城市軌道交通接觸軌電分段設(shè)置方式的探討

城市軌道交通接觸軌電分段設(shè)置方式的探討

接觸軌流壓方式是第一種用于接收城市軌道交通的輸電壓。主要采用相同或相同的軌道帶，在正轉(zhuǎn)電線和負(fù)電壓之間提供牽引和動(dòng)力能量。接觸軌受流方式與架空接觸網(wǎng)受流方式已經(jīng)成為城市軌道交通牽引網(wǎng)的兩大主流模式,均有相當(dāng)程度和范圍的應(yīng)用,且接觸軌供電電壓由過去的DC750V發(fā)展到現(xiàn)今的DC1500V供電制式,與普遍采用的架空接觸網(wǎng)供電電壓保持同等的供電水平。在接觸軌的技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用中,由于供電能力、保護(hù)需要和運(yùn)營(yíng)維護(hù)的需要,一般需將全線的接觸軌進(jìn)行電氣和機(jī)械上的分段。由于接觸軌自身的特點(diǎn),機(jī)械上的分段采用自然斷口方式來實(shí)現(xiàn),電氣上則利用其自然形成的斷口空間,充分利用空氣的天然絕緣性能對(duì)其進(jìn)行電氣上的隔離,這與架空接觸網(wǎng)采用絕緣錨段關(guān)節(jié)和分段絕緣器是一致的;但由于兩類電氣分段在結(jié)構(gòu)組成形式上的差異,接觸軌電分段只能順接觸軌架設(shè)方向自然斷開,集電靴在通過電分段時(shí)必須離開與重新接觸,形成對(duì)受流器而言的瞬間解除受流,不具備架空接觸網(wǎng)電分段具有持續(xù)不離受電弓的功能。1事故工況下車輛電分段設(shè)置方式由于接觸軌必須采用自然斷口形式的固有特性,從電流產(chǎn)生的變化與對(duì)接觸軌與集電靴兩方面運(yùn)行可靠性的影響上,接觸軌電分段一般設(shè)置在有牽引變電所車站的進(jìn)站一端(即車輛惰行側(cè))。斷口的設(shè)置一般有3種方式:小斷口分段方式、大斷口分段方式和短接觸軌(俗稱“短三軌”)分段方式。北京地鐵早期采用小斷口分段方式,由于當(dāng)初設(shè)備水平所限出現(xiàn)過1次事故,在事故中車輛誤闖入電分段斷口區(qū),通過車輛上的集電靴將斷口兩側(cè)的帶電端與接地端短接造成車輛上的直流母線電纜燃燒并引發(fā)火災(zāi),事故之后北京地鐵所有接觸軌電分段斷口均采用了大于1節(jié)動(dòng)車上兩集電靴間距12.6m的14m大斷口形式。目前,廣州、上海等采用接觸軌受流方式的地鐵線路在電分段處也采用了大斷口的設(shè)置方式。采用14m大斷口以后所帶來的不利因素是當(dāng)車輛通過電分段斷口處時(shí),車輛存在短時(shí)失電的現(xiàn)象,對(duì)車輛電氣設(shè)備的沖擊較大,并影響車輛SIV輔助機(jī)組的使用壽命。為解決這一問題,車輛在各編組單元之間的高壓母線上設(shè)置名“BHB”的直流斷路器開關(guān);BHB斷路器的工作原理是:車輛正常運(yùn)行時(shí)處于合閘狀態(tài),當(dāng)車輛行進(jìn)速度小于5km/h或接觸軌電壓低于最低工作電壓時(shí)自動(dòng)斷開,以解決車輛在通過斷口時(shí)的斷電問題。隨著車輛編組形式的不斷改變以及集電靴分布情況的變化,為解決緊急故障狀態(tài)下車輛誤闖和車輛不間斷供電的矛盾,德黑蘭地鐵1號(hào)線、武漢輕軌1號(hào)線和天津地鐵1、2、3號(hào)線采用了短三軌的電分段設(shè)置方式。3種接觸軌電分段在我國(guó)城市軌道交通應(yīng)用情況如表1所示。2種斷口的優(yōu)缺點(diǎn)分析根據(jù)目前國(guó)內(nèi)城市軌道交通接觸軌電分段斷口的應(yīng)用情況,對(duì)小斷口分段、大斷口分段和短三軌斷口分段這3種斷口形式的優(yōu)點(diǎn)與存在問題簡(jiǎn)要分析如下。(1)短三軌斷口分段設(shè)置小斷口分段形式的斷口長(zhǎng)度一般大于接觸軌由于溫度升高而產(chǎn)生的伸長(zhǎng)量及接觸軌帶電體的安全距離要求,且小于1節(jié)動(dòng)車上前后兩套集電靴之間的距離,目前青島地鐵2、3號(hào)線及深圳地鐵3號(hào)線小斷口電分段處采用的斷口長(zhǎng)度一般為2~3m。當(dāng)車輛通過該電分段時(shí),由于機(jī)車上任意兩套集電靴之間的距離均大于小斷口的斷口長(zhǎng)度,機(jī)車能夠連續(xù)取流;但當(dāng)出現(xiàn)短路等故障時(shí),由于集電靴通過車輛的高壓母線可將兩側(cè)的供電臂連通,從而對(duì)車輛上的高壓母線絕緣產(chǎn)生不利影響,同時(shí)將擴(kuò)大事故范圍并可能引發(fā)火災(zāi)事故。小斷口分段長(zhǎng)度一般需滿足D<L2<L1L1———?jiǎng)榆嚽昂蠹娧ラL(zhǎng)度;L2———相鄰動(dòng)車間集電靴長(zhǎng)度。大斷口分段形式的斷口長(zhǎng)度應(yīng)大于一節(jié)動(dòng)車上兩集電靴之間的距離,且小于相鄰兩動(dòng)車相同位置上的集電靴之間的距離,目前北京地鐵大斷口電分段處采用的斷口長(zhǎng)度為14m。若相鄰兩動(dòng)車之間的高壓母線在電氣上不連通,當(dāng)車輛通過該電分段斷口時(shí),機(jī)車取流是不連續(xù)的,會(huì)造成機(jī)車的瞬時(shí)失電,對(duì)車輛上的輔助供電機(jī)組SIV產(chǎn)生不利影響,一方面會(huì)使車輛上的照明和空調(diào)等動(dòng)力照明系統(tǒng)臨時(shí)斷電,另一方面減少SIV機(jī)組的使用壽命,同時(shí)也不利于再生能量向接觸軌上的回饋。為解決失電的問題,北京地鐵新購置的車輛以及深圳地鐵等目前基本采用了整列編組高壓母線貫通的方式,雖然車輛的整列編組高壓母線貫通,但各單元車之間是通過BHB斷路器方式連接的。當(dāng)車輛運(yùn)行速度超過5km/h時(shí),斷路器處于閉合狀態(tài);當(dāng)車輛運(yùn)行速度低于5km/h時(shí),斷路器斷開,能夠解決車輛誤闖連電的問題。但對(duì)如何良好地控制車速對(duì)車輛駕駛員、調(diào)度等也提出了較高的要求。此外,為避免BHB斷路器低速斷開的副作用,采用14m大斷口分段時(shí),應(yīng)將其布置在車速高于5km/h的運(yùn)行區(qū)段,以避免車輛在正常進(jìn)入車站時(shí)出現(xiàn)瞬時(shí)失電的情況發(fā)生。大斷口分段長(zhǎng)度需滿足L2<D<L1L1———?jiǎng)榆嚽昂蠹娧ラL(zhǎng)度;L2———相鄰動(dòng)車間集電靴長(zhǎng)度。為更好地解決失電和連電的問題,武漢、天津地鐵在接觸軌電分段的應(yīng)用中采取了在斷口處加設(shè)短接觸軌的方案(俗稱“短三軌”),如圖3所示。接觸軌大斷口的長(zhǎng)度大于整車相隔最遠(yuǎn)的集電靴之間的距離,而小斷口的長(zhǎng)度則小于車輛上任意兩套集電靴之間的距離,以天津地鐵為例,6節(jié)B型車輛編組情況下,采用短三軌斷口整體長(zhǎng)度為120m。大斷口分段長(zhǎng)度:D=D2+2·D1D2———短三軌長(zhǎng)度;D1———小斷口長(zhǎng)度,滿足D1<L2<L1;L1為動(dòng)車前后集電靴長(zhǎng)度;L2為相鄰動(dòng)車間集電靴長(zhǎng)度。針對(duì)上述兩種斷口運(yùn)行方式中分別存在的車輛失電與連電現(xiàn)象的發(fā)生,短三軌方式則通過增加1根短接觸軌,從而加長(zhǎng)斷口的長(zhǎng)度,短接觸軌和車輛行駛方向的供電臂通過電動(dòng)隔離開關(guān)相連。在正常情況下,機(jī)車過分段是連續(xù)取流的,不會(huì)發(fā)生失電現(xiàn)象;當(dāng)車輛前進(jìn)方向的前方供電臂發(fā)生故障時(shí),隔離開關(guān)斷開,將斷口距離加長(zhǎng),中間的短段接觸軌形成中性區(qū),機(jī)車不會(huì)將故障側(cè)與帶電側(cè)相連,避免誤闖的事故發(fā)生;即便車輛停在電分段時(shí),合上隔離開關(guān),機(jī)車也能正常運(yùn)行。在車輛通過該斷口時(shí)突然發(fā)生短路故障的小概率情況下,該斷口的設(shè)置方式同樣無法徹底解決將故障情況下兩側(cè)供電臂相連的問題。綜上,3種電分段形式在滿足車輛提供持續(xù)可靠的電流能力上是相同的,在解決故障狀況下的不同供電臂連電與瞬間失電現(xiàn)象上略有不同,短三軌是對(duì)小斷口設(shè)置方式在解決連電問題上的彌補(bǔ),但造成電分段設(shè)置形式復(fù)雜,安裝難度與工程投資都大的問題;大斷口運(yùn)行方式從北京地鐵運(yùn)行以來一直采用,在解決車輛高壓母線貫通設(shè)置和適應(yīng)速度后,失電問題得以解決,這也是大斷口設(shè)置方式應(yīng)用廣泛的主要原因。從車輛運(yùn)行的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)上,3種方式對(duì)徹底解決某一供電臂故障狀態(tài)下的連電問題上,只是影響程度的差異大小問題,都不能從根本上杜絕由電分段設(shè)置來解決故障影響范圍的問題,這一點(diǎn)和架空接觸網(wǎng)電分段的設(shè)置目的與影響程度是相似的,區(qū)別在安全性的影響程度有所不同。另一方面,接觸軌短路故障發(fā)生時(shí),通過變電所跳閘及自動(dòng)重合閘等措施無效后,對(duì)相鄰供電臂內(nèi)的車輛運(yùn)行已經(jīng)通過供電系統(tǒng)聯(lián)跳功能,對(duì)運(yùn)行車輛的運(yùn)行范圍和采取措施提出了要求,因此,接觸軌的故障連電問題只是考慮如何避免列車的誤闖,在這方面,短三軌設(shè)置方式略占優(yōu)勢(shì),實(shí)際上的應(yīng)用價(jià)值還有待進(jìn)一步通過運(yùn)行實(shí)踐來驗(yàn)證。3分段試驗(yàn)裝置及方案在磁浮交通中,如上海磁浮交通示范線工程則采用動(dòng)力軌為列車提供動(dòng)力而非牽引用電,主要是在運(yùn)行速度低于100km/h的區(qū)段或列車失去牽引驅(qū)動(dòng)情形下設(shè)置動(dòng)力軌,通過集電靴為列車輔助用電的蓄電池進(jìn)行充電。動(dòng)力軌采用DC400V側(cè)面受流的鋼鋁復(fù)合軌技術(shù),和城市軌道交通應(yīng)用的鋼鋁復(fù)合軌技術(shù)相似。動(dòng)力軌安裝在導(dǎo)向軌的兩側(cè),電分段的設(shè)置原則與接觸軌設(shè)置要求一樣,在軌道轉(zhuǎn)向梁處采用自然斷口,其他區(qū)段根據(jù)動(dòng)力軌的需要?jiǎng)t設(shè)置分段絕緣器,如圖4所示。分段絕緣器采用高強(qiáng)度樹脂絕緣材料制造,具有絕緣性能優(yōu)越,耐磨性能好的優(yōu)點(diǎn),結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上與鋼鋁復(fù)合軌的斷面尺寸進(jìn)行緊密結(jié)合,既能滿足嵌入式分段絕緣器的安裝條件,又能滿足集電靴受流的要求。分段絕緣器整體長(zhǎng)610mm,爬電距離不小于100mm,考慮到集電靴的長(zhǎng)期摩擦和盡可能消除電弧的灼燒,在接觸面設(shè)計(jì)成等間距的槽道。嵌入式分段絕緣器解決了接觸軌在電氣分段上傳統(tǒng)的自然斷口形式存在的集電靴瞬間失電的問題,同時(shí)保證了列車的連續(xù)受流效果,又能夠解決集電靴通過時(shí)存在的拉弧現(xiàn)象,從而相對(duì)有效地降低燒傷接觸軌與集電靴,將接觸軌和集電靴在電流傳遞過程中的產(chǎn)生的矛盾轉(zhuǎn)移到分段絕緣器自身上來,由此對(duì)嵌入式分段絕緣器的性能提出更高要求。通過上海磁浮交通示范線多年來的運(yùn)行實(shí)踐,在分段絕緣器上發(fā)現(xiàn)灼燒的現(xiàn)象較為嚴(yán)重,為此,有必要對(duì)此進(jìn)行改進(jìn),采取的措施是參照城市軌道交通中應(yīng)用短三軌技術(shù)的經(jīng)驗(yàn),設(shè)置具有中性段性質(zhì)的短三軌,并在電分段處加裝單項(xiàng)導(dǎo)通裝置,實(shí)施方案如圖5所示。圖5中嵌入式分段絕緣的設(shè)置間隔要求大于同車兩集電靴的間隔。該方案充分考慮中性段處于無電狀態(tài)的優(yōu)勢(shì),利用具有單向?qū)üδ艿亩O管裝置,當(dāng)列車通過時(shí),二極管將集電靴受流的供電臂與中性段的電位連通,使集電靴快速通過時(shí)在嵌入式分段絕緣器兩側(cè)處于等電位狀態(tài),從而降低和消除拉弧現(xiàn)象對(duì)分段絕緣器的灼燒。這一方案在上海磁浮線得到應(yīng)用,達(dá)到了預(yù)期的使用效果。4嵌入式分段單元與城市軌道交通接觸軌的區(qū)別城市軌道交通接觸軌電分段的3種設(shè)置方式,從集電靴的受流上,短三軌方式集電靴要通過兩次接觸軌的端部彎頭,在離開導(dǎo)電軌到重新接觸導(dǎo)電軌上較之于小斷口與大斷口要明顯增加集電靴與端部彎頭的拉弧概率,拉弧的概率也隨之上升,是不利于軌靴雙方的,且3種斷口方式并不能從根本上解決接觸軌的連電問題,大斷口在BHB開關(guān)打開情況下還會(huì)出現(xiàn)某單元列車的瞬間失電現(xiàn)象,因此,采用嵌入式分段絕緣器對(duì)城市軌道交通接觸網(wǎng)的電分段而言未必不失為一種可供參照的選擇。主要原因如下。(1)磁浮交通動(dòng)力軌技術(shù)完全來自于城市軌道交通的接觸軌技術(shù),兩者在接觸軌的主要載流體上是相通的,也就是說嵌入式分段絕緣器的應(yīng)用基礎(chǔ)是相同的。(2)磁浮交通動(dòng)力軌電分段在正線上的設(shè)置方式和位置與城市軌道交通接觸軌電分段方式與位置完全一樣,列車對(duì)電分段的功能和運(yùn)行要求是一致的,也就是說嵌入式分段絕緣器的應(yīng)用原理是相同的。(3)由于磁浮交通動(dòng)力軌的結(jié)構(gòu)形式與城市軌道交通接觸軌目前采用的結(jié)構(gòu)形式由于受流要求的差異,斷面不盡相同,但通過改進(jìn)嵌入式分段絕緣器的結(jié)構(gòu)形式,使之與目前常用的復(fù)合軌Ⅱ型在安裝上匹配是可行的。(4)磁浮交通采用DC400V供電電壓,額定電流達(dá)到3000A,與目前城市軌道交通DC1500V接觸軌額定電流基本相等,較之于DC750V接觸軌的額定電流4000A以上有所減少,可通過加長(zhǎng)與加強(qiáng)嵌入式分段絕緣器的絕緣性能來保證系統(tǒng)電流通過時(shí)的承載和抗消弧能力。為此,建議根據(jù)DC750V與DC1500V接觸軌的電氣絕緣標(biāo)準(zhǔn),要求嵌入式分段絕緣器的爬電距離不小于400mm(考慮最小250mm的絕緣要求和電壓提高后的絕緣余量),這也是高強(qiáng)度樹脂材料具備的性能。在城市軌道交通接觸軌系統(tǒng)上應(yīng)用嵌入式分段絕緣器,無論是哪一種斷口設(shè)置方式均可以考慮,其絕緣體的長(zhǎng)度設(shè)計(jì)可根據(jù)有效消除集電靴通過是對(duì)接觸軌、集電靴和分段絕緣三者最有利的因素來決定,參考上海磁浮交通采用帶中性段方式的電分段模式,設(shè)置中性段長(zhǎng)度滿足小于列車最遠(yuǎn)端集電靴的間隔,通過二極管對(duì)其電壓進(jìn)行平衡,與短三軌斷口方式同樣具備了減少列車故障狀態(tài)下的連電現(xiàn)象,則更加有利于接觸軌的運(yùn)行的安全性。5嵌入式分段單元通過對(duì)目前城市軌道交通中采用的3種接觸軌電分段斷口設(shè)置方式的分析認(rèn)為,3種斷口方式各有利弊,在解決接觸軌連續(xù)供電上均可行且均得到運(yùn)營(yíng)實(shí)踐的檢驗(yàn),主要是解決列車失電與故障狀態(tài)下的