城市轨道交通系统架空接触网电分段的设置

城市轨道交通系统架空接触网电分段的设置

摘要：结合工程实践提出了城市轨道交通系统中1 500 V架空接触网电分段设置存在的问题，通过对受电弓过电分段可能产生的拉弧问题及对直流馈线保护的分析，提出将城市轨道交通系统架空接触网锚段关节形式的电分段设置在车站与牵引变电所同一端。

关键词：电分段；拉弧；直流馈线保护；新思路

随着我国城市建设的快速发展，城市轨道交通并入了国民经济快速发展的轨道。由于国内各地城市轨道交通项目同时建设，因此各工程的设计结合了各地的具体情况并借鉴了不同国家的技术及经验，形成各地城市轨道交通设计技术方案的多样性和多种技术形式共存的局面，其供电系统也不例外。

本文对工程中1 500 V接触网正线采用不同形式的电分段在设置中存在的问题进行了分析和探讨，并提出一些认识和建议。

1 电分段作用及形式

1.1电分段的作用

电分段的作用是通过在接触网中设置特殊的装置或结构形式将接触网分隔成若干个从结构和电气上相互隔离的区段。

接触网被电分段分隔成若干个独立供电分区后，可以实现各供电分区由相应的牵引变电所分别供电，保证供电质量，同时，在接触网故障时将事故范围控制在尽可能小的范围内，实现安全、可靠运营。正线接触网的电分段示意图见图1。

1.2 电分段的形式

目前，由于受接触网形式及安装空间的条件限制，国内外架空接触网电分段的采用形式不尽相同，主要包括以下几种形式。

1.2.1 柔性悬挂方式的电分段

柔性悬挂电分段一般采用分段绝缘器方式和锚段关节形式。

分段绝缘器方式一般适用于空间狭小的地下隧道，可以节省空间，但须设置专用的分段绝缘器，同时存在列车受电弓滑过电分段时，因导线与分段绝缘器连接处存在受力“硬点”，容易造成受电弓离线并出现较为明显的拉弧现象，影响列车的受流质量。

锚段关节形式适用于空间条件较好的地面及高架线路，由于在电分段处两个相邻供电分区的接触线平行重叠，因此可以基本消除列车受电弓过电分段时的拉弧现象，保证了列车受流质量。接触网锚段关节形式的电分段示意图见图2a。

1.2.2 刚性悬挂方式的电分段

刚性悬挂通过锚段关节实现机械和电气分段。在锚段关节处，两条汇流排平行重叠，重叠长度一般为3.6 m，水平间距为200～300 mm。采用这种方式后两个相邻供电分区的接触线按平行等高重叠布置，见图2b，因此同柔性接触网的锚段关节形式电分段的情况相同，可以基本消除列车受电弓过电分段时的拉弧现象，保证了列车受流质量。

1.3 锚段关节形式电分段的设置位置分析

《地铁设计规范》（GB50157-2003）规定应设置在下列各处：“有牵引变电所车站的车辆惰行处；……”，电分段在车站中设置方式见图3的方式一。

根据线路节能坡的设计原则及列车靠右行驶的规定，列车惰行处一般应为车站的列车进站端。主要考虑的是出站列车过电分段时受电弓和接触线不被较大的列车启动电流造成的电

弧电流损伤。比如DC 750 V三轨形式牵引网大间距断轨形式的电分段及1 500 V接触网分段绝缘器形式的电分段。这两种电分段由于自身结构的限制均会使滑过的受电弓（集电靴）出现短时离线（轨），如果此时列车正在受流，拉弧情况也就无法避免。那么，对于1 500 V 架空接触网柔性悬挂和刚性悬挂而言，是否可以将上下行的锚段关节形式电分段均设置在与牵引变电所同一车站端呢（见图3方式二）？下面从技术、工程实施及投资等方面进一步分析和探讨。

依照规范要求，将电分段设置在列车进站端的方式虽然可以解决拉弧问题，但也会带来一些其他问题：

（1）工程投资加大。由于牵引变电所工艺要求及受车站工艺设计的限制，牵引变电所一般设置在车站站台层一端，如按规范要求，则有一处电分段位于远离牵引变电所的车站一端。目前，一般车站长度在150～250 m，如果按200 m考虑，则方式一比方式二的电缆路径长100 m以上。如果每回1 500 V直流馈线电缆数量按4根（1400 mm2），电缆价格13万元/km计，仅直流电缆一项，方式一比方式二每处电分段多投资10万多元。如再考虑低压控制电缆、电缆支架及工程安装费用等因素，则工程造价差异更大。

（2）工程实施难度大。由于城轨车站内各种管线及数量繁多，且相互交错干扰。就专业施工组织协调的难度而言，方式一也大于方式二。

2 直流馈线保护影响和拉弧问题分析

2.1 拉弧问题的分析

产生拉弧的前提条件是：受电弓与接触线之间存在空气间隙及必要的电压降。

柔性悬挂中的电分段，如图4所示，当列车从供电分区A经过电分段进入供电分区B 时，列车受电弓从接触网取流可分为3个阶段。

第1阶段：供电分区A的接触线向列车受电弓供电；第2阶段：通过节点1，进入并行接触区后，供电分区A及供电分区B的接触线共同向列车受电弓供电；第3阶段：通过节点2，进入供电分区B后，供电分区B的接触线向列车受电弓供电。

不难看出，列车受电弓过电分段时，可能产生拉弧现象的位置是在节点1和节点2的弓网结合和分离处。如每列车按两端各设一个受电弓考虑，列车的最大启动电流3 000 A，不考虑供电分区中其他列车的影响，以此电流穿越电分段（并假设供电回路为电阻回路）。

列车受电弓均从供电分区A的接触线上受流，每个受电弓电流为启动电流的一半，即1 500 A；当列车行至节点1时，列车前端受电弓将由供电分区A接触线供电转变为由A、B 两区的接触线共同供电，在转变的瞬间，供电分区B的接触线与受电弓存在由分离到接触的过程。

产生拉弧的第一个必要条件已经存在。现再分析放电电压的情况。从图4可知两个供电分区均由同一段牵引变电所直流母线供电，直流母线电压为U1，列车受电弓的电压为U2，供电分区B的接触线在向列车供电前，其电压为直流母线电压U1。可以看出，该过程中受电弓与供电分区B接触线之间的电压差即为与直流母线电压U1的电压差U12，而U12实际为直流馈线电缆回路的电压降：

U12=（I启动/2）单根馈线电缆单位电阻电缆长度/每回电缆根数

=（3 000/2）0.0470.1/4=1.76 V

可见，弓网之间的电压差非常小，这说明弓网间隙只有在极小的情况下才会出现放电现象。另外，电分段采用等高重叠布线的锚段关节形式，相对分段绝缘器方式而言，彻底改善了弓网配合特性，避免了分段绝缘器方式的电分段中存在的接触“硬点”，解决了受电弓过电分段时因受力突变带来的振荡离线拉弧的问题。

通过在上海城市轨道三号线和广州地铁二号线的使用，也证实了列车在通过设置在车站出站端的锚段关节形式电分段时，弓网未出现明显的离线拉弧现象。

2.2 直流馈线保护影响分析

当列车启动通过设置在出站端的电分段时，会不会因电流的突变对继电保护带来影响，造成保护装置误动而导致直流馈线开关误跳。下面结合直流馈线保护原理作一分析。

（1）直流馈线保护主要包括直流快速开关本体自带的大电流脱扣保护和继电保护装置中的电流变化率di/dt及电流增量DI保护。目前国内1 500 V牵引供电系统普遍采用的直流馈线保护装置主要集中在西门子、赛雪龙和Adtranz三家，虽然三家的保护装置在整定方式上各有不同，但原理和功能基本相同，均是通过利用电流变化率和电流增量判断保护是否出口。

各种保护功能的整定原则主要包括以下内容：大电流脱扣整定值应高于相应的最大直流馈线电流；di/dt及DI保护主要应考虑与列车特性相配合，躲过列车的起动电流、制动电流、列车过电分段时的冲击电流和馈线重合闸时的冲击电流为原则；di/dt及DI的保护应躲过被保护范围外部故障时的故障电流。

（2）对大电流脱扣保护的影响。大电流脱扣的整定依据主要是直流短路电流值和最大馈线电流值。以接触网等效阻抗较大的柔性悬挂方式，牵引整流机组为3 000 kW的1 500 V 牵引供电系统为例，其远端短路直流短路电流一般不低于20 kA，最大馈线电流一般不超过3 kA，而大电流脱扣保护整定范围普遍在4～12 kA，整定值一般在6 kA以上。

从上述数值可以看出，当列车前端受电弓通过节点1时，馈电电流I2的电流增量为750 A左右，即使与直流馈线最大负荷电流相加，也达不到保护定值，因此不会影响大电流脱扣保护出口的可靠性。

（3）对di/dt及DI保护的影响。对di/dt及DI保护整定时，往往需要考虑并避让各种正常运行情况下出现的电流变化率和电流增量，如列车启动、制动、列车过电分段以及直流快速开关重合闸时带来的电流变化。

△I整定值一般整定为大于列车的启动电流，如果供电分区设置在出站端时，可将△I 整定值适度调大即可，由于ΔI整定值与直流短路电流相差很大，因此对保护动作的可靠性的影响不明显。

对于di/dt保护，一般须对电流变化率与延时长度同时整定，为保证di/dt保护的正确出口，根据以往的工程设计经验，di/dt保护的电流变化率定值一般不小于150 A/ms，时间定值在30 ms以上，从该定值可以看出电流变化总量不会低于4500 A（150 A/ms30 ms），而受电弓在通过电分段的节点1和节点2时，每次给馈线电流I2带来的电流变化总量不会超过750 A。也可直观地理解为，当受电弓以足够的速度滑过节点，给I2带来超过150 A/ms的电流变化率时，由于电流变化总量的限制，这种电流变化率的保持时间也只能维持在5 ms 左右，远未达到30 ms的时间定值要求，di/dt保护自然不会出口。

实际情况如何呢？也可近似地估算前端受电弓滑过节点1时，由供电分区A供电转变为由供电分区A、B共同供电所需的时间，即受电弓由与供电分区B接触线临界放电位置到与接触线接触的时间长度。为便于计算，假设弓网在接触前的压差U12为1.76 V，其所对应的放电间隙不会超过1 mm；以柔性悬挂为例，根据接触线下锚抬升角度，受电弓在弓网临界放电位置与弓网接触点的水平距离S1一般不超过150 mm，这里按150 mm计算；根据列车的电气特性，列车速度为0～35 km/h时的加速度a一般不低于0.9 m/s2，按0.9 m/s2计算；车站长度按200 m考虑，电分段设置在车站端头；列车按A型车，6节编组，长度按140 m考虑，受电弓在列车两端的动车上，前端受电弓与电分段的距离S为30 m。

首先，计算列车启动加速到电分段位置时的时间t：

列车在电分段位置时的速度v：

v =at = 0.98.15 = 7.34 m/s 受电弓从弓网临界放电位置到弓网接触点所需的时间t：

t= S1/v = 150/7.34 = 20.4 ms

由于受到每次750 A电流变化总量的限制，受电弓过节点1时，电流I2变化所对应的电流变化率远小于di/dt保护的150 A/ms整定值。因此，保护装置不会动作。对于刚性悬挂而言，后端受电弓由于节点外侧的汇流排上翘角度比柔性悬挂大，S1更小，相应的t值更小。因此，di/dt保护不会出口。

由于电流变化总量很小，无论架空接触网是柔性悬挂还是刚性悬挂，受电弓过节点时，电流变化率和延时时间不可能同时满足整定要求，与上述的计算分析结果相同，di/dt保护不会出口。

3 结束语

通过以上分析和计算，可得出这样的结论：不论是刚性还是柔性架空接触网，其锚段关节形式的电分段设置在车站与牵引变电所的同一端，从技术分析上是可行的，并且通过在上海轨道交通3号线（柔性架空接触网）、广州地铁2号线（刚性架空接触网）的实际应用也证实了列车在启动时通过这种形式的电分段均未出现明显拉弧和对直流馈线保护产生不良影响而造成开关误跳的情况出现，可见这种电分段的设置方式是可行的