主要完成单位

    西安铁路局
    铁道部运输局装备部
    株洲南车时代电气股份有限公司
    南车株洲电力机车有限公司
    中国北车集团大连机车车辆有限公司

    主要完成人

    汪亚平 张大勇 周 伟 朱建凯 罗文骥 李群锋 李卫国 王大军 董宪军 宋 捷 徐建根 张志学 殷勤策 康明明 于 海 谢 冰 张 敏 普建刚 杨忠辉 王 显

　　项目背景

　　我国自主研发的地面控制自动过分相系统技术由六个子系统组成。机车兼容技术子系统关系着整个系统运用的安全、稳定，体现着实际运输应用效果，涉及机车、供电专业技术的相互配合协调，因此，一直是该领域的重点研究和技术创新内容。
　　2008年1月29日，铁道部运输局会同科学技术司、工程设计鉴定中心，邀请相关铁路局专家对由西安铁路局科研所、南车株洲电力机车研究所有限公司、西南交通大学前期共同研究开发并推广应用的 “直流传动机车兼容技术”进行了技术评审，规范了采用地面控制自动过分相技术，直流传动机车兼容技术的内容、技术标准、技术方案和措施。该评审涉及的电力机车车型涵盖了在用的所有直流传动机车，包括韶山1型至韶山9型电力机车以及部分进口直流传动机车，多达9类18种。
　　进入21世纪，高速、重载铁路快速发展，采用交流传动技术的和谐型机车、动车组成为新型牵引动力。铁道部科技司、运输局及主管机务、供电的各部门领导提出要深入开发和研究地面控制自动过分相技术、交流传动和谐型电力机车、动车组过地面控制自动过分相的兼容技术。

　　研究内容及过程

　　地面控制自动过分相系统运行后，分相所智能真空断路器的分断、关合正常转换，将产生电路暂态的过渡过程，会带来电力机车过电压、过电流的暂态影响。电力机车兼容技术既能缓解暂态影响，又是机车过分相后自动恢复工况的技术保证措施，是这项技术的重要组成部分。对电力机车兼容技术进行应用验证，关系到整个系统每次自动转换能否成功，同时能够维系电力机车、分相所、变电所、接触网及牵引供电系统的安全、稳定、可靠运行。因此，电力机车兼容技术是一项涉及机车、供电专业相互配合的协调技术，一直是兼容技术领域的重点研究和技术创新内容。

    研究内容

　　1.交流传动电力机车在通过地面控制过分相系统时，转换过程对机车主、辅、控制回路产生的影响。
　　2.交流传动电力机车地面控制自动过分相兼容技术措施方案的实现方法。
　　此项研究的关键技术包括：解决交流传动电力机车在通过地面控制自动过分相系统时，机车如何100％准确判断转换过程；解决交流传动电力机车在通过地面控制自动过分相系统时，机车如何做到带负荷、不断电。
研究过程
　　1.计算机仿真。
　　西安局科研所对地面控制自动过分相技术开展计算机仿真模拟，运用PSCAD仿真软件，涉及系统转换的暂态过程、过电压、机车涌流等研究。
　　研究人员根据中国铁道科学研究院环行铁道试验基地牵引网技术参数、宝成线 (宝鸡至秦岭段)牵引网技术参数，建立和谐D3型电力机车仿真模型，分析和谐D3型电力机车通过自动过分相时，真空断路器在各种工况下以不同的角度合分闸的过电压过程及数据，且根据自动过分相装置对电力机车造成的影响，确定初步解决方案并展开论证。
　　在根据铁科院环行铁道试验基地牵引网技术参数建立的模型中，研究人员分别对和谐D3型电力机车在惰行工况和牵引工况下，真空断路器在待投入电源0°、45°及90°等特殊相位关合角进行仿真计算；根据宝成线 (宝鸡至秦岭段)牵引网技术参数建立模型，对和谐D3型电力机车在惰行工况和牵引工况下，真空断路器在待投入电源0°、45°及90°等特殊相位关合角进行仿真计算。这两项试验都取得了较为理想的仿真分析结果。
　　2.地面控制自动过分相技术的交流传动电力机车兼容铁科院环行铁道试验。
　　在铁道部科技司、运输局的组织下，铁科院、西安局科研所、中国北车集团大连机车车辆有限公司、南车株洲电力机车有限公司、株洲南车时代电气股份有限公司等参加了在铁科院环行铁道试验基地开展的应用地面控制自动过分相技术的交流传动电力机车兼容试验。
　　铁科院环行铁道试验基地在4.2公里处安装了西安局科研所在多条线路使用、技术成熟的箱式地面控制自动过分相系统装置。针对地面控制自动过分相系统装置开展的空载试验包括：地面控制自动过分相系统试验，交流传动机车静态冲击试验，交流传动机车各种运行工况试验，地面控制自动过分相系统故障模拟试验，地面控制自动过分相系统装置稳定性试验。此次试验是针对我国自主研发的地面控制自动过分相系统，包括拥有自主知识产权的技术标准、技术条件，国产化系统设备、自有成熟产品开展的综合试验。整个试验过程严谨、全面，在我国铁路行业极具权威性。这也是我国铁路首次开展的该类型技术项目试验。
　　在试验过程中，地面控制自动过分相系统转换动作正常，动作逻辑顺序符合要求，后台机与控制屏、现场各设备状态显示一致，控制、通讯功能正常。
　　试验取得了和谐D3型和D1C型电力机车经过地面控制自动过分相系统装置时，不同牵引工况下牵引绕组及辅助绕组最短恢复供电时间等重要数据。
　　和谐D3型、D1C型机车均在试验中建立了各自类型机车的兼容技术方案，完成了试验的全部项目。试验重点解决了机车电制动，尤其是低速制动工况下的机车兼容技术问题。
　　参加本次试验的和谐D3型、和谐D1C型机车与地面控制自动过分相系统装置动作配合协调，机车、系统设备性能稳定，转换动作时间准确，试验全过程安全、稳定，数据真实、可靠。
　　接触网中性段电压及合闸操作过电压符合相关标准，机车电气试验波形数据符合相关技术标准，均在机车、供电设备允许的技术参数范围内，因此没有对电力机车、供电系统产生过度的冲击和危害。
　　3.在宝成线地面控制自动过分相运行区段开展运用试验。
　　在铁科院环行铁道试验成功的前提下，西安铁路局组织研究人员开始在宝成线 （宝鸡至秦岭间），分阶段开展和谐D3型电力机车的运用考核试验、常态考核试验、控制程序软件优化考核试验。
　　运用考核试验由于采用的机车兼容技术控制软件仍然是在铁科院环行铁道试验基地使用的软件，因此测试数据与环行铁道试验基地试验数据基本吻合。试验结果表明，测试机车可通过调整控制程序，具备交流传动电力机车兼容技术；可满足在牵引、制动、惰行工况下，机车乘务员无操作通过牵引变电所首端、末端地面控制自动过分相装置。
　　常态考核试验在宝鸡南、杨家湾两处地面控制自动过分相装置没有出现故障；装置设备与和谐D3型机车兼容配合，转换动作协调，电源投切自动准确，所有设备技术性能稳定；转换动作时间符合程序设计和机车在此区段实际运用的要求。
　　控制程序软件优化考核试验在各方的共同努力下，实现了预期设定的运用目标，其实际运用效果明显优于铁科院环行试验基地的测试效果，同样优于在宝成线前期组织的运用考核试验和常态考核试验效果。优化考核试验形成的新的控制程序软件版本，可满足长大连续坡道的运用条件，优化了交流传动机车采用地面控制自动过分相的兼容技术方案，为该项技术的推广应用提供了前提条件。
　　根据机车试验波形分析结果，和谐D3型交流传动机车采用地面控制自动过分相技术，在各种运行工况条件下，符合设计要求的电源电压转换时间小于0.15秒、机车电流恢复时间小于5秒的技术条件，较铁科院环行铁道试验基地的测试数据有了显著提升。机车在高坡、重载线路采用自动过分相装置，可以满足对大牵引、制动力的需求，有效提高高坡、重载线路的运行安全。
　　机车控制系统程序优化后，采用地面控制自动过分相技术可以大幅度减小机车过分相时的冲动，提高机车运行安全系数。
　　分相所、机车试验测试波形的分析，均符合相关技术标准。各项技术参数、技术标准均在电力机车、供电设备的允许范围内。

　　铁路运输对地面控制自动过分相技术的需求

　　提高铁路的综合运输效率。地面带电自动过分相技术破解了机车在高坡、重载线路通过电分相的运用难题，保持了机车牵引力和运行速度，有效地缩短了机车过分相的运行时间，克服了过分相断电、惰行工况造成的运行状态损失，提高了综合运输效率。宝成线运输限制区间采用地面控制自动过分相技术后，压缩了列车运行时间，增加了1对图定货物列车，提高了线路的年运输能力。神朔铁路采用地面控制自动过分相技术后，解决了高坡地段、限制区间的运输困难，压缩了断电过分相运行时间。神朔铁路2012年日开行万吨运煤列车40列，线路通过能力和运输效率明显提高。
　　提高机车运用的安全可靠性。电力机车采用地面控制自动过分相技术，实现了主断路器在关合状态下，机车乘务员免操作、安全通过电分相中性转换区，提高了机车过分相的准确性，防止了机车操作滞留中性段及操作冲动、断钩、分离等事故。
　　提高牵引供电系统运营安全。采用地面控制自动过分相技术，电力机车与接触网供电分区及转换兼容配合，避免了机车带电闯分相的弓网故障，确保了机务系统和牵引供电系统的运输安全。

    研究结论

　　前期研究的直流传动电力机车采用地面控制自动过分相的机车兼容技术，主要依据机车性能、控制方式，采用加装机车自动过分相控制器等硬件方式得以实现。
　　研究验证，交流传动电力机车采用地面控制自动过分相的机车兼容技术，可以通过修改机车控制程序软件实现。控制程序软件修改主要涉及电力机车牵引力及电力机车的关键部件、核心控制硬软件技术。
　　直流、交流传动电力机车具备兼容技术，可满足在牵引、制动、惰行工况下，机车不用分断主断路器，带负荷、不断电，安全、稳定地通过牵引变电所首端、供电臂末端分相所。机车对自动转换过程的检测准确率达到100％，并能每次平稳地按照机车固有逻辑，自动恢复到转换前的运行工况，对列车产生的冲动弱小，使安全运输得到保障。
　　研究结果使直流、交流传动电力机车兼容技术应用地面控制自动过分相技术标准保持统一，规范了中国自主研发、拥有自主知识产权的技术创新标准。试验验证了接触网电分相采用 “N+n”设计方案，可在客货共线多种类型列车运行条件下采用该兼容技术的可行性，保持电力机车自动过分相行车速度，提高了电力机车的综合运输效率。
　　直流、交流传动电力机车兼容技术主要针对并减少转换过程瞬态变化对机车主、辅、控制回路的影响。此项技术一方面在瞬态过程中要保护机车各部件，另一方面在转换完成后要在短时间内恢复工况，尤其在机车牵引、制动力大时，关注抑制瞬态过电压的影响，关注机车中间回路的过电压数值。在此项研究中，两个系列交流电力机车的某些数值选取一致，机车二次牵引绕组的电流恢复时间均满足运行要求小于5秒，为机车兼容技术标准的制定建立了基础。
　　此项研究建立了地面控制自动过分相试验平台；先期安排技术方案的试验、再进行三阶段实地上线的运用试验；优化了电力机车控制程序软件兼容技术。此项研究方法可行、过程必要、结果实用，符合现场实际运营需求。
　　此项研究的测试条件、测试组织、测试仪器以及整个测试过程、测试报告以及创新技术的项目研究报告等的编写都十分严谨、真实，在我国铁路研究领域具有指导性、权威性。这是我国铁路首次对该技术项目开展的试验测试工作，对创新技术的推广具有重要的指导意义。