局曾從瑞士AF公司引進(jìn)，安裝于鷹廈線運(yùn)用。其結(jié)構(gòu)原理如圖2。它由2個(gè)真空磁控線包L1、L2，真空斷路器K1、K2，過(guò)電壓吸收器MDA，以及相應(yīng)的接觸網(wǎng)分段組成。在設(shè)備和結(jié)構(gòu)上對(duì)稱分布，以適應(yīng)正、反向行車(chē)要求。其基本原理是利用機(jī)車(chē)通過(guò)磁控線包受流區(qū)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(jī)車(chē)供電，使機(jī)車(chē)不帶電通過(guò)分相主絕緣區(qū)e段。其特點(diǎn)是設(shè)備布置在支柱上，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)須設(shè)立分區(qū)所，無(wú)需司機(jī)操作，機(jī)車(chē)上主斷路器無(wú)需分?jǐn)�。缺點(diǎn)是：真空開(kāi)關(guān)帶負(fù)荷分?jǐn)�，需要�?jīng)常維護(hù)，柱式安裝，難以實(shí)現(xiàn)設(shè)備備份;機(jī)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(jié)構(gòu)復(fù)雜;機(jī)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(qū)，斷電時(shí)間也較第一種長(zhǎng)并與速度有關(guān)。
3)車(chē)上自動(dòng)控制斷電方案
法國(guó)、德國(guó)、英國(guó)、中國(guó)等采用車(chē)上自動(dòng)控制斷電過(guò)分相。分相區(qū)采用錨段關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)置中性區(qū)段，在機(jī)車(chē)進(jìn)出分相區(qū)一定距離的線路上安裝磁鋼或其他點(diǎn)式信息裝置。當(dāng)機(jī)車(chē)從A相駛來(lái)達(dá)到磁鋼1處時(shí)，通過(guò)車(chē)載設(shè)備接受地面信息并送入機(jī)車(chē)牽引控制裝置，延時(shí)斷開(kāi)機(jī)車(chē)主斷路器，使機(jī)車(chē)惰行通過(guò)無(wú)電區(qū)。在通過(guò)無(wú)電區(qū)后，機(jī)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(jī)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(shè)備完成，無(wú)需司機(jī)操作。
這種方案的優(yōu)點(diǎn)是：投資費(fèi)用低，僅增加地面信息裝置及車(chē)上信號(hào)接受設(shè)備，通過(guò)車(chē)上斷電控制牽引電流的上升率，可減少對(duì)列車(chē)沖動(dòng)影響，能適應(yīng)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(zhǎng)，在高坡困難區(qū)段列車(chē)速度損失較大，地面信息設(shè)備缺乏備份，如果該信號(hào)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(yùn)用管理分析
我國(guó)鐵路電氣化是從既有線改造起步的，在解決電化區(qū)段過(guò)分相這一關(guān)鍵技術(shù)課題上，通過(guò)借鑒國(guó)外經(jīng)驗(yàn)，逐步推廣應(yīng)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?cè)谕耆扇≤?chē)上自動(dòng)過(guò)分相問(wèn)題上比較謹(jǐn)慎，其可靠性方面存在的主要問(wèn)題有：
1)司機(jī)頻繁操作，失誤的概率客觀存在
在鐵路高速、高密度運(yùn)行條件下，單純依靠司機(jī)操作過(guò)分相存在一定難度。以京滬線為例，上海鐵路局管內(nèi)上、下行設(shè)有64處分相區(qū)，平均距離18.6km，最小不足13km，按目前客運(yùn)機(jī)車(chē)運(yùn)行速度約7min左右過(guò)一次分相，動(dòng)車(chē)組以最快速度運(yùn)行時(shí)不足4min過(guò)一次分相。司機(jī)頻繁操作，勞動(dòng)強(qiáng)度較大，再加上行車(chē)過(guò)程中的必要操作和信號(hào)瞭望等其他因素干擾，司機(jī)對(duì)過(guò)分相操作的注意力分散，操作失誤的可能性客觀存在。此外，對(duì)司機(jī)過(guò)分相操作過(guò)程缺乏記錄分析手段，其作業(yè)規(guī)范僅依靠司機(jī)的行為自律，發(fā)生問(wèn)題也難以追究責(zé)任。
2)地面感應(yīng)器沿線分布，必須加強(qiáng)管理
預(yù)埋在軌道枕木頭部的地面感應(yīng)器磁鋼信號(hào)源沿線分布，經(jīng)對(duì)其安裝結(jié)構(gòu)和工藝改進(jìn)后,目前能有效防止失竊等現(xiàn)象的發(fā)生。但磁鋼安裝分布點(diǎn)多線長(zhǎng)，跨部門(mén)管理難度較大，特別在線路施工維修過(guò)程中，容易出現(xiàn)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(xiàn)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(shí)別可靠性需要提高
自動(dòng)過(guò)分相位置識(shí)別信息的接受和處理是重要的環(huán)節(jié)。目前采用的自動(dòng)過(guò)分相裝置在設(shè)計(jì)上已經(jīng)考慮了增設(shè)預(yù)斷、強(qiáng)斷2個(gè)獨(dú)立磁鋼信號(hào)的接受和處理，具有一定的冗余措施，但其分相點(diǎn)位置識(shí)別方式仍屬同一類型。受機(jī)車(chē)運(yùn)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(yīng)狀態(tài)變化，以及沿線電磁信號(hào)對(duì)接受線圈的干擾影響等，分相點(diǎn)位置識(shí)別，信息丟失、誤動(dòng)作的概率客觀存在，探索和完善獨(dú)立于磁鋼信息源的輔助信息識(shí)別系統(tǒng)，可進(jìn)一步提高自動(dòng)過(guò)分相系統(tǒng)的可靠性。
3解決方案
解決電力機(jī)車(chē)過(guò)分相安全問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外已作了系統(tǒng)的探索和研究。作為運(yùn)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(yàn)驗(yàn)證，而且涉及投資及運(yùn)營(yíng)線施工改造等難題�；谀壳艾F(xiàn)狀，唯有采取針對(duì)性的技術(shù)和管理措施配套，創(chuàng)造條件逐步過(guò)渡到“機(jī)控為主、有序管理”狀態(tài)。
1)實(shí)施“人控為主、機(jī)控為輔”過(guò)渡，增強(qiáng)過(guò)分相裝置的可靠度
針對(duì)司機(jī)責(zé)任意識(shí)、業(yè)務(wù)素質(zhì)及能力現(xiàn)狀，在宣傳教育上，著重處理好司機(jī)對(duì)自動(dòng)過(guò)分相設(shè)備的依靠和依賴關(guān)系;在管理措施上，要明確司機(jī)操作過(guò)分相的具體要求，并列入作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化考核范圍，同時(shí)要制定并落實(shí)過(guò)分相設(shè)備檢修和入庫(kù)檢查的功能測(cè)試規(guī)定，以提升車(chē)載過(guò)分相設(shè)備的可靠性。現(xiàn)階段實(shí)施“人控為主、機(jī)控為輔”的管理模式，建立機(jī)車(chē)過(guò)分相的二道防線。
2)增設(shè)過(guò)分相狀態(tài)記錄功能，實(shí)施對(duì)人機(jī)控制過(guò)程的分析管理
針對(duì)不同機(jī)型情況，利用機(jī)車(chē)監(jiān)控裝置擴(kuò)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(shè)備的預(yù)斷、強(qiáng)斷輸出和機(jī)車(chē)主斷路器及司機(jī)操作開(kāi)關(guān)信息作為輸入信號(hào)，實(shí)現(xiàn)機(jī)車(chē)過(guò)分相關(guān)鍵要素信息的事件記錄。
結(jié)合監(jiān)控裝置的機(jī)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(duì)過(guò)分相過(guò)程中設(shè)備狀態(tài)及司機(jī)操作的詳細(xì)分析。在監(jiān)控裝置地面處理軟件功能上，增設(shè)了主界面的“過(guò)分相”欄目，實(shí)現(xiàn)退勤檢索分析。
在過(guò)分相記錄事件分析中，設(shè)置了5個(gè)判斷結(jié)果，即：操縱正確、操縱錯(cuò)誤、操縱警告、設(shè)備不良、設(shè)備正常。一旦軟件檢索到存在操縱錯(cuò)誤、操縱警告、設(shè)備不良等事件之一，則在相欄目中顯示出紅色背景數(shù)字，警示分析人員進(jìn)行詳細(xì)分析，實(shí)現(xiàn)了人機(jī)控制的過(guò)程管理。
3)增加地面磁鋼的檢測(cè)功能，及時(shí)監(jiān)測(cè)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(jié)，必須確保其長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠。為防止因線路施工管理不到位，造成磁鋼破損等情況發(fā)生，按照“車(chē)對(duì)地”行車(chē)設(shè)備動(dòng)態(tài)檢測(cè)的思路，開(kāi)發(fā)過(guò)分相磁枕狀態(tài)檢測(cè)裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)過(guò)分相磁鋼信息源的數(shù)量、安裝地點(diǎn)(位置)的動(dòng)態(tài)檢查，相關(guān)監(jiān)測(cè)信息自動(dòng)上網(wǎng)實(shí)現(xiàn)報(bào)警提示，一旦發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)通知設(shè)備維修部門(mén)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢查和維護(hù)。目前，該裝置已在上海鐵路局DF11353號(hào)機(jī)車(chē)試裝并多次對(duì)京滬、滬昆線的地面磁鋼信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)(限于篇幅，本文在此不作詳細(xì)介紹)，取得一定效果。
4)補(bǔ)強(qiáng)語(yǔ)音提示功能，彌補(bǔ)人工操縱的疏漏
目前在機(jī)車(chē)監(jiān)控裝置的過(guò)分相語(yǔ)音提示設(shè)置條件中大多采用對(duì)牽引客運(yùn)列車(chē)的機(jī)車(chē)在到達(dá)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(duì)牽引貨運(yùn)列車(chē)的機(jī)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(shè)置的2次語(yǔ)音提示模式未充分考慮機(jī)車(chē)運(yùn)行速度及實(shí)際過(guò)分相狀態(tài)，應(yīng)當(dāng)加以補(bǔ)強(qiáng)。例如在首次語(yǔ)音提示后，應(yīng)采取連續(xù)不斷提示的方法，由監(jiān)控裝置實(shí)時(shí)檢測(cè)過(guò)分相狀態(tài)，直至在司機(jī)或設(shè)備發(fā)生過(guò)分相操作后，方才關(guān)閉語(yǔ)音，以彌補(bǔ)人工操作過(guò)程中的疏漏。
5)探索分相點(diǎn)位置識(shí)別冗余信息源，提高系統(tǒng)可靠度
在既有分相點(diǎn)位置識(shí)別的地面磁鋼信息源以外，探索不同方式且獨(dú)立的分相點(diǎn)位置識(shí)別信息來(lái)源，實(shí)現(xiàn)信息源的冗余備份，對(duì)提高自動(dòng)過(guò)分相裝置的系統(tǒng)可靠度，最終實(shí)現(xiàn)完全由設(shè)備自動(dòng)控制過(guò)分相具有積極意義。機(jī)車(chē)監(jiān)控裝置里程坐標(biāo)相對(duì)地面磁鋼信息來(lái)講是完全獨(dú)立的，當(dāng)車(chē)載過(guò)分相地面感應(yīng)器的磁耦合回路任一處環(huán)節(jié)處于非正常狀態(tài)時(shí)，利用機(jī)車(chē)監(jiān)控裝置里程坐標(biāo)實(shí)現(xiàn)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(fèi)用，也不增加設(shè)備管理維修成本，應(yīng)當(dāng)積極探索。解決這一問(wèn)題的技術(shù)關(guān)鍵，一是要提高監(jiān)控裝置走行距離累計(jì)精度(控制走20m以內(nèi))，并有良好的防機(jī)車(chē)輪對(duì)空轉(zhuǎn)、滑行等距離補(bǔ)償措施;二是要設(shè)計(jì)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(jiān)控裝置里程坐標(biāo)控制信息源為輔，防止出現(xiàn)2種過(guò)分相位置識(shí)別信息源在控制時(shí)機(jī)上出現(xiàn)交叉影響等情況。
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