摘要：比较目前国内接触网分相锚段关节的形式，并对电力机车进行自动过分相的过程进行研究，提出一种改良的分相锚段关节形式。
关键词：接触网；分相锚段关节；自动过分相
0 前言
铁路电气化接触网由于其安装于户外，接触线需要为电力机车受电弓提供电流，因此受电弓应当始终能够磨着接触线进行取流、滑行，在任一区段接触线都是处于单相的运行状态下。
为了平衡电力系统的三相平衡，所以每隔50-60公里，牵引变电所就要对接触网进行换相，三相轮流更替，为了防止线路上不同相之间出现短路故障，两相之间要进行电气隔开，我们把这种形式称为电分相[1]。
1 我国高速铁路的电分相形式
在我国电气化铁路当中常见的分相锚段关节有六跨式、七跨式、八跨式。甬台温、沪宁高铁采用的是六跨式锚段关节式电分相；沈山线采用的是七跨锚段关节式电分相；京广线采用的是八跨锚段关节式电分相；哈大线采用的是六跨锚段关节式电分相，六跨、七跨分相锚段关节在这其中最具特点，以七跨为例，其结构示意图如图1所示。
图1 七跨锚段关节电分相结构图
Fig. 1 Structural diagram of 7 span overlapping electrical sectioning device
2 电力机车自动过分相对于分相锚段关节所存在的问题
2.1 电力机车自动过分相系统
电力机车在过分相时，需要断开机车受电弓的主断路器，通过惯性通过整个分相锚段关节。机车在通过之后，再将主断路器闭合，受电弓继续从接触网上取流，保证电力机车的正常受电运行。
在我国的牵引供电设计当中，目前均采用自动过分相系统来替代传统的手动操作。自动过分相方式最为常见的有三种：柱上式自动过分相、地面开关式自动过分相以及车载式断电自动过分相
2.2 三种自动过分相方式的比较
（1）柱上动过分相
优点：整个过分相过程中，主断路器不需要断开，设备简单，前期投资、后期维护成本较少。
缺点：在过分相过程中，电力机车受电弓在接触网上所产生的过电压、涌流可能造成电力机车的主断路器跳闸。
（2）地面开关式自动过分相
优点：接触网始终带电没有供电死区，这样电力机车的速度损失就会很小，非常适合在一些长大坡道选择这种方式。
缺点：真空负荷开关需要带负荷操作，开关本身虽然是负荷开关，但并不具备完善的灭弧功能，频繁动作无论是机械结构还是电气寿命都有着很大的影响，后期维护成本高。
（3）车载式断电自动过分相
优点：只需将固定位置的一行的四颗枕木更换为磁枕，在电力机车上安装相应传感设备。电力机车通过的速度越快，断电时间越短，司机无需干扰系统自动切断闭合电力机车的断路器和辅助机组，能够有效降低过电流的数值，使得电力机车过分相时足够安全和可靠。
缺点：分相锚段关节的中性区较长，如果正好遇有长大坡道，容易出现电力机车停在中性区的情况发生。比较依赖于轨道上的磁枕，且磁枕一旦损失，电力机车上的传感装置便失效。
从以上三种自动过分相的结构来看：采用柱上断电自动过分相方式过分相时，真空负荷开关带负荷操作容易产生过电压；电力机车的运行速度被限制，对于电力机车高速行驶的线路并不适合。地面开关自动过分相方式则对设备的性能和技术参数要求较高，前期投资和后期维护成本较大；而最后一种车载自动断电过分相方式，电力机车在完成退级和断开辅助机组后断开主断路器能够有效降低过电流的数值，使得电力机车过分相时足够安全和可靠；该种自动过分相方式适用于双弓或多弓运行的电力机车，有效减少牵引动力的损失；对既有线路改造较小，结构简单投资较少，更利于自动过分相的推广[2]。
2.3 目前自动过分相当中所存在的问题
以上三种自动过分相结构各有利弊，而我国目前以车载式断电自动过分相为主，在实际运营经验上来看，车载式断电自动过分相由于过电压抑制没有一套成熟的方案，所以铁路弓网拉弧损坏事故时有发生。
相比车载式断电自动过分相结构，地面开关式自动过分相可以很大程度地降低接触网和机车上的操作过电压，但由于真空负荷开关长期频繁动作下有可能出现误动和拒动现象，如图2所示，一旦QF1、QF2拒动，则受电弓会直接从带电区闯入无电区造成弓网拉弧；而QF1合闸后一旦拒动，电力机车在达到CG2传感器后，QF2合闸，或者QF1、QF2误动，此时中性区会直接将两端供电臂短接，造成两相短路，后果不堪设想。
图2 地面开关式自动过分相示意图
Fig. 2 The ground switch automatic over indication
3 对现阶段分相锚段关节改良后的设计方案
为了避免出现这种极其危险的隐患，笔者对地面开关式自动过分相方案做了优化，设计了如图3所示的新型分相锚段关节。优化后的分相锚段关节由三个绝缘四跨锚段关节构成，总共十跨，形成了两段中性区。左侧A相供电臂供电至4#非工作支绝缘子前，右侧B相供电臂供电至8#非工作支绝缘子后。
图3 双中性区十跨分相锚段关节
Fig. 3 Double neutral zone ten span split phase anchor joint
在钢轨的附近地面敷设有地感器，当电力机车经过该地感器时，收到的信号会发送给地面的控制系统，地面的控制系统发出指令，瞬间自动切换线路电源，实现不同相的相位变换。与优化前不同的是，采用新型双中性区十跨分相锚段关节的地面开关式过分相，其中性区不再出现同一段接触网先后带不同相电的过程，而是第一个中性区只带A相电，第二个中性区只带B相电。
图4 双中性区地面开关式自动过分相装置示意图
Fig. 4 Double neutral ground switch automatic over-phase device schematic
以铁路下行电力机车从左向右行驶为例，图4中，QF1、QF2是真空负荷开关，CG1、CG2、CG3为机车位置传感器，两个中性区与两端不同相之间通过三个四跨绝缘锚段关节电气绝缘。电力机车通过CG1时，位置传感器将信号传递给地面控制系统，控制系统控制QF1闭合，此时，A相与第一个中性区相连接，电力机车带A相电进入中性区；电力机车到达CG2时，相应的传感器将电力机车的位置信号发送给地面的控制系统，在控制系统的控制下，系统断开QF1，电力机车在中性区接触网无电惯性通过。电力机车行驶至第二个中性区通过CG3时，位置传感器将信号传递给地面控制系统，控制系统控制QF2闭合，此时，B相与第二个中性区相连接，电力机车在中性区带B相电从中性区进入右侧供电臂；电力机车到达CG4时，电力机车已经进入B相供电臂，系统断开QF2。
通过将传统七跨分相锚段关节设计为双中性区十跨分相锚段关节后，能够很好地避免中性区接触网、受电弓拉弧受损故障。两个真空负荷开关QF1、QF2的切换时间间隔约为0.1～0.15秒，速度很快。即便发生QF2、QF2误动或拒动的情况下，也不至于发生两相供电臂短接的严重事故，能够很大程度保证铁路运输的安全运营。
4 结论与建议
过分相过程中所产生的谐振过电压容易造成电力机车车顶的电压互感器烧损，影响计量、测量精度，绝缘造成损坏或引起继电保护设备的误动，谐波损耗变大，甚至造成变电所相应馈线断路器跳闸，中断铁路行车，可以说过电分相问题已经成为制约我国电气化铁路发展迫在眉睫的问题。因此，只有解决电力机车过分相所引起的过电压问题，解决电力机车过电分相烧毁供电设备与烧弓问题，才能使我国电气化铁路有更加安全的运营。
采用双中性区的过分相方案不但可以避免弓网拉弧，抵消一定的过电压、过电流，而且能够避免负荷开关电气设备不良发生误动、拒动引起的两相短路故障。由于目前路局运输繁忙，双中性区分相锚段关节的模型虽已搭建，但由于场地限制暂无法在运营线路上进行试验，建议有条件的铁路局可以采用本文所提到的接触网双中性区十跨分相锚段关节的方案，来对我国自动过分相系统建立更合理的运行方式。
参考文献
[1]吉鹏霄.电气化铁路接触网[M].北京:化学工业出版社,2011.
[2]魏驰.地面自动过分相方案与过电压分析及抑制措施研究.西南交通大学硕士学位论文,2015.
论文作者:李鹏1,米继光2
论文发表刊物:《电力设备》2018年第5期
论文发表时间:2018/6/20
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