接觸網(wǎng)雙中性區(qū)十跨分相錨段關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)

接觸網(wǎng)雙中性區(qū)十跨分相錨段關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)摘要：比較目前國(guó)內(nèi)接觸網(wǎng)分相錨段關(guān)節(jié)的形式，并對(duì)電力機(jī)車(chē)進(jìn)行自動(dòng)過(guò)分相的過(guò)程進(jìn)行研究，提出一種改良的分相錨段關(guān)節(jié)形式。關(guān)鍵詞：接觸網(wǎng)；分相錨段關(guān)節(jié)；自動(dòng)過(guò)分相0前言鐵路電氣化接觸網(wǎng)由于其安裝于戶外，接觸線需要為電力機(jī)車(chē)受電弓提供電流，因此受電弓應(yīng)當(dāng)始終能夠磨著接觸線進(jìn)行取流、滑行，在任一區(qū)段接觸線都是處于單相的運(yùn)行狀態(tài)下。為了平衡電力系統(tǒng)的三相平衡，所以每隔50-60公里，牽引變電所就要對(duì)接觸網(wǎng)進(jìn)行換相，三相輪流更替，為了防止線路上不同相之間出現(xiàn)短路故障，兩相之間要進(jìn)行電氣隔開(kāi)，我們把這種形式稱為電分相［1］。我國(guó)高速鐵路的電分相形式在我國(guó)電氣化鐵路當(dāng)中常見(jiàn)的分相錨段關(guān)節(jié)有六跨式、七跨式、八跨式。甬臺(tái)溫、滬寧高鐵采用的是六跨式錨段關(guān)節(jié)式電分相；沈山線采用的是七跨錨段關(guān)節(jié)式電分相；京廣線采用的是八跨錨段關(guān)節(jié)式電分相；哈大線采用的是六跨錨段關(guān)節(jié)式電分相，六跨、七跨分相錨段關(guān)節(jié)在這其中最具特點(diǎn)，以七跨為例，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。圖1七跨錨段關(guān)節(jié)電分相結(jié)構(gòu)圖Fig.1Structuraldiagramof7spanoverlappingelectricalsectioningdevice電力機(jī)車(chē)自動(dòng)過(guò)分相對(duì)于分相錨段關(guān)節(jié)所存在的問(wèn)題電力機(jī)車(chē)自動(dòng)過(guò)分相系統(tǒng)電力機(jī)車(chē)在過(guò)分相時(shí)，需要斷開(kāi)機(jī)車(chē)受電弓的主斷路器，通過(guò)慣性通過(guò)整個(gè)分相錨段關(guān)節(jié)。機(jī)車(chē)在通過(guò)之后，再將主斷路器閉合，受電弓繼續(xù)從接觸網(wǎng)上取流，保證電力機(jī)車(chē)的正常受電運(yùn)行。在我國(guó)的牽引供電設(shè)計(jì)當(dāng)中，目前均采用自動(dòng)過(guò)分相系統(tǒng)來(lái)替代傳統(tǒng)的手動(dòng)操作。自動(dòng)過(guò)分相方式最為常見(jiàn)的有三種：柱上式自動(dòng)過(guò)分相、地面開(kāi)關(guān)式自動(dòng)過(guò)分相以及車(chē)載式斷電自動(dòng)過(guò)分相三種自動(dòng)過(guò)分相方式的比較（1）柱上動(dòng)過(guò)分相優(yōu)點(diǎn)：整個(gè)過(guò)分相過(guò)程中，主斷路器不需要斷開(kāi)，設(shè)備簡(jiǎn)單，前期投資、后期維護(hù)成本較少。缺點(diǎn)：在過(guò)分相過(guò)程中，電力機(jī)車(chē)受電弓在接觸網(wǎng)上所產(chǎn)生的過(guò)電壓、涌流可能造成電力機(jī)車(chē)的主斷路器跳閘。（2）地面開(kāi)關(guān)式自動(dòng)過(guò)分相優(yōu)點(diǎn)：接觸網(wǎng)始終帶電沒(méi)有供電死區(qū)，這樣電力機(jī)車(chē)的速度損失就會(huì)很小，非常適合在一些長(zhǎng)大坡道選擇這種方式。缺點(diǎn)：真空負(fù)荷開(kāi)關(guān)需要帶負(fù)荷操作，開(kāi)關(guān)本身雖然是負(fù)荷開(kāi)關(guān)，但并不具備完善的滅弧功能，頻繁動(dòng)作無(wú)論是機(jī)械結(jié)構(gòu)還是電氣壽命都有著很大的影響，后期維護(hù)成本高。（3）車(chē)載式斷電自動(dòng)過(guò)分相優(yōu)點(diǎn)：只需將固定位置的一行的四顆枕木更換為磁枕，在電力機(jī)車(chē)上安裝相應(yīng)傳感設(shè)備。電力機(jī)車(chē)通過(guò)的速度越快，斷電時(shí)間越短，司機(jī)無(wú)需干擾系統(tǒng)自動(dòng)切斷閉合電力機(jī)車(chē)的斷路器和輔助機(jī)組，能夠有效降低過(guò)電流的數(shù)值，使得電力機(jī)車(chē)過(guò)分相時(shí)足夠安全和可靠。缺點(diǎn)：分相錨段關(guān)節(jié)的中性區(qū)較長(zhǎng)，如果正好遇有長(zhǎng)大坡道，容易出現(xiàn)電力機(jī)車(chē)停在中性區(qū)的情況發(fā)生。比較依賴于軌道上的磁枕，且磁枕一旦損失，電力機(jī)車(chē)上的傳感裝置便失效。從以上三種自動(dòng)過(guò)分相的結(jié)構(gòu)來(lái)看：采用柱上斷電自動(dòng)過(guò)分相方式過(guò)分相時(shí)真空負(fù)荷開(kāi)關(guān)帶負(fù)荷操作容易產(chǎn)生過(guò)電壓；電力機(jī)車(chē)的運(yùn)行速度被限制，對(duì)于電力機(jī)車(chē)高速行駛的線路并不適合。地面開(kāi)關(guān)自動(dòng)過(guò)分相方式則對(duì)設(shè)備的性能和技術(shù)參數(shù)要求較高，前期投資和后期維護(hù)成本較大；而最后一種車(chē)載自動(dòng)斷電過(guò)分相方式，電力機(jī)車(chē)在完成退級(jí)和斷開(kāi)輔助機(jī)組后斷開(kāi)主斷路器能夠有效降低過(guò)電流的數(shù)值，使得電力機(jī)車(chē)過(guò)分相時(shí)足夠安全和可靠；該種自動(dòng)過(guò)分相方式適用于雙弓或多弓運(yùn)行的電力機(jī)車(chē)，有效減少牽引動(dòng)力的損失；對(duì)既有線路改造較小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單投資較少，更利于自動(dòng)過(guò)分相的推廣［2］。目前自動(dòng)過(guò)分相當(dāng)中所存在的問(wèn)題以上三種自動(dòng)過(guò)分相結(jié)構(gòu)各有利弊，而我國(guó)目前以車(chē)載式斷電自動(dòng)過(guò)分相為主，在實(shí)際運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)上來(lái)看，車(chē)載式斷電自動(dòng)過(guò)分相由于過(guò)電壓抑制沒(méi)有一套成熟的方案，所以鐵路弓網(wǎng)拉弧損壞事故時(shí)有發(fā)生。相比車(chē)載式斷電自動(dòng)過(guò)分相結(jié)構(gòu)，地面開(kāi)關(guān)式自動(dòng)過(guò)分相可以很大程度地降低接觸網(wǎng)和機(jī)車(chē)上的操作過(guò)電壓，但由于真空負(fù)荷開(kāi)關(guān)長(zhǎng)期頻繁動(dòng)作下有可能出現(xiàn)誤動(dòng)和拒動(dòng)現(xiàn)象，如圖2所示，一旦QF1、QF2拒動(dòng)，則受電弓會(huì)直接從帶電區(qū)闖入無(wú)電區(qū)造成弓網(wǎng)拉??；而QF1合閘后一旦拒動(dòng)，電力機(jī)車(chē)在達(dá)到CG2傳感器后，QF2合閘，或者QF1、QF2誤動(dòng)，此時(shí)中性區(qū)會(huì)直接將兩端供電臂短接，造成兩相短路，后果不堪設(shè)想。圖2地面開(kāi)關(guān)式自動(dòng)過(guò)分相示意圖Fig.2Thegroundswitchautomaticoverindication對(duì)現(xiàn)階段分相錨段關(guān)節(jié)改良后的設(shè)計(jì)方案為了避免出現(xiàn)這種極其危險(xiǎn)的隱患，筆者對(duì)地面開(kāi)關(guān)式自動(dòng)過(guò)分相方案做了優(yōu)化，設(shè)計(jì)了如圖3所示的新型分相錨段關(guān)節(jié)。優(yōu)化后的分相錨段關(guān)節(jié)由三個(gè)絕緣四跨錨段關(guān)節(jié)構(gòu)成，總共十跨，形成了兩段中性區(qū)。左側(cè)A相供電臂供電至4#非工作支絕緣子前，右側(cè)B相供電臂供電至8#非工作支絕緣子后。圖3雙中性區(qū)十跨分相錨段關(guān)節(jié)Fig.3Doubleneutralzonetenspansplitphaseanchorjoint在鋼軌的附近地面敷設(shè)有地感器，當(dāng)電力機(jī)車(chē)經(jīng)過(guò)該地感器時(shí)，收到的信號(hào)會(huì)發(fā)送給地面的控制系統(tǒng)，地面的控制系統(tǒng)發(fā)出指令，瞬間自動(dòng)切換線路電源，實(shí)現(xiàn)不同相的相位變換。與優(yōu)化前不同的是，采用新型雙中性區(qū)十跨分相錨段關(guān)節(jié)的地面開(kāi)關(guān)式過(guò)分相，其中性區(qū)不再出現(xiàn)同一段接觸網(wǎng)先后帶不同相電的過(guò)程而是第一個(gè)中性區(qū)只帶A相電，第二個(gè)中性區(qū)只帶B相電。圖4雙中性區(qū)地面開(kāi)關(guān)式自動(dòng)過(guò)分相裝置示意圖Fig.4Doubleneutralgroundswitchautomaticover-phasedeviceschematic以鐵路下行電力機(jī)車(chē)從左向右行駛為例，圖4中，QF1、QF2是真空負(fù)荷開(kāi)關(guān),CG1、CG2、CG3為機(jī)車(chē)位置傳感器，兩個(gè)中性區(qū)與兩端不同相之間通過(guò)三個(gè)四跨絕緣錨段關(guān)節(jié)電氣絕緣。電力機(jī)車(chē)通過(guò)CG1時(shí)，位置傳感器將信號(hào)傳遞給地面控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)控制QF1閉合，此時(shí)，A相與第一個(gè)中性區(qū)相連接，電力機(jī)車(chē)帶A相電進(jìn)入中性區(qū)；電力機(jī)車(chē)到達(dá)CG2時(shí)，相應(yīng)的傳感器將電力機(jī)車(chē)的位置信號(hào)發(fā)送給地面的控制系統(tǒng)，在控制系統(tǒng)的控制下，系統(tǒng)斷開(kāi)QF1，電力機(jī)車(chē)在中性區(qū)接觸網(wǎng)無(wú)電慣性通過(guò)。電力機(jī)車(chē)行駛至第二個(gè)中性區(qū)通過(guò)CG3時(shí)，位置傳感器將信號(hào)傳遞給地面控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)控制QF2閉合，此時(shí)，B相與第二個(gè)中性區(qū)相連接，電力機(jī)車(chē)在中性區(qū)帶B相電從中性區(qū)進(jìn)入右側(cè)供電臂；電力機(jī)車(chē)到達(dá)CG4時(shí)，電力機(jī)車(chē)已經(jīng)進(jìn)入B相供電臂，系統(tǒng)斷開(kāi)QF2。通過(guò)將傳統(tǒng)七跨分相錨段關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)為雙中性區(qū)十跨分相錨段關(guān)節(jié)后，能夠很好地避免中性區(qū)接觸網(wǎng)、受電弓拉弧受損故障。兩個(gè)真空負(fù)荷開(kāi)關(guān)QF1、QF2的切換時(shí)間間隔約為0.1?0.15秒，速度很快。即便發(fā)生QF2、QF2誤動(dòng)或拒動(dòng)的情況下，也不至于發(fā)生兩相供電臂短接的嚴(yán)重事故，能夠很大程度保證鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩\(yùn)營(yíng)。結(jié)論與建議過(guò)分相過(guò)程中所產(chǎn)生的諧振過(guò)電壓容易造成電力機(jī)車(chē)車(chē)頂?shù)碾妷夯ジ衅鳠龘p，影響計(jì)量、測(cè)量精度，絕緣造成損壞或引起繼電保護(hù)設(shè)備的誤動(dòng)，諧波損耗變大，甚至造成變電所相應(yīng)饋線斷路器跳閘，中斷鐵路行車(chē)，可以說(shuō)過(guò)電分相問(wèn)題已經(jīng)成為制約我國(guó)電氣化鐵路發(fā)展迫在眉睫的問(wèn)題。因此，只有解決電力機(jī)車(chē)過(guò)分相所引起的過(guò)電壓?jiǎn)栴}，解決電力機(jī)車(chē)過(guò)電分相燒毀供電設(shè)備與燒弓問(wèn)題，才能使我國(guó)電氣化鐵路有更加安全的運(yùn)營(yíng)。采用雙中性區(qū)的過(guò)分相方案不但可以避免弓網(wǎng)拉弧，抵消一定的過(guò)電壓、過(guò)電流，而且能夠避免負(fù)荷開(kāi)關(guān)電氣設(shè)備不良發(fā)生誤動(dòng)、拒動(dòng)引起的兩相短路故障。由于目前路局運(yùn)輸繁忙，雙中性區(qū)分相錨段關(guān)節(jié)的模型雖已搭建，