什么是铁路自动过分相？

坐火车时，你有没有注意到列车偶尔会“顿一下”，但很快又恢复平稳运行？这可能是列车在自动过分相——一种让火车在不同供电区间无缝切换的黑科技！今天，我们就一起看看这项隐藏技术背后的科学原理，看它是如何让火车跑得更稳、更安全的。

分相区是什么？

分相区是电气化铁路的无电区间，它是将不同变电所供出的不同相位的电，通过两个分相开关进行隔离，以防止异相电短路并造成熔断接触网。在电气化铁道牵引区段，牵引供电采用单工频交流供电方式。为使电力系统三相尽可能平衡，接触网采用分段换相供电。为防止相间短路，必须在各独立供电区之间建立分相区，各相间用空气或绝缘子分割，称为电分相。一般设置于交流电化线路的变电站附近、两交流变电站供电区域的分隔处，或交流与直流供电的交界处。

在分相区内，接触网不带电，列车主断路器打开，列车的牵引和车载供电不能由接触网供电，为了保证在过分相区时向车载电源的持续供电，必须维持对中间牵引电路的供电，在“驾驶”模式或者电制动情况下，可以转换为牵引系统中间电路的“直流环节电压保持”模式，即列车采取些许“制动”，而牵引电机则转为发电机状态，通过逆变器向中间牵引电路供电。

自动过分相产生的背景

按照牵引供电网和电力机车运行要求在电力机车通过电分相时必须断电运行，电力机车在进入分相区前，即在过电分相前，将电力机车主电路与牵引供电网断开，机车依靠惯性惰行通过电分相，之后再将电力机车主电路接入牵引供电网。一般来说，可以通过“人控”(司机操作)或“机控”（设备控制）两种方法，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。

“人控”模式就是在电力机车通过电分相时由司机在电力机车上进行一系列切断和接入主电路的操作。电气化铁路每25至30km就会设置一处电分相，每个分相区段长度在80至400m之间。随着列车运行速度的提高，过电分相变得越来越频繁，若列车运行速度按照普速铁路160km/h计算，每9到10分钟就要过一处电分相，极大地增加了司机的劳动强度。

由于操作者可能存在失误，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，自动过分相技术越来越重要。

自动过分相的方式

目前国内外研究和采用的自动过分相装置，技术方案大体可分为３种：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

地面开关式自动过分相装置其结构和原理如下图所示。这种自动过分相中性段带电通过，与列车检测轨道电路组合，在变电所及分区所内设置断路器，瞬间自动切换电源，使列车在分相中性区可以带电牵引运行，电分相的长度可以不受机车类型及前后受电弓距离的限制。日本的新干线就采用这种地面开关自动切换方案。

在接触网分相处嵌入一个中性段，两端分别由绝缘器1JY、2JY与两相接触网绝缘。1JY、2JY采用锚段关节结构空气绝缘，以保证机车受电弓滑过时能连续受流。两台真空负荷开关及其串联、并联的真空开关3ZK、4ZK，分别跨接在1JY、2JY上，使两相接触网能通过它们轮流向中性段供电。在线路边设置台列车位置传感器1CG、2CG、3CG，由它们将机车位置信息发送给控制屏，经逻辑运算发出相应命令控制开关动作，实现中性段供电相位的自动转换。

地面开关自动切换方案过分相方案断电时间约0.1~0.15s，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，可适用于不同的机车速度。这种方案缺点是过分相后合闸的电流冲击较大，同时建造和运行维护费用比较高。

（2）柱上开关自动断电方案

柱上自动过分相装置是在接触网的电分相中性区域安装相应实现自动过分相的装置和设备，实现在无人干预的情况下，机车通过电分相区域。瑞士等国家就是采用这种自动过分相的方案，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。

上图中，L1、L2为磁控线包，K1、K2为真空灭弧室，M为电压吸收器，x至y段为中性段绝缘滑道，2、3为两个分段绝缘器。假使机车由左向右行驶，由A相驶入，进入B相。当机车行驶到1-2的位置时，即进入线包受流区时，机车通过磁控线包L1受流，真空灭弧室K1合闸，2至x的区段带电。当机车驶过2以后，离开了控制线包受流区，进入K2供电的分段区，真空灭弧室分闸，机车断载。此时机车不带电通过2至3之间电分相的x至y主绝缘区。过了3以后‚机车通过B相的受流线包L2得到B相的电流，经过4以后，由相供电。机车反方向行驶时也是一样道理，由B相过渡到A相。

柱上开关自动断电方案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。但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，同时触网分段较多、结构比较复杂。

（3）车上自动控制断电方案

车上自动控制断电方案也称为车载断电自动过分相，它是基于地面定位技术的车载自动过分相控制系统。机车通过感应地面定位信号来确定机车与分相点的相对位置，地面定位和机车感应信号分别采用斜对称埋设和备份接收，以保证自动过分相的安全和可靠。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问题时，主要通过借鉴国外经验，逐步推广应用了车上自动控制断电方案。除我国以外，法国、英国、德国也主要采用这种自动过分相方式。

车上自动控制断电方案具体来说，如上图所示。1#地面感应器是电力机车过分相的预备信号，当机车通过地面感应器1#点，接收到该信号时，控制装置记录机车即时速度v，根据速度计算出延时时间（包括司机指令回零时间、各辅助机组断开时间、劈相机断开时间和主断路器断开时间）。同时，司机台的过分相指示灯亮，表示控制装置己接收到分相点前车位定位信号，控制装置开始进行自动过分相控制。2#地面感应器是过电分相时的立即断电信号，为了防止没有接收到过电分相的预备信号，它还起到应有的保护作用。当机车收到该信号时，控制装置经过延时后，执行完毕自动过电分相的全部动作。3#地感器是车载过分相系统通过分相区后自动恢复信号发生器，当机车感应器接收到其信号时，控制装置自动执行合主断路器、合各种辅机等一系列动作。

车上自动控制断电方案优点是投资费用低，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。但是这种方案的车上断电时间较长，在高坡困难区段列车速度损失比较大，地面信息设备缺乏备份，如果该信号丢失或失效可能会发生带电拉弧等故障。