高速、高坡、重载电气化铁路地面控制自动过分相工程设计的应用研究

罗 星,罗文骥,朱建凯,蒲建刚

高速、高坡、重载电气化铁路地面控制自动过分相工程设计的应用研究

罗 星1,罗文骥2,朱建凯2,蒲建刚2

(1.School of Engineering,the University ofWarwick,U.K.;2.西安铁路局科学技术研究所,西安 710054)

建议对地面控制自动过分相术语进行规范;为创新归纳工程设计的诸多内容,针对工程项目开展应用研究,梳理规范工程设计中各专业的分工和相关专业的配套接口设计原则、方法、内容;创新采用分相所箱体结构、八跨式或“N+n”的双断口绝缘锚段关节式电分相、系统供电远动通道接口及远动监控技术、土建工程设计要点;以及机车兼容配套等预算费用编列等问题;创新应用研究取得了青藏铁路西格复线、神朔铁路等多处地面控制自动过分相系统成功应用实例,得出创新应用研究先进科学可行的结论。

地面控制自动过分相;正常转换时间;分相所;中性段转换区;远动监控

Key words:automatic ground control neutral-section passing;normal conversion time;split-phase post; conversion area of neutral section;remotemonitoring

西安铁路局科学技术研究所研发的地面控制自动过分相系统装置,从1998年投入工程应用至今已有15年的时间,涉及7条线路的成功应用。这是拥有自主知识产权,自有核心技术,自行国内制造,目前我国唯一正式投入运营的地面控制自动过分相系统装置。

中铁一、二、三、四设计院,中铁工程设计咨询集团有限公司等单位曾承担该技术的项目设计;铁科院东郊分院曾承担铁道部运输局组织的系统装置检测实验。拟进行工程设计的创新应用研究,归纳提出后续项目设计原则及建议;也为科研创新、学术探索,国内外技术比较提供有益的借鉴,以利于该技术在我国高速、高坡、重载、高海拔电气化铁路的推广应用。

1 地面控制自动过分相术语的由来与规范

1.1 异相电源切换装置和地面开关切换自动过分相

检索考证,1981年依据日本“电气铁道”杂志连载的7篇讲座文稿,国内翻译出版了《交流电气化铁道牵引供电系统继电保护》,较早介绍了日本新干线采用的异相电源切换装置[1];2003年《世界高速铁路技术》以地面开关切换自动过分相技术进行了系统讲解[2]。

1.2 相分段自动转换装置及3种自动过电分相装置

1978年,西安铁路局科研所为解决宝成线的运输瓶颈,开始国内电力机车自动过分相的研究,1997年通过铁道部“相分段自动转换装置”科技成果鉴定[3]。2001年中国铁道学会电气化委员会在南昌举办《电气化铁路自动过分相技术》学术会议,论文集记载了国内外涉及的高速、准高速、高坡、重载运输采用的自动过分相技术[4]。2002年于万聚教授撰著出版《高速电气化铁路接触网》,专设章节详细介绍了国内外车载断电、地面带电、柱上网上断载3种自动过分相装置的应用与发展情况[5]。

1.3 机车控制自动过分相与地面控制自动过分相

2006年铁道部科技司在组织株洲电力机车研究所与广铁集团科研所提出的行标审查会上,与会专家、技术人员结合国内外对自动过分相技术的研究、认知,以及我国大陆和香港、台湾地区实际应用情况,讨论提议,条件成熟,应分别组织编制两个行业标准,即于2009-03-01实施的《机车控制自动过分相系统技术条件》(TB/T 3197—2008),2011年组织审查的《地面控制自动过分相系统技术条件(送审稿)》[6-7]。

因此,建议我国系统技术术语,仍应遵循铁标制定意见进行规范,分别称作:地面控制自动过分相、机车控制自动过分相,简称时可将“控制”二字省略。

1.4 地面控制自动过分相系统的特点及适用范围

该系统最突出的创新特点:是依据实时监测,精确判断列车到达转换位置时,启动并控制分相所的真空断路器,按照程序顺序执行分合的正确操作,实现接触网电分相的中性区在不同的时间段转换与相邻不同供电臂的连接,瞬间正常转换时间0.13 s,保证接触网连续不间断供电;满足电力机车、电动车组主断路器始终在闭合状态下,带负荷,几乎不降速地自动通过电分相的运行,保障牵引供电、机务运用的安全可靠性。地面控制自动过分相装置满足速度0～350 km/h的电气化铁路;满足中国铁路在高速、高坡、重载、客运专线、客货共线等多种铁路运输的需求;满足多种类型、具备兼容功能的直流、交流传动电力机车,电动车组,采用单机、双机、多机配合等编组形式,最大限度地发挥出各类电力机车、动车组的连续牵引力/制动力,保持机车通过电分相的速度和安全运行,压缩运行时分,显著提高铁路综合运输效率。因此,地面控制自动过分相的方式与设计的线路速度等级、电力机车动车组类型、通过电分相的运行速度无必然关联;运行速度可预测在地面真空断路器分合转换时间段的列车走行距离,帮助判识列车运行位置,合理掌控转换设备和电路的设计布置。

2 地面控制自动过分相系统工程建设的设计规范

我国自主研发,投入运营的地面控制自动过分相系统由地面设施、接触网设施、车载设施三部分的列车位置识别、控制保护、操作执行、远动监控、接触网中性段转换区、车载兼容6个子系统构成,结构参见图1。

图1 地面控制自动过分相技术系统

该系统工程创新集成了自动控制,高压电器,相控关合,电子信息,远动监控,光纤通信,机车主,辅变流器控制等领域的创新技术。工程设计主要涉及行车组织、牵引供变电、接触网专业,配套的信号、通信、电力、机务、土建专业,可遵循和借鉴的设计规范主要有《铁路电力牵引供电设计规范》(TB 10009—2005)、《铁路供电调度系统设计规范》(TB 10117—2008)、《铁路信号设计规范》(TB 10007—2006)、《铁路运输通信设计规范》(TB 10006—2005)等。

3 工程设计的创新应用研究

我国自主研发,在应用中坚持创新的地面控制自动过分相技术,分别在宝成线秦岭北麓30‰的连续高坡线路,神朔万吨重载煤运铁路,宜万铁路、青藏铁路西格复线等准高速或快速铁路取得成功运营业绩和经验。

3.1 分相所全备用主接线及工作原理

分相所全备用主接线采用符合设计规范的国产电气化铁道27.5 kV高压设备组成,主要由1ZK、2ZK两台主用真空断路器,与其串联、并联的3ZK、4ZK、11ZK、22ZK四台备用的真空断路器,以及电压互感器、馈线电动隔离开关、避雷器组成。当主用真空断路器执行闭合、开断时发生故障,与其并联、串联的真空断路器顶替完成;此种主用开关2种状态的在线备用设置,创新简捷地解决了系统关键设备故障的备用替代方案;并建立了闭锁联锁双重控制保护环节,故障的处置对供电臂中的列车不会造成影响。二次设备有控制屏、交直流电源屏、蓄电池柜等。接触网电分相选用双断口绝缘锚段关节的结构形式,设置中性段转换区。图2示的1JY、2JY是电分相采用500mm的2处空气绝缘间隙,可满足机车受电弓的平稳过渡和连续受流。沿铁路线路设置的3台列车位置传感器1CG、2CG、3CG,将机车的运行位置信息,实时准确地传递到分相所的控制屏,经逻辑运算发出相应命令,控制、操作真空断路器按程序进行分断、关合,实现接触网中性段转换区,与相邻不同供电电源的自动转换与连续供电(图2)[-8 9]。

图2 地面控制自动过分相主接线及原理示意

3.2 设计采用的主要技术条件及性能参数[7]

(1)适用速度范围:0～350 km/h;

(2)系统转换时间:正常转换时间t≤(0.13± 0.02)s;备用转换时间t1≤(0.4±0.05)s;

(3)系统额定电压:27.5 kV;

(4)系统额定电流:1 250 A或1 600 A;

(5)系统额定短时耐受电流:不小于16 kA;

(6)系统额定短路开断电流:不小于16 kA;

(7)系统寿命:不小于300 000次;

(8)真空断路器:电气性能符合系统要求,创新采用永磁操作机构,首次在国内35 kV等级应用智能相控关合技术,智能选相精度±0.4ms;电气寿命不小于6万次。

3.3 分相所的工程设计

分相所是新的术语界定,是系统控制设备、核心技术集中安装部分,分设高压室、控制室,建设规模复杂性大于分区所。应参照铁路电力牵引供电设计规范中有关开闭所、分区所的条文进行设计。宜采用与牵引变电所、分区所等共同选址合建的设计方案,以简化方便进出高压馈线、光缆、电缆的连接,以及远动监控系统的资源共享,互联互通。分相所的设计可采用供电传统的房建式或箱体式方案。推荐采用创新的2010年箱式分相所设计方案,以保证电气装置整体质量,方便现场整体安装、联调联试等诸项工序,提高系统施工建造水平。

箱式分相所创新规范为4种型号,各型号统一的标准尺寸:长11m,宽2.4m,高2.96m,安装馈线穿墙套管高度3.6m,常采用的是C、D型箱体。高压室应设计有钢板相隔的设备间隔,控制室设有标准屏体的安装空间,箱体出厂完成一次、二次的设计施工安装,试验检验等工作内容,应符合GB/T 17467—2010高压/低压预装式变电站的要求。C型箱体及配套的箱体基础图见图3。

图3 创新的箱式分相所(C型)及配套的箱体基础参考图(单位:mm)

分相所的3条高压馈线经电动隔离开关,设置明显断开点,再经顶部穿墙套管引入分相所箱内设备母线,充分考虑现场停电检修、设备维护的需求,应符合铁运[1999]101号文件《牵引变电所安全工作规程》的规定。

分相所应设计有安全接地网、防雷系统,防护接地电阻应不大于4Ω;需要单独或与合建所通盘考虑27.5 kV馈线、电缆进出连接方式,所内道路、所照明、安全围墙、安全视频监控等单项建安工程的设计内容。

3.4 接触网电分相的设计

电分相设计应采用带中性区的双断口绝缘锚段关节方式,依据高速客运专线铁路设计暂行规定,中性段转换区的长度应保证囊括通过列车、动车组的全部受电弓,实施一次完成供电电源的转换,也称作“同收同放”型转换方式。因此,中性段转换区的长度设计要根据线路允许的最高行车速度,电力机车、动车组的编组方式,受电弓的数量、间距及系统装置各种转换形式等诸多因素综合计算确定;同时应准确设置列车的判识电路及传感器设备。单、双电力机车牵引区段,推荐采用八跨式的双断口绝缘锚段关节式电分相;动车组、重载组合列车牵引区段,推荐采用八跨加四跨式的双断口长绝缘锚段关节式电分相,也称作“N+n”方式电分相(图4)。

图4 双断口“N+n”的长绝缘锚段关节式电分相

中性段转换区长度计算公式、

其中,J为列车或动车组编组列车的前轴至整列车所有受电弓的距离,m;V为线路允许的最高运行速度或该电分相处线路限制的运行速度,m/s;安全距离为依据线路类别、运行速度、共线列车等综合因素考虑选择。

依据《铁路技术管理规程》设计电分相处的电动断电标、T断标、合标、禁止双弓标等安全行车标志。

3.5 列车位置识别电路及设备的设计

地面控制自动过分相系统的列车位置识别技术,创新采用传感器及其构成的轨道电路进行信号采集判识,及时发出启动装置系统的控制信号,满足安全可靠运行。其列车识别率要达到100%,杜绝列车通过的漏检现象,是重要的技术关键子系统。

该部分设计须有多专业配合完成,设计院接触网专业应根据线路、运输组织及供电设计等技术条件,先提出电分相设计图纸;再交由装置设备供应方及时在接触网电分相图上进行轨道电路及传感器的设计布置;然后再返回设计院征询信号专业设计确认。重点要协调落实在列车位置识别电路上下行方向两侧各15 m范围内,必须确保无其他信号设备的干扰和影响,尤其是不应有ZWP2000信号自动闭塞区间补偿电容等对轨道识别电路的影响。必要时须请信号专业设计调整设备布置,通常采取的措施是调整区间电容器位置或加设电容器等,以提供地面控制自动过分相装置正常工作的必要条件。

3.6 光缆通道和远动监控的通信设计

分相所纳入牵引供电远动通道及接口的设计。

(1)优先推荐从分相所控制屏,采用光缆沟通,接入邻近的牵引变电所或分区所的综自系统的RTU,以RS485接口接入供电运动通道系统;再与调度所(电调)调度端联结沟通,分相所作为远动终端(被控站)或被控单元设置,以点对点的方式,上传信息,纳入调度端总体设计,实现调度所对分相所设备实施远动的遥控、遥信监控。

(2)当分相所远动监控系统没有邻近的变电所、分区所可接入时,也可从分相所控制屏,采用光缆,接入就近的车站通信机械室,也应以RS485接口,引接至专设的供电远动通道,再与调度所的调度端进行连通,同样纳入调度端总体设计,实现调度所对分相所设备实施远动的遥控、遥信监控。

(3)分相所远动通道应设计为1主1备,光缆采用CYTZA53单模1×4芯或8芯,接口采用RS485。通讯协议遵循MODBUS协议。车站通信机械室若没有RS485接口时,设计应用转换设备将接入接口转换为RS485接口。通道的技术制式、接口标准、通信规约在同一牵引供电系统内宜统一,技术要求应符合TB 10117—2008。

分相所通信设计应设置电调电话一部,方便调度指挥故障处置及设备的日常维护检修。

3.7 分相所的视频安全监控设计

纳入专用的系统进行设计,接触网、供变电和通信专业需事先沟通协调,做到一条线路的标准、制式、设备统一,方案合理,不应有设计漏项或运营部门在交接投运后再补设。

3.8 外部供电电源的设计

分相所应设有两路独立的外部供电电源,电压等级可均为交流220 V,容量各5 kVA;以电力电缆方式引接至分相所的电源配电箱;在交直流电源屏上再实现双电源的互为备用投入。

3.9 土建工程的项目设计及其他设计工作

土建设计侧重做好外业地质调查,主要工作是箱体基础设计,箱体质量12 t,可参考图3的标准基础图,注意设置工作平台和设备搬运斜坡道;分相所场坪设计主要有进所道路、防护围墙或网栅、场坪排水,以及稳定防护工程等;设备基础主要有电动隔离开关、断电标、传感器的基础,可选用专业的标准图纸;土建基础施工图要兼顾考虑分相所的防雷和接地网设计施工要求。

电缆、电力、防雷接地等建筑安装工程应有分项配套的设计文件及相应的工程预算。电力机车、动车组的兼容技术配套费用可预列在机务专业。涉及的隔离开关、传感器、电动段标等设备安装,需研究制定配套规范的标准参考图纸。应及时做好设计联络、施工交底工作,协调配合建设交验各方,按期完成项目建设,保证装置系统的同步开通投运。

4 典型应用工程项目介绍

我国的地面控制自动过分相技术适应环境条件广泛,该技术的运用管理自成体系,维护简捷,系统技术及关键设备冗余设计安全可靠,系统综合性能指标、价格都优于国外同类产品,适合中国国情,处于该技术领先水平。已开通应用于5条高坡、重载等线路,投入运行装置12套;完成工程交接并通过检验运行的准高速或快速铁路2条,11套装置。2006年以来,获得2项国家专利;被评选为国家重点新产品;获得中国铁道学会科学技术一等奖、三等奖、创新技术奖各1项;陕西省科学技术二等奖1项,第十九届全国发明展览会金奖、陕西省职工优秀发明成果金奖各1项。

宝成线宝鸡东至秦岭段线路长度47 km,20‰以上高坡区段31.53 km,30‰高坡区段4.3 km。1998年首次开通观音山分相所,2004年后又建成投运杨家湾、宝鸡南分相所。在高坡重载区段,形成了连续贯通采用地面控制自动过分相技术的安全运输新局面,提升了电气化铁路的整体安全保障性。压缩限制区间运行时分1 min 19 s,列车牵引定数由2 600 t提高到2 800 t,同时增加图定列车1对,实现了宝成线年增60万t运量的运输扩能需求。

神华集团神朔铁路公司管辖复线电气化266 km, 2006、2007年建成投运南梁、桥头、阴塔3处分相所, 2012年2月又完成以上3处“万吨重载列车”采用地面自动过分相的技术改造,并且新建投运神池南分相所;4处采用“N+n”的中性段转换区长度约1.7 km,实现万吨重载运煤专列“同收同放”的地面控制自动过分相方式,2012年实现日发万吨运煤专列40列,该线路运能及运输效率得到显著提高。

2012年3月铁道部组织HXD1C高原型机车与地面控制自动过分相装置的综合实验测试圆满完成。这标志着我国在高海拔地区采用地面控制自动过分相技术、机车兼容技术等诸多方面的应用研究取得成功,填补了世界4 000 m高海拔地区铁路技术领域的空白,总体技术具有国际领先水平。

5 结论

规范采用地面控制自动过分相技术术语;电源瞬间正常转换时间0.13 s,于电分相处通过的列车运行速度无必然关联,因此适用于高速、高坡、重载、客运专线、客货共线等多种电气化铁路的运输;分相所设计优先推荐采用新型箱式(C型)整体方案;电分相设计应采用八跨式或“N+n”的八跨加四跨式双断口绝缘锚段关节式电分相;列车识别电路布置注意同信号专业的设计协调确认;远动监控及通道接口设计首选接入邻近牵引变电所、分区所的综自系统,再上传调度所纳入总体设计;注意两路外部220 V电源设计;土建工程项目设计要点是箱体、隔离开关等设备的基础和分相所场坪设计,其他建安工程内容的设计,以及机车兼容配套等预算费用的编列;做好设计联络、施工交底与建设中的协调配合,保证项目按期建成同步开通投运。工程设计创新应用研究的内容在典型工程项目中应用,得出应用研究先进科学可行的验证结论。

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Study on the App lication of Engineering Design of Automatic Ground Control Neutral-section Passing on Electrified Railway Line of High Speed,Great Gradient and Heavy haul

LUO Xing1,LUOWen-ji2,ZHU Jian-kai2,PU Jian-gang2
(1.School of Engineering,the University ofWarwick,UK;2.Research Institute of Science and Technology,Xi'an Railway Bureau,Xi'an 710054,China)

This paper proposes the need to specify the terminology covering automatic ground control neutral-section passing;streamlines and specifies the principle,method,contents,discipline division and related interfaces on the bases of the study and application of the engineering design.This paper also introduces the box type structure in phase passing station,eight-span or“N+n”double-fracture insulating anchoring employed for phase passing,remote control passage interface and remote controlmonitoring, and the essentials in the designing of civil engineering.Issues relating to the budgeting for the compatibility of locomotive and successful application of ground control neutral-section passing on Xi-Ge Double Line of Qinghai-Tibet Railway and Shen～Shuo Railway are presented,and innovative,advanced and applicable technologies are concluded.

U224.9+1

A

1004-2954(2013)07-0101-05

2013-01-16;

2013-01-29

铁道部科技研究开发计划重点项目(2010J-011-F)

罗 星(1981—),男,研究员,2010年毕业于英国伯明翰大学电子电气与计算机工程学院,博士,E-mail:Xing.Luo@warwick. ac.uk。