城市轨道交通接触轨电分段设置方式的探讨

城市轨道交通接触轨电分段设置方式的探讨

接触轨流压方式是第一种用于接收城市轨道交通的输电压。主要采用相同或相同的轨道带，在正转电线和负电压之间提供牵引和动力能量。接触轨受流方式与架空接触网受流方式已经成为城市轨道交通牵引网的两大主流模式,均有相当程度和范围的应用,且接触轨供电电压由过去的DC750V发展到现今的DC1500V供电制式,与普遍采用的架空接触网供电电压保持同等的供电水平。在接触轨的技术发展和应用中,由于供电能力、保护需要和运营维护的需要,一般需将全线的接触轨进行电气和机械上的分段。由于接触轨自身的特点,机械上的分段采用自然断口方式来实现,电气上则利用其自然形成的断口空间,充分利用空气的天然绝缘性能对其进行电气上的隔离,这与架空接触网采用绝缘锚段关节和分段绝缘器是一致的;但由于两类电气分段在结构组成形式上的差异,接触轨电分段只能顺接触轨架设方向自然断开,集电靴在通过电分段时必须离开与重新接触,形成对受流器而言的瞬间解除受流,不具备架空接触网电分段具有持续不离受电弓的功能。1事故工况下车辆电分段设置方式由于接触轨必须采用自然断口形式的固有特性,从电流产生的变化与对接触轨与集电靴两方面运行可靠性的影响上,接触轨电分段一般设置在有牵引变电所车站的进站一端(即车辆惰行侧)。断口的设置一般有3种方式:小断口分段方式、大断口分段方式和短接触轨(俗称“短三轨”)分段方式。北京地铁早期采用小断口分段方式,由于当初设备水平所限出现过1次事故,在事故中车辆误闯入电分段断口区,通过车辆上的集电靴将断口两侧的带电端与接地端短接造成车辆上的直流母线电缆燃烧并引发火灾,事故之后北京地铁所有接触轨电分段断口均采用了大于1节动车上两集电靴间距12.6m的14m大断口形式。目前,广州、上海等采用接触轨受流方式的地铁线路在电分段处也采用了大断口的设置方式。采用14m大断口以后所带来的不利因素是当车辆通过电分段断口处时,车辆存在短时失电的现象,对车辆电气设备的冲击较大,并影响车辆SIV辅助机组的使用寿命。为解决这一问题,车辆在各编组单元之间的高压母线上设置名“BHB”的直流断路器开关;BHB断路器的工作原理是:车辆正常运行时处于合闸状态,当车辆行进速度小于5km/h或接触轨电压低于最低工作电压时自动断开,以解决车辆在通过断口时的断电问题。随着车辆编组形式的不断改变以及集电靴分布情况的变化,为解决紧急故障状态下车辆误闯和车辆不间断供电的矛盾,德黑兰地铁1号线、武汉轻轨1号线和天津地铁1、2、3号线采用了短三轨的电分段设置方式。3种接触轨电分段在我国城市轨道交通应用情况如表1所示。2种断口的优缺点分析根据目前国内城市轨道交通接触轨电分段断口的应用情况,对小断口分段、大断口分段和短三轨断口分段这3种断口形式的优点与存在问题简要分析如下。(1)短三轨断口分段设置小断口分段形式的断口长度一般大于接触轨由于温度升高而产生的伸长量及接触轨带电体的安全距离要求,且小于1节动车上前后两套集电靴之间的距离,目前青岛地铁2、3号线及深圳地铁3号线小断口电分段处采用的断口长度一般为2~3m。当车辆通过该电分段时,由于机车上任意两套集电靴之间的距离均大于小断口的断口长度,机车能够连续取流;但当出现短路等故障时,由于集电靴通过车辆的高压母线可将两侧的供电臂连通,从而对车辆上的高压母线绝缘产生不利影响,同时将扩大事故范围并可能引发火灾事故。小断口分段长度一般需满足D<L2<L1L1———动车前后集电靴长度;L2———相邻动车间集电靴长度。大断口分段形式的断口长度应大于一节动车上两集电靴之间的距离,且小于相邻两动车相同位置上的集电靴之间的距离,目前北京地铁大断口电分段处采用的断口长度为14m。若相邻两动车之间的高压母线在电气上不连通,当车辆通过该电分段断口时,机车取流是不连续的,会造成机车的瞬时失电,对车辆上的辅助供电机组SIV产生不利影响,一方面会使车辆上的照明和空调等动力照明系统临时断电,另一方面减少SIV机组的使用寿命,同时也不利于再生能量向接触轨上的回馈。为解决失电的问题,北京地铁新购置的车辆以及深圳地铁等目前基本采用了整列编组高压母线贯通的方式,虽然车辆的整列编组高压母线贯通,但各单元车之间是通过BHB断路器方式连接的。当车辆运行速度超过5km/h时,断路器处于闭合状态;当车辆运行速度低于5km/h时,断路器断开,能够解决车辆误闯连电的问题。但对如何良好地控制车速对车辆驾驶员、调度等也提出了较高的要求。此外,为避免BHB断路器低速断开的副作用,采用14m大断口分段时,应将其布置在车速高于5km/h的运行区段,以避免车辆在正常进入车站时出现瞬时失电的情况发生。大断口分段长度需满足L2<D<L1L1———动车前后集电靴长度;L2———相邻动车间集电靴长度。为更好地解决失电和连电的问题,武汉、天津地铁在接触轨电分段的应用中采取了在断口处加设短接触轨的方案(俗称“短三轨”),如图3所示。接触轨大断口的长度大于整车相隔最远的集电靴之间的距离,而小断口的长度则小于车辆上任意两套集电靴之间的距离,以天津地铁为例,6节B型车辆编组情况下,采用短三轨断口整体长度为120m。大断口分段长度:D=D2+2·D1D2———短三轨长度;D1———小断口长度,满足D1<L2<L1;L1为动车前后集电靴长度;L2为相邻动车间集电靴长度。针对上述两种断口运行方式中分别存在的车辆失电与连电现象的发生,短三轨方式则通过增加1根短接触轨,从而加长断口的长度,短接触轨和车辆行驶方向的供电臂通过电动隔离开关相连。在正常情况下,机车过分段是连续取流的,不会发生失电现象;当车辆前进方向的前方供电臂发生故障时,隔离开关断开,将断口距离加长,中间的短段接触轨形成中性区,机车不会将故障侧与带电侧相连,避免误闯的事故发生;即便车辆停在电分段时,合上隔离开关,机车也能正常运行。在车辆通过该断口时突然发生短路故障的小概率情况下,该断口的设置方式同样无法彻底解决将故障情况下两侧供电臂相连的问题。综上,3种电分段形式在满足车辆提供持续可靠的电流能力上是相同的,在解决故障状况下的不同供电臂连电与瞬间失电现象上略有不同,短三轨是对小断口设置方式在解决连电问题上的弥补,但造成电分段设置形式复杂,安装难度与工程投资都大的问题;大断口运行方式从北京地铁运行以来一直采用,在解决车辆高压母线贯通设置和适应速度后,失电问题得以解决,这也是大断口设置方式应用广泛的主要原因。从车辆运行的实际经验上,3种方式对彻底解决某一供电臂故障状态下的连电问题上,只是影响程度的差异大小问题,都不能从根本上杜绝由电分段设置来解决故障影响范围的问题,这一点和架空接触网电分段的设置目的与影响程度是相似的,区别在安全性的影响程度有所不同。另一方面,接触轨短路故障发生时,通过变电所跳闸及自动重合闸等措施无效后,对相邻供电臂内的车辆运行已经通过供电系统联跳功能,对运行车辆的运行范围和采取措施提出了要求,因此,接触轨的故障连电问题只是考虑如何避免列车的误闯,在这方面,短三轨设置方式略占优势,实际上的应用价值还有待进一步通过运行实践来验证。3分段试验装置及方案在磁浮交通中,如上海磁浮交通示范线工程则采用动力轨为列车提供动力而非牵引用电,主要是在运行速度低于100km/h的区段或列车失去牵引驱动情形下设置动力轨,通过集电靴为列车辅助用电的蓄电池进行充电。动力轨采用DC400V侧面受流的钢铝复合轨技术,和城市轨道交通应用的钢铝复合轨技术相似。动力轨安装在导向轨的两侧,电分段的设置原则与接触轨设置要求一样,在轨道转向梁处采用自然断口,其他区段根据动力轨的需要则设置分段绝缘器,如图4所示。分段绝缘器采用高强度树脂绝缘材料制造,具有绝缘性能优越,耐磨性能好的优点,结构设计上与钢铝复合轨的断面尺寸进行紧密结合,既能满足嵌入式分段绝缘器的安装条件,又能满足集电靴受流的要求。分段绝缘器整体长610mm,爬电距离不小于100mm,考虑到集电靴的长期摩擦和尽可能消除电弧的灼烧,在接触面设计成等间距的槽道。嵌入式分段绝缘器解决了接触轨在电气分段上传统的自然断口形式存在的集电靴瞬间失电的问题,同时保证了列车的连续受流效果,又能够解决集电靴通过时存在的拉弧现象,从而相对有效地降低烧伤接触轨与集电靴,将接触轨和集电靴在电流传递过程中的产生的矛盾转移到分段绝缘器自身上来,由此对嵌入式分段绝缘器的性能提出更高要求。通过上海磁浮交通示范线多年来的运行实践,在分段绝缘器上发现灼烧的现象较为严重,为此,有必要对此进行改进,采取的措施是参照城市轨道交通中应用短三轨技术的经验,设置具有中性段性质的短三轨,并在电分段处加装单项导通装置,实施方案如图5所示。图5中嵌入式分段绝缘的设置间隔要求大于同车两集电靴的间隔。该方案充分考虑中性段处于无电状态的优势,利用具有单向导通功能的二极管装置,当列车通过时,二极管将集电靴受流的供电臂与中性段的电位连通,使集电靴快速通过时在嵌入式分段绝缘器两侧处于等电位状态,从而降低和消除拉弧现象对分段绝缘器的灼烧。这一方案在上海磁浮线得到应用,达到了预期的使用效果。4嵌入式分段单元与城市轨道交通接触轨的区别城市轨道交通接触轨电分段的3种设置方式,从集电靴的受流上,短三轨方式集电靴要通过两次接触轨的端部弯头,在离开导电轨到重新接触导电轨上较之于小断口与大断口要明显增加集电靴与端部弯头的拉弧概率,拉弧的概率也随之上升,是不利于轨靴双方的,且3种断口方式并不能从根本上解决接触轨的连电问题,大断口在BHB开关打开情况下还会出现某单元列车的瞬间失电现象,因此,采用嵌入式分段绝缘器对城市轨道交通接触网的电分段而言未必不失为一种可供参照的选择。主要原因如下。(1)磁浮交通动力轨技术完全来自于城市轨道交通的接触轨技术,两者在接触轨的主要载流体上是相通的,也就是说嵌入式分段绝缘器的应用基础是相同的。(2)磁浮交通动力轨电分段在正线上的设置方式和位置与城市轨道交通接触轨电分段方式与位置完全一样,列车对电分段的功能和运行要求是一致的,也就是说嵌入式分段绝缘器的应用原理是相同的。(3)由于磁浮交通动力轨的结构形式与城市轨道交通接触轨目前采用的结构形式由于受流要求的差异,断面不尽相同,但通过改进嵌入式分段绝缘器的结构形式,使之与目前常用的复合轨Ⅱ型在安装上匹配是可行的。(4)磁浮交通采用DC400V供电电压,额定电流达到3000A,与目前城市轨道交通DC1500V接触轨额定电流基本相等,较之于DC750V接触轨的额定电流4000A以上有所减少,可通过加长与加强嵌入式分段绝缘器的绝缘性能来保证系统电流通过时的承载和抗消弧能力。为此,建议根据DC750V与DC1500V接触轨的电气绝缘标准,要求嵌入式分段绝缘器的爬电距离不小于400mm(考虑最小250mm的绝缘要求和电压提高后的绝缘余量),这也是高强度树脂材料具备的性能。在城市轨道交通接触轨系统上应用嵌入式分段绝缘器,无论是哪一种断口设置方式均可以考虑,其绝缘体的长度设计可根据有效消除集电靴通过是对接触轨、集电靴和分段绝缘三者最有利的因素来决定,参考上海磁浮交通采用带中性段方式的电分段模式,设置中性段长度满足小于列车最远端集电靴的间隔,通过二极管对其电压进行平衡,与短三轨断口方式同样具备了减少列车故障状态下的连电现象,则更加有利于接触轨的运行的安全性。5嵌入式分段单元通过对目前城市轨道交通中采用的3种接触轨电分段断口设置方式的分析认为,3种断口方式各有利弊,在解决接触轨连续供电上均可行且均得到运营实践的检验,主要是解决列车失电与故障状态下的