关于电力机车过分相问题的探讨论文
0引言
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，在不同相供电臂之间的连接处用绝缘装置分割，形成了二个供电臂之间绝缘分割区域，称为分相区。电力机车在进入分相区前，通过“人控”(司机操作)或“机控”(设备控制)2种方法，切断机车用电负载，使电力机车受电弓在无电流情况下滑行通过分相区后，再恢复机车用电负载。上述“人控”和“机控”的2种过分相操作方法，由于受操作者可能存在的失误和设备故障失控，带电过分相的现象还难以杜绝，而一旦发生，轻则受电弓、分相装置受损，严重时造成接触网烧损，中断铁路运输，给电气化铁路行车安全构成严重威胁。因此，研究和完善过分相的设备改进方案，强化配套的管理工作，提升电力机车过分相的可靠性成为十分重要的课题。
1过分相装置原理简述
目前国内外研究和采用的自动过分相装置，技术方案有3种：即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。
1)地面开关自动切换方案
日本新干线采用地面开关自动切换过分相方案。在接触网分相处设置一个中性区段，两端分别由绝缘器F1、F2与二相接触网绝缘，一般采用锚段关节结构，以保证受电弓滑过时能连续受流。2台真空断路器S1、S2分别跨接在接触网两相上并能通过它们向中性区段供电，在无机车通过时，S1闭合、S2断开。钢轨两侧设置4个机车位置感应器CG1~CG4(或利用轨道电路实现位置检测)，当机车驶入CG1点时，机车自然由A相供电;当机车驶入CG2点，但还未到CG3点时，控制电路使断路器S1断开，S2闭合，此时中性段由B相供电;当机车驶出CG4点时，控制电路使S1闭合，S2断开，恢复到没机车时的状态。机车反向通过分相区时CG1~CG4发出相反顺序动作。工程实施要考虑设备在线检修备份等因素并设置分区所，实际方案较以上复杂得多。这种过分相方案断电时间约0.1~0.15s，其优点是：接触网无供电死区，无需司机操作，车上主断路器无须动作，自动换向时接触网中性段瞬间断电时间短，可适用于不同机车速度;缺点是：过分相后合闸的电流冲击较大，建造和运行维护费用很高。
2)柱上开关自动断电方案
瑞士等国家采用此方案，我国原福州铁路分局曾从瑞士AF公司引进，安装于鹰厦线运用。其结构原理如图2。它由2个真空磁控线包L1、L2，真空断路器K1、K2，过电压吸收器MDA，以及相应的接触网分段组成。在设备和结构上对称分布，以适应正、反向行车要求。其基本原理是利用机车通过磁控线包受流区b段和h段时使L1、L2受流，产生真空断路器K1、K2分闸动作和真空灭弧，切断机车供电，使机车不带电通过分相主绝缘区e段。其特点是设备布置在支柱上，结构简单，无须设立分区所，无需司机操作，机车上主断路器无需分断。缺点是：真空开关带负荷分断，需要经常维护，柱式安装，难以实现设备备份;机车过分相时过渡过程中的过电压、涌流冲击大，容易造成列车冲动;接触网分段较多、结构复杂;机车单方向行驶时，K1、K2开关只有一组动作是必要的，同时存在供电死区，断电时间也较第一种长并与速度有关。
3)车上自动控制断电方案
法国、德国、英国、中国等采用车上自动控制断电过分相。分相区采用锚段关节结构设置中性区段，在机车进出分相区一定距离的线路上安装磁钢或其他点式信息装置。当机车从A相驶来达到磁钢1处时，通过车载设备接受地面信息并送入机车牵引控制装置，延时断开机车主断路器，使机车惰行通过无电区。在通过无电区后，机车接受到地面磁钢2的定位信息，再自动合上主断路器，然后顺序启动辅机并控制牵引电流逐步加载，其控制过程可完全由车载设备完成，无需司机操作。
这种方案的优点是：投资费用低，仅增加地面信息装置及车上信号接受设备，通过车上断电控制牵引电流的上升率，可减少对列车冲动影响，能适应不同速度的列车通过等。其缺点是：车上断电时间较长，在高坡困难区段列车速度损失较大，地面信息设备缺乏备份，如果该信号丢失或失效会发生带电拉弧等故障。
2车上自动过分相装置运用管理分析
我国铁路电气化是从既有线改造起步的，在解决电化区段过分相这一关键技术课题上，通过借鉴国外经验，逐步推广应用车上自动控制断电方案。而车上控制过分相方案存在的一些弱点，使我们在完全采取车上自动过分相问题上比较谨慎，其可靠性方面存在的主要问题有：
1)司机频繁操作，失误的概率客观存在
在铁路高速、高密度运行条件下，单纯依靠司机操作过分相存在一定难度。以京沪线为例，上海铁路局管内上、下行设有64处分相区，平均距离18.6km，最小不足13km，按目前客运机车运行速度约7min左右过一次分相，动车组以最快速度运行时不足4min过一次分相。司机频繁操作，劳动强度较大，再加上行车过程中的必要操作和信号瞭望等其他因素干扰，司机对过分相操作的注意力分散，操作失误的可能性客观存在。此外，对司机过分相操作过程缺乏记录分析手段，其作业规范仅依靠司机的行为自律，发生问题也难以追究责任。
2)地面感应器沿线分布，必须加强管理
预埋在轨道枕木头部的地面感应器磁钢信号源沿线分布，经对其安装结构和工艺改进后,目前能有效防止失窃等现象的发生。但磁钢安装分布点多线长，跨部门管理难度较大，特别在线路施工维修过程中，容易出现磁钢破损、移位、缺失等情况，一旦发生而又未及时发现和处理，会影响自动过分相装置的正常工作。
3)分相点位置识别可靠性需要提高
自动过分相位置识别信息的接受和处理是重要的环节。目前采用的自动过分相装置在设计上已经考虑了增设预断、强断2个独立磁钢信号的接受和处理，具有一定的冗余措施，但其分相点位置识别方式仍属同一类型。受机车运行速度、横向摆动、垂直振动、外来物体击损等引起的磁感应状态变化，以及沿线电磁信号对接受线圈的干扰影响等，分相点位置识别，信息丢失、误动作的概率客观存在，探索和完善独立于磁钢信息源的辅助信息识别系统，可进一步提高自动过分相系统的可靠性。
3解决方案
解决电力机车过分相安全问题，国内外已作了系统的探索和研究。作为运营管理部门，欲从技术方案上彻底解决问题，不仅涉及方案试验验证，而且涉及投资及运营线施工改造等难题。基于目前现状，唯有采取针对性的技术和管理措施配套，创造条件逐步过渡到“机控为主、有序管理”状态。
1)实施“人控为主、机控为辅”过渡，增强过分相装置的可靠度
针对司机责任意识、业务素质及能力现状，在宣传教育上，着重处理好司机对自动过分相设备的依靠和依赖关系;在管理措施上，要明确司机操作过分相的'具体要求，并列入作业标准化考核范围，同时要制定并落实过分相设备检修和入库检查的功能测试规定，以提升车载过分相设备的可靠性。现阶段实施“人控为主、机控为辅”的管理模式，建立机车过分相的二道防线。
2)增设过分相状态记录功能，实施对人机控制过程的分析管理
针对不同机型情况，利用机车监控装置扩展接口开发了过分相状态记录功能。将车载自动过分相设备的预断、强断输出和机车主断路器及司机操作开关信息作为输入信号，实现机车过分相关键要素信息的事件记录。
结合监控装置的机车工况(加载、卸载)、过分相事件记录等综合分析判断，完成对过分相过程中设备状态及司机操作的详细分析。在监控装置地面处理软件功能上，增设了主界面的“过分相”栏目，实现退勤检索分析。
在过分相记录事件分析中，设置了5个判断结果，即：操纵正确、操纵错误、操纵警告、设备不良、设备正常。一旦软件检索到存在操纵错误、操纵警告、设备不良等事件之一，则在相栏目中显示出红色背景数字，警示分析人员进行详细分析，实现了人机控制的过程管理。
3)增加地面磁钢的检测功能，及时监测管理
地面磁钢信息源是目前车上自动过分相的关键环节，必须确保其长期稳定可靠。为防止因线路施工管理不到位，造成磁钢破损等情况发生，按照“车对地”行车设备动态检测的思路，开发过分相磁枕状态检测装置，实现对过分相磁钢信息源的数量、安装地点(位置)的动态检查，相关监测信息自动上网实现报警提示，一旦发现问题及时通知设备维修部门进行现场检查和维护。目前，该装置已在上海铁路局DF11353号机车试装并多次对京沪、沪昆线的地面磁钢信号进行检测(限于篇幅，本文在此不作详细介绍)，取得一定效果。
4)补强语音提示功能，弥补人工操纵的疏漏
目前在机车监控装置的过分相语音提示设置条件中大多采用对牵引客运列车的机车在到达分相点前的1500m时进行首次语音提示，然后在距分相点前的1000m时进行第2次语音提示;对牵引货运列车的机车则分别在距分相点前的1000m、500m进行2次语音提示。这种按固定方式设置的2次语音提示模式未充分考虑机车运行速度及实际过分相状态，应当加以补强。例如在首次语音提示后，应采取连续不断提示的方法，由监控装置实时检测过分相状态，直至在司机或设备发生过分相操作后，方才关闭语音，以弥补人工操作过程中的疏漏。
5)探索分相点位置识别冗余信息源，提高系统可靠度
在既有分相点位置识别的地面磁钢信息源以外，探索不同方式且独立的分相点位置识别信息来源，实现信息源的冗余备份，对提高自动过分相装置的系统可靠度，最终实现完全由设备自动控制过分相具有积极意义。机车监控装置里程坐标相对地面磁钢信息来讲是完全独立的，当车载过分相地面感应器的磁耦合回路任一处环节处于非正常状态时，利用机车监控装置里程坐标实现过分相冗余控制能发挥一定的安全保障作用，特别是采用这一方法时几乎不需要增加投入费用，也不增加设备管理维修成本，应当积极探索。解决这一问题的技术关键，一是要提高监控装置走行距离累计精度(控制走20m以内)，并有良好的防机车轮对空转、滑行等距离补偿措施;二是要设计好2套控制信息源并行工作时的控制逻辑关系，要以既有磁钢控制信息源为主，监控装置里程坐标控制信息源为辅，防止出现2种过分相位置识别信息源在控制时机上出现交叉影响等情况。
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