地铁分相区设置分析

田仕赵

摘 要：分相区一般设置于交流电气化铁路线路的变电站附近，以防止列车因两区间电力相位不同而产生相位电位差，导致电力机车设备受损。在采用交流牵引的地铁市域快线中存在分相区，其设置位置的合理性是信号系统设计中不可规避的环节。本文针对列车惰性过分相区的需求进行影响分析，通过理论分析，结合项目线路数据进行计算，为信号系统轨旁设备布置、运营单位确定分相区区间列车驾驶模式及非限制人工驾驶模式下的运行速度提供参考。

关键词：交流牵引，市域快线，分相区；设备布置；驾驶模式

Abstract: There is a split-phase area in metro express line with AC traction, and the rationality of its location is an unavoidable issue in the design of signal system. In this paper, the influence of train inertia passing through the phase separation zone is analyzed, which provides reference for power supply specialty to choose the position of phase separation zone and the layout of signal system trackside equipment.

近年来，随着城市轨道交通线路建设的大力发展，地铁市域线路由于区间距离较长，对列车运行速度有更高的要求，因此在地铁市域快线中越来越多采用交流牵引供电。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。在交流牵引供电线路设置分相区，分相区设置是否合理，已成为信号系统设计不可回避的环节。本文旨在从信号系统设计角度出发，根据信号系统特点，论述分相区设置对信号运营的影响，为后续分相区布置提供可参考的设计方案。

1 应用场景分析

在采用交流牵引供电的地铁市域快线中，为防止列车因两区间电力相位不同而产生相位电位差，导致电力机车设备受损，在两个交流变电站供电区域分隔处设置分相区，在分相区域一定范围内无牵引供电，要求列车惰行通过该区域范围(惰行区)。

TB10621-2014《高速铁路设计规范》中11.5.5.条规定“接触网电分相的设置应经过列车过分相能力检算而确定。电分相不宜设置在连续大坡道、变坡点、大电流及出站加速区段，列车过分相断电区距最近信号机不宜小于550m”。而地铁线路中，土建限速、车辆构造限速、线路旅速均较低，站间区间较短，不宜直接借用高铁标准，因此有必要对地铁线路进行适应性分析，以确定地铁分相区防护信号机的位置。

图1分相区示意图

注：

(1)根据《车载控制自动过分相系统技术条件》（TB/T 3197-2008）其中a=35m,b=170m。

(2)接触网采用六跨关节式电分相区，其电气特性：隧道外分相(接触网按40米一跨)中性区总长约160米；隧道内分相(接触网按35米一跨)中性区总长约140米。

(3)惰性区长度L=(b+a+中性段+a),隧道外L=170+35+160+35=400，隧道内L=70+35+140+35=380。

图2中性区示意图(隧道外)

图3中性区示意图(隧道内)

2分相区设置需考虑因素

在供电专业完成分相区设置后，信号系统轨旁设备布置需考虑一些特定条件，如：列车运营间隔、列车参数(车重、牵引/制动特性)、线路坡度、使用的驾驶模式等，列举如下。

1）列车开始惰性的速度满足分相区线路范围内坡度的要求：分相区内不同的坡度条件，对惰行入口速度要求不同。大上坡对入口速度要求较高，大下坡对入口速度要求较低。

2）信号系统CBTC及后备下的运行间隔要求：由于无电惰性区的存在，列车在惰行通过分相区时，区间运行曲线有一个先减速后加速的工程，对系统的运行间隔会有影响。

3）列车编组长度、列车牵引制动性能等：列车编组不同、列车牵引制动性能不同，则要达到惰性区入口速度所需的加速距离则不同。

4）过分相区使用的驾驶模式：不同的驾驶模式，尤其是限制人工驾驶模式和非限制人工驾驶模式有限速的要求，因此惰性区入口速度的高低可以作为运营单位确定驾驶模式的参考因素。

5）线路破度：针对分相区区域存在多个破度变化的情况下，采用该区域内最大上坡进行计算，得出最小入口速度及最小的信号机距离分相区位置；在线路条件苛刻，信号机设置位置不满足运营间隔要求的情况下，根据实际破度进行分段计算，优化惰性区入口速度及信号机位置。

3分相区轨旁信号设备布置方案

图4 分相区轨旁设备布置示意

如果列车停在信号机X1前，列车应能从X1开始加速到惰行区，能以较大的初速度惰行通过分相区。分相区区域的线路条件将影响X1信号机的布置，X1距离分相区起点的距离要足够长，以保证列车正常加速至分相区起点后，列车在惰行工况下完全离开分相区。分相区后方区域长度大于1.5倍车长，确保当信号机X2为禁止信号时，列车停在X2前且车身不遗留在分相区内。

列车以惰行状态通过分相区，沿列车前进方向不存在牵引力，只有阻力（基本阻力和附加阻力）。以8节编组列车(+MC1*M1*TP1*M2*M3*TP2*M4*MC2+)为例，将其看做一个质点，列车任意部分位于惰性区中都没有牵引力，列车车尾完全出清分相区视为通过分相区。考虑列车低速惰性，运行速度较低，阻力较小，仅考虑列车的动能和势能，列车运行过程中满足能量守恒定律，在计算结果上保留一定余量作为补偿。

考虑列车惰行通过分相区的临界条件，即入口的动能全部转换为列车爬坡的势能，对应最低的入口速度。

入口的动能,出口的重力势能, ,可知:

.

其中，6B编组列车车长按130米，6A编组列车车长按150米，8A编组列车车长按190米，则。

图5 惰行区长度

GB 50157-2013《地铁设计规范》中6.3.1条规定“正线的最大坡度宜采用30‰，困难地段最大坡度可采用35‰”。GB 50157-2013《地铁设计规范》中3.3.6条规定“正常情况下，计算起动加速度、制动减速度不宜大于最大加速度、常用减速度的90%，且计算列车起、制动加速度均不宜大于0.9，并应充分利用惰行”。

列车从静止状态启动加速至惰性区入口，加速度是一个逐步增大的过程。惰性区入口速度为v,运行距离为S,平均加速度为a。在实际运营过程中，列车运行加速是一个逐步增大、维持、降低的一个过程，在理论分析中可采用平均加速度0.8进行计算.

；

；

;

针对不同编组列车在最大上坡上,计算满足惰行过分相区的入口速度：

编组	坡度(‰)	惰行距离(m)	入口速度(km/h)
6B	35	660	76.6
6A	35	700	78.9
8A	35	780	83.3

针对不同编组列车,采用不同的牵引加速度，计算列车的加速距离：

编组	速度(km/h)	加速度()	加速距离(m)
6B	76.6	0.8	283.0
6A	78.9	0.8	300.3
8A	83.3	0.8	334.7

通过上述计算分析，考虑适当的余量，则可得出轨旁信号机设置位置。当信号机距离惰性区入口的距离满足要求时，列车从信号机位置开始正常加速至分相区入口获得足够大的初速度确保列车可惰性通过分相区。

4应用实例

在成都17号线白佛桥至九江北上行区间有一处分相区，该无电惰行区范围内有9‰和15‰上坡。成都17号线采用8A编组列车，车长约188米，按190米计算，米。通过计算，考虑10%的余量作为补偿，列车要惰行区通过该区域，最低入口速度为60km/h。列车从静止状态加速到60km/h，取平均加速为0.65,需正常加速运行235米，因此信号机宜设置于距离分相区235米外，以确保列车可以惰行过分相区。

5总结

通过对列车惰行过分相区以及列车启动加速过程分析，得到进入分相区的初速度，列车加速到初速度的运行距离。从而为分相区的设置以及分相区轨旁设备的布置提供依据。

参考文献：

[1]国家标准 《城市轨道交通基本术语标准》GB/T 50833-2012

[2]国家标准《地铁设计规范》GB 50157-2013

[3]国家标准《车载控制自动过分相系统技术条件》TB/T 3197-2008

[4]高慧敏，张守帅.长大上坡道动车组列车过分相时操纵方式研究[M].铁道运输与经济.2015

作者：田仕赵，卡斯柯信号(成都)有限公司，工程师，通信地址：[e-mail].

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