国内外自动过分相装置的比较.doc

国内外自动过分相装置的比较电专群培2002年第2期国内外自动过分相装置的比较孙万启,单圣熊,郑国藩,摘要;手动过分相方式不适于高速铁路且存在各种弊端本文介绍了国外自动过分相的地面转换方式,接触网柱上开关转换方式和车上转换方式同时还对我国所用的3种自动过分相方式进行了比较,并建议速度小于160krn,Il时一般可不考虑自动过分相装置;速度为160200km/h时可采用地面(磁铁)传感车上自动转换的过分相装置;速度为200300km/h时自动过分相可采用车载控制方式.关键词:电气化铁路;国内外;自动过分相装置;比较Abstract:Sincethemanualmodeofpasngoverofneutralsectionisnotapplicabletothehighspeedrmlwaysandhavingvariousdefects,thepaperintroducestheoveeesmodesofgroundtransrofautomaticpassingoverofneutralsectionswitchtransferinOCSmastandtransferonboardItsimultaneeuslycomparesthreetransfermodesofamomaticpastingoverofneutralsectionadoptedinChina,andsuggeststoneglecttheautomaticpassingoverofneutralsectionwhenthespeedislowerthan160km/h,toadoptthedutyshiftautomaticpassingoverofneutralsectiononthegroundfmagnet)sensingcal"whenthespeedisamong160200km/h;toadopttheconolmodeon?boardwhenspeedisamong200300km/hKeywords:electricrailways;homeandabroad;automaticpastingoverofneutralsectiondevice;comparison中图分类号:U225.4文献编码:A文章编号:1007-936X(2002)02-0012?05我国电气化铁路建设初期采用的电分相装置为八跨等接触网绝缘锚段关节式的气隙绝缘结构,后来,随着电气化铁路的发展和科学技术的进步,采用了由绝缘材料制作的分相绝缘器,并于20世纪80年代开始研究电分相地面自动转换装置,1995年投入试运行.鹰厦,京郑线分别引进了瑞士AF公司的柱上开关自动转换装置.广深线安装了地面磁铁传感车上自动转换过分相装置.近年来.在京沪,京沈,京广这3条干线上陆续开行了最高时速l4o160km的旅客列车,广深200km/h电气化铁路已投入商业运营.速度在200km/h以上的秦沈,京沪高速电气化铁路的建设已经开始,电力机车通过电分相的技术问题越来越突出.为使电力机车保持高速运行,保证行车安全和减轻司机劳动强度,自动过分相己成为我国铁路提速和发展高速电气化铁路的关键技术之一.作者筒舟:孙万启(196q一),男,山东人,中铁电气化局集团有限公司技术处,高级工程师,北京100036,电话:46585(北京)单圣熊,中铁电气化局集团有限公司,教授级高级工程师;郏国藩,中块电气化局集团有限公司,高级工程师.121国外自动过分相装置的应用与发展1.1地面自动转换方式以El本新干线采用的地面自动转换方式为代表,其构成及工作原理见图1.断路器S.断路器S2图1地面转换方式示意图该方式是由列车位置及ATC轨道回路来控制地面上的真空断路器,实现机车自动过分相.接触网两端设置2个绝缘锚段关节,2个关节之间为中性段.中性段经真空断路器与2个关节之外不同相位的接触网相连.轨道上设无绝缘轨道电路,没有列车通过时,地面上的真空断路器sI闭合,s2断开,中性段与左方电位相同,列车驶入轨道电路区段A时,安全通过第一个绝缘锚段关节:列车驶入轨道电路B区段,到达第二个锚段关节之前,无绝缘轨道电路发出检测信号.使真空断路器s断开,s2闭合.中性段与右方电位相同,列车安全通国内外自动过分相装置的比较孙万启,单圣熊,郑国藩2oo2gg2过第二个绝缘锚段关节.列车驶出轨道电路区段C后,无绝缘轨道电路发出信号使真空断路器s,断开,s闭合,恢复到没有列车的状态.分相装置的长度取决于真空断路器s及s2的转换时间,列车通过分相区的速度以及列车长度.日本从1961年开始这种过分相装置的研究试验,并首先在山阳新干线采用空气开关方式,1980年以后,东北,上越以及东海道新干线陆续采用了真空开关1986年运营于山阳新干线的0系电力机车主变压器出现了绝缘损坏现象,经分析认为是相分段真空开关投切过程中产生过电压.使电力机车主变压器内部共振放大而引起的,后来经过试验测试确认,在200krn/h速度时,真空开关断合时产生高频再生电弧,电压最高分别为90.8,90.3kV,振荡频率范围在634kHz.通过研究表明,牵引负荷的大小对振荡频率有一定影响,负荷电流越大,衰减速度越快,电力机车极位越高,振荡频率越高.为解决真空开关高频再生电弧对机车设备的危害,日本研究了一种CR冲击吸收装置,在中性段接入电容,电阻以及电抗,降低冲击阻抗,抑制再生电弧产生的高频电流和过电压,具体构成见图2S1S2R为100200fj:C为】NO5uF分相处杂散电容为O叭gF;L为20mH图2CR型冲击吸收装置现场试验表明,采用这种装置对抑制真空断路器分合闸产生的过电压及保证机车设备安全是有效的.由于真空断路器转换方案设备复杂,转换过程中产生过电压并危害机车设备,日本三菱公司研究了由半导体开关反并联连接组成的无接点式转换开关(见图3),保证机车在牵引状态下通过分相区,而且原边电路不断开,不影响电力机车的再生制动,从而提高行车安全性.列车前进方向-÷图3半导体开关自动分相装置原理示意图1.2接触网柱上开关自动转换方式以瑞士AF公司产品为代表,其构成和基本原理见图4.,列车前进方向图4接触网柱上开关自动转换方式示意图在正常情况下.A,B组真空开关均为断开位置.当电力机车运行至a.b之间时,A组开关装置线圈L_中有电流通过,磁铁吸合,真空开关闭合,c-d带电:当电力机车运行至c.d之间时,A组开关装置线132002年第2期圈L【中无电流通过,磁铁释放15ms后,真空丌关A断开,d-ef-g之间为无电区,列车惰行通过.当电力机车运行至g-h时,B组开关装置线圈中有电流通过,磁铁吸合,B组真宁开关闭合:当机车运行至i后,B线圈L2中无电流通过,B组真空断路器断开,但此时该开关不起分断电流作用,A,B组开关回到初始状态.1.3车上自动转换方式以法国,德国,英国以及西班牙铁路为代表,尽管其接触网分相采用不同的结构形式,但电力机车通过分相区时,都是通过车主断路器的分合来实现接触网不同相位电源的转换.法国接触网分相由七跨锚段关节(包括中性段)构成.德国Rel60接触网分相由3个分段绝缘器串成,Re200及以上的快速线的接触网分相采用2个绝缘关节加中性段构成.地面传感系统采用轨道电路方式,机车开关动作由地面轨道回路控制英国接触网电分相采用锚段关节加中性段方式,地面传感系统采用结构简,价格低廉的电磁传感方式.西班牙列车通过电分相时不降弓,但在驶入?1性段前司机需根据连续式列车自动控制系统的信号断开主断路器,如果司机没有操作,则由系统自动断开,通过分相区后,必须由司机将主断路器复位.2我国自动过分相装置应用情况我国白20世纪8O年代就开始研究相分段自动转换装置,由于受当时设备功能的限制,直到1994年底,采用真空开关的方案才在成阳西正式实施并于1995年投入运行试验鹰厦电气化铁路开通后,为解决高坡区段的电分相问题,安装了瑞士AF公司的网上自动转换装置,1997年11月投入试运行.此后,京郑电气化工程中的广武站也采用了该类型过分相装置.对国外的自动过分相装置进行了综合经济技术比较后,广深线采用了地面磁铁传感,车上自动转换方式.2年多来,经过ss8电力机车,X一2000摆式列车及广九KTT双层列车的运行考验,较好地满足了200km/h速度电力机车的运行要求.国内自动过分相装置的分析比较如下.2.l地面转换方式郑州铁路局西安科研所研究开发的接触网相14分段自动转换装置,方案原理与日本的地面转换方式基本相同,机车通过分相区的断电时间约为01OO15s.系统构成见图5.GlG!G3GaSlS:真空负荷开关D:三极隔离开关D1,D2:单极隔离开关Ar:避雷器CT:电流互感器盯:电压互感器FU:熔断器G.一血:机车位置传感器图5地面开关自动转换方式构成图G.G为设置在线路上的无绝缘轨道电路,是机车位置传感器.S.uS为真空负荷开关,由控制系统按照传感器的信息自动控制其断开或闭合,其中,s【,s2为主用开关;s4,s5为检修备用开关;s3是sl,s5的在线备用开关,平时处于闭合位.当sl或s5发生拒分故障时,s3迅速分断,然后再闭合s2或s4.D为三极隔离开关,便于装置的投入或撤出;D为单极隔离开关,在s检修时将其旁路;D为单极隔离开关,正常时处于分断位,在装置停用时,如中'陛段上有机车途停,D-闭合后机车受电驶离中性段.这种过分相转换方式,中性段长度的确定必须考虑机车运行编组的多样性,对于单受电弓的列车或是取机重联,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,中性段要按整个列车长度来考虑.电力机车通过分相区后的合闸涌流最大可达机车原负荷的9.5倍,较大的电流冲击有可能造成电机环火,列车冲动也使乘坐舒适度降低.改进控制回路可以减小电流冲击,即机车上检测到连续60ms无网压时,把司机手柄回到零,延时0.5s,然后再重新启动机车.司机手柄由零位到(电流)额定值最大延时约46s.该方案经过试验改进后已在2个分相所投入使用.2.2柱上开关自动转换方式国内外自动过分相装置的比较孙万启,单圣熊,郑国藩2002-ff-Jg2期1993年,福州铁路分局从瑞士AF公司引进2组自动分相装置,安装于鹰厦线杏林至前场区间.分相装置长7.3111,如果机车速度为30km/h,通过分相区时,机车受电弓失电时间为O.86S,超过了ssl,ss4型电力机车零压保护整定时间(O.1+-10%S),为此,调整了试验机车零压保护整定时间,为保证辅机可靠启动,还对控制回路进行了改造.该方案运行的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,靠惯性闯过无电区,则速度损失很大,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组开关线圈受电时间过短,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.机车通过分相区过程中,开关A断开时,牵引电机电流由司机手柄给定值突变为零;通过无电区以后,由零突变为手柄给定值,产生很大的冲击电流,在辅机回路产生过电流,甚至引起机车主断路器跳闸.调整过流保护的时间参数后,情况有所改善,但电力机车电气系统的稳定性受到一定影响.在试运行过程中还发现,机车的三相接触器和受电弓滑板均有烧伤现象.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,在断口处产生电弧和机车上的网压突变造成的.2.3地面磁铁传感车上转换方式广深线200km/h电气化铁路为适应直通九龙的需要,采用了地面磁铁传感,车上自动转换式过分相装置,全线上,下行共设5套.转换装置由接触网,地面磁铁和车上接收,控制设备3部分组成.接触网为七跨绝缘锚段关节,以减少硬点,减轻磨耗.地面磁铁安装在离分相区两端约6Om处的线路左,右两侧,固定在轨枕上,每分相处共安装4块.机车接收设备安装于转向架两侧,与地面磁铁在同一垂直面上,距离为12O125mm.车上安装4个接收装置,相应的2个进行并联,提高装置的可靠性.当机车通过磁铁时,感应器接收到信号,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20ms宽,110V电平的复位信号,使感应器复位,预告信号消失.延迟时间主要考虑完成对预告信号的确认,封锁触发脉冲,等待电机电流衰减,断开主断路器和一定裕度,延时时间不能过长,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只是为了线路上车辆反向行驶的需要才设置的.过分相信号的时序图如图6.转告信号r1r-1复位信进分相出分相图6预告信号与复位信号的时序这种自动转换方式,要利用机车微机控制系统的数字输入,输出口,检测预告信号,发出感应器复位信号及主断路器动作命令.电力机车必须在主断路器前设置25kV电压互感器,以检测接触网电压.国产相控电力机车一般都装有高压互感器,所以这种方案实现自动过分相,一般不需另行增加机车上的设备.这种转换方式,机车断电时间=!±兰:鱼+0.20.43sV式中:,为分相区接触网中性段长度,约60m:12为第一组电磁铁距中性段长度,60m;O.43为机车收到预告信号至主断路器断开的时间(3次确认18Oms,封锁脉冲延时200ms,主断路器分断50ms):02为收到信号至主断路器闭合的时间(3次确认180ms,主断路器闭合20ms);若运行速度v分别为160,200,250,300km/h,则相应的断电时间t分别为2.47,1.93,1.50,1.21S.机车通过电分相,主断路器闭合后,可以自动控制牵引电流上升率,限制冲击电流,对机车的机,电冲动较小.电流上升到额定电流约需4S.这种车上自动转换方式,投资较低,设备可靠性高,检修维护简单.主断路器只分断辅机的小电流,而不需分断牵引电机电流,对主断路器寿命影响小,可适应多种速度要求.对微机控制型机车(如SSB,ss9,SS4B)可以通过软件来实现,对模拟控制型相控机车(如ss4改,ss3R,ss6,ss6B),需进行少量改造,对于用调压开关进行调压的机车(如15电气化铁道2002年第2期ss1,SS3)则较难实现.3主要技术参数及性能比较地面开关自动转换,柱上开关自动转换和车上自动转换这3种过分相方案的主要技术参数及性能比较见表1.表13种过分相方案的主要技术参数及性能比较4建议(1)采用自动过分相装置,要根据实际运行的需要,速度在160km/h以下时,除线路条件特别困难外,一般可不考虑自动过分相装置.(2)速度为160200km/h时,可采用地面(磁铁)传感,车上自动转换的过分相装置,亦可作为高速电气化铁路的参考方案.(3)在高速200300km/h时,自动过分相可采用车载控制式,利用行车指挥系统本身的功能来实现.(4)应积极研究采用可关断晶闸管及相应的微机控制装置.(5)自动过分相技术与电力机车的主电路,辅助回路,控制保护回路关系密切,因此,在研究自16动过分相方案时,还要研究电力机车相关技术,以优化和改善自动过分相的整体技术性能.参考文献:1】郭育华.连级三,张昆仓.自动过分相对电力机车的影响J1.机车电传动.2O00(2)21林磊.自动分相装置试验的浅析J1电气化铁道.1998(3):37383l严云升.ss8电力机车的微机控制系统J1机车电传动.1994(614】严云升.自动分相装置试验的浅析口1.机车电传动.1999(6)【5】乐建学.可编程控制器在自动过分相控制中的应用【J120o0(2)收稿日期:2002?0315