城市軌道交通系統架空接觸網電分段的設置摘 要：結合工程實踐提出了城市軌道交通系統中1 500 V架空接觸網電分段設置存在的問題，通過對受電弓過電分段可能產生的拉弧問題及對直流饋線保護的分析，提出將城市軌道交通系統架空接觸網錨段關節形式的電分段設置在車站與牽引變電所同一端。 關鍵詞：電分段；拉弧；直流饋線保護；新思路 隨著我國城市建設的快速發展，城市軌道交通并入了國民經濟快速發展的軌道。由于國內各地城市軌道交通項目同時建設，因此各工程的設計結合了各地的具體情況并借鑒了不同國家的技術及經驗，形成各地城市軌道交通設計技術方案的多樣性和多種技術形式共存的局面，其供電系統也不例外。 本文對工程中1 500 V接觸網正線采用不同形式的電分段在設置中存在的問題進行了分析和探討，并提出一些認識和建議。1 電分段作用及形式 1.1電分段的作用 電分段的作用是通過在接觸網中設置特殊的裝置或結構形式將接觸網分隔成若干個從結構和電氣上相互隔離的區段。 接觸網被電分段分隔成若干個獨立供電分區后，可以實現各供電分區由相應的牽引變電所分別供電，保證供電質量，同時，在接觸網故障時將事故范圍控制在盡可能小的范圍內，實現安全、可靠運營。正線接觸網的電分段示意圖見圖1。
1.2 電分段的形式 目前，由于受接觸網形式及安裝空間的條件限制，國內外架空接觸網電分段的采用形式不盡相同，主要包括以下幾種形式。 1.2.1 柔性懸掛方式的電分段 柔性懸掛電分段一般采用分段絕緣器方式和錨段關節形式。 分段絕緣器方式一般適用于空間狹小的地下隧道，可以節省空間，但須設置專用的分段絕緣器，同時存在列車受電弓滑過電分段時，因導線與分段絕緣器連接處存在受力“硬點”，容易造成受電弓離線并出現較為明顯的拉弧現象，影響列車的受流質量。 錨段關節形式適用于空間條件較好的地面及高架線路，由于在電分段處兩個相鄰供電分區的接觸線平行重疊，因此可以基本消除列車受電弓過電分段時的拉弧現象，保證了列車受流質量。接觸網錨段關節形式的電分段示意圖見圖2a。 1.2.2 剛性懸掛方式的電分段 剛性懸掛通過錨段關節實現機械和電氣分段。在錨段關節處，兩條匯流排平行重疊，重疊長度一般為3.6 m，水平間距為200～300 mm。采用這種方式后兩個相鄰供電分區的接觸線按平行等高重疊布置，見圖2b，因此同柔性接觸網的錨段關節形式電分段的情況相同，可以基本消除列車受電弓過電分段時的拉弧現象，保證了列車受流質量。 1.3 錨段關節形式電分段的設置位置分析 《地鐵設計規范》（GB50157-2003）規定應設置在下列各處：“有牽引變電所車站的車輛惰行處；……”，電分段在車站中設置方式見圖3的方式一。 根據線路節能坡的設計原則及列車靠右行駛的規定，列車惰行處一般應為車站的列車進站端。主要考慮的是出站列車過電分段時受電弓和接觸線不被較大的列車啟動電流造成的電弧電流損傷。比如DC 750 V三軌形式牽引網大間距斷軌形式的電分段及1 500 V接觸網分段絕緣器形式的電分段。這兩種電分段由于自身結構的限制均會使滑過的受電弓（集電靴）出現短時離線（軌），如果此時列車正在受流，拉弧情況也就無法避免。那么，對于1 500 V架空接觸網柔性懸掛和剛性懸掛而言，是否可以將上下行的錨段關節形式電分段均設置在與牽引變電所同一車站端呢（見圖3方式二）？下面從技術、工程實施及投資等方面進一步分析和探討。 依照規范要求，將電分段設置在列車進站端的方式雖然可以解決拉弧問題，但也會帶來一些其他問題： （1）工程投資加大。由于牽引變電所工藝要求及受車站工藝設計的限制，牽引變電所一般設置在車站站臺層一端，如按規范要求，則有一處電分段位于遠離牽引變電所的車站一端。目前，一般車站長度在150～250 m，如果按200 m考慮，則方式一比方式二的電纜路徑長100 m以上。如果每回1 500 V直流饋線電纜數量按4根（1400 mm2），電纜價格13萬元/km計，僅直流電纜一項，方式一比方式二每處電分段多投資10萬多元。如再考慮低壓控制電纜、電纜支架及工程安裝費用等因素，則工程造價差異更大。 （2）工程實施難度大。由于城軌車站內各種管線及數量繁多，且相互交錯干擾。就專業施工組織協調的難度而言，方式一也大于方式二。 2直流饋線保護影響和拉弧問題分析 2.1 拉弧問題的分析 產生拉弧的前提條件是：受電弓與接觸線之間存在空氣間隙及必要的電壓降。 柔性懸掛中的電分段，如圖4所示，當列車從供電分區A經過電分段進入供電分區B時，列車受電弓從接觸網取流可分為3個階段。 第1階段：供電分區A的接觸線向列車受電弓供電；第2階段：通過節點1，進入并行接觸區后，供電分區A及供電分區B的接觸線共同向列車受電弓供電；第3階段：通過節點2，進入供電分區B后，供電分區B的接觸線向列車受電弓供電。 不難看出，列車受電弓過電分段時，可能產生拉弧現象的位置是在節點1和節點2的弓網結合和分離處。如每列車按兩端各設一個受電弓考慮，列車的最大啟動電流3 000 A，不考慮供電分區中其他列車的影響，以此電流穿越電分段（并假設供電回路為電阻回路）。 列車受電弓均從供電分區A的接觸線上受流，每個受電弓電流為啟動電流的一半，即1 500 A；當列車行至節點1時，列車前端受電弓將由供電分區A接觸線供電轉變為由A、B兩區的接觸線共同供電，在轉變的瞬間，供電分區B的接觸線與受電弓存在由分離到接觸的過程。 產生拉弧的第一個必要條件已經存在。現再分析放電電壓的情況。從圖4可知兩個供電分區均由同一段牽引變電所直流母線供電，直流母線電壓為U1，列車受電弓的電壓為U2，供電分區B的接觸線在向列車供電前，其電壓為直流母線電壓U1。可以看出，該過程中受電弓與供電分區B接觸線之間的電壓差即為與直流母線電壓U1的電壓差U12，而U12實際為直流饋線電纜回路的電壓降：U12=（I啟動/2）單根饋線電纜單位電阻電纜 長度/每回電纜根數=（3 000/2）0.0470.1/4=1.76 V 可見，弓網之間的電壓差非常小，這說明弓網間隙只有在極小的情況下才會出現放電現象。另外，電分段采用等高重疊布線的錨段關節形式，相對分段絕緣器方式而言，徹底改善了弓網配合特性，避免了分段絕緣器方式的電分段中存在的接觸“硬點”，解決了受電弓過電分段時因受力突變帶來的振蕩離線拉弧的問題。 通過在上海城市軌道三號線和廣州地鐵二號線的使用，也證實了列車在通過設置在車站出站端的錨段關節形式電分段時，弓網未出現明顯的離線拉弧現象。2.2 直流饋線保護影響分析 當列車啟動通過設置在出站端的電分段時，會不會因電流的突變對繼電保護帶來影響，造成保護裝置誤動而導致直流饋線開關誤跳。下面結合直流饋線保護原理作一分析。 （1）直流饋線保護主要包括直流快速開關本體自帶的大電流脫扣保護和繼電保護裝置中的電流變化率di/dt及電流增量DI保護。目前國內1 500 V牽引供電系統普遍采用的直流饋線保護裝置主要集中在西門子、賽雪龍和Adtranz三家，雖然三家的保護裝置在整定方式上各有不同，但原理和功能基本相同，均是通過利用電流變化率和電流增量判斷保護是否出口。 各種保護功能的整定原則主要包括以下內容：大電流脫扣整定值應高于相應的最大直流饋線電流；di/dt及DI保護主要應考慮與列車特性相配合，躲過列車的起動電流、制動電流、列車過電分段時的沖擊電流和饋線重合閘時的沖擊電流為原則；di/dt及DI的保護應躲過被保護范圍外部故障時的故障電流。 （2）對大電流脫扣保護的影響。大電流脫扣的整定依據主要是直流短路電流值和最大饋線電流值。以接觸網等效阻抗較大的柔性懸掛方式，牽引整流機組為3 000 kW的1 500 V牽引供電系統為例，其遠端短路直流短路電流一般不低于20 kA，最大饋線電流一般不超過3 kA，而大電流脫扣保護整定范圍普遍在4～12 kA，整定值一般在6 kA以上。 從上述數值可以看出，當列車前端受電弓通過節點1時，饋電電流I2的電流增量為750 A左右，即使與直流饋線最大負荷電流相加，也達不到保護定值，因此不會影響大電流脫扣保護出口的可靠性。 （3）對di/dt及DI保護的影響。對di/dt及DI保護整定時，往往需要考慮并避讓各種正常運行情況下出現的電流變化率和電流增量，如列車啟動、制動、列車過電分段以及直流快速開關重合閘時帶來的電流變化。 △I整定值一般整定為大于列車的啟動電流，如果供電分區設置在出站端時，可將△I整定值適度調大即可，由于ΔI整定值與直流短路電流相差很大，因此對保護動作的可靠性的影響不明顯。 對于di/dt保護，一般須對電流變化率與延時長度同時整定，為保證di/dt保護的正確出口，根據以往的工程設計經驗，di/dt保護的電流變化率定值一般不小于150 A/ms，時間定值在30 ms以上，從該定值可以看出電流變化總量不會低于4500 A（150 A/ms30 ms），而受電弓在通過電分段的節點1和節點2時，每次給饋線電流I2帶來的電流變化總量不會超過750 A。也可直觀地理解為，當受電弓以足夠的速度滑過節點，給I2帶來超過150 A/ms的電流變化率時，由于電流變化總量的限制，這種電流變化率的保持時間也只能維持在5 ms左右，遠未達到30 ms的時間定值要求，di/dt保護自然不會出口。 實際情況如何呢？也可近似地估算前端受電弓滑過節點1時，由供電分區A供電轉變為由供電分區A、B共同供電所需的時間，即受電弓由與供電分區B接觸線臨界放電位置到與接觸線接觸的時間長度。為便于計算，假設弓網在接觸前的壓差U12為1.76 V，其所對應的放電間隙不會超過1 mm；以柔性懸掛為例，根據接觸線下錨抬升角度，受電弓在弓網臨界放電位置與弓網接觸點的水平距離S1一般不超過150 mm，這里按150 mm計算；根據列車的電氣特性，列車速度為0～35 km/h時的加速度a一般不低于0.9 m/s2，按0.9 m/s2計算；車站長度按200 m考慮，電分段設置在車站端頭；列車按A型車，6節編組，長度按140 m考慮，受電弓在列車兩端的動車上，前端受電弓與電分段的距離S為30 m。 首先，計算列車啟動加速到電分段位置時的時間t：列車在電分段位置時的速度v：v =at = 0.98.15 = 7.34 m/s 受電弓從弓網臨界放電位置到弓網接觸點所需的時間t： t= S1/v = 150/7.34 = 20.4 ms 由于受到每次750 A電流變化總量的限制，受電弓過節點1時，電流I2變化所對應的電流變化率遠小于di/dt保護的150 A/ms整定值。因此，保護裝置不會動作。對于剛性懸掛而言，后端受電弓由于節點外側的匯流排上翹角度比柔性懸掛大，S1更小，相應的t值更小。因此，di/dt保護不會出口。 由于電流變化總量很小，無論架空接觸網是柔性懸掛還是剛性懸掛，受電弓過節點時，電流變化率和延時時間不可能同時滿足整定要求，與上述的計算分析結果相同，di/dt保護不會出口。 3結束語 通過以上分析和計算，可得出這樣的結論：不論是剛性還是柔性架空接觸網，其錨段關節形式的電分段設置在車站與牽引變電所的同一端，從技術分析上是可行的，并且通過在上海軌道交通3號線（柔性架空接觸網）、廣州地鐵2號線（剛性架空接觸網）的實際應用也證實了列車在啟動時通過這種形式的電分段均未出現明顯拉弧和對直流饋線保護產生不良影響而造成開關誤跳的情況出現，可見這種電分段的設置方式是可行的。
1.2 電分段的形式 目前，由于受接觸網形式及安裝空間的條件限制，國內外架空接觸網電分段的采用形式不盡相同，主要包括以下幾種形式。 1.2.1 柔性懸掛方式的電分段 柔性懸掛電分段一般采用分段絕緣器方式和錨段關節形式。 分段絕緣器方式一般適用于空間狹小的地下隧道，可以節省空間，但須設置專用的分段絕緣器，同時存在列車受電弓滑過電分段時，因導線與分段絕緣器連接處存在受力“硬點”，容易造成受電弓離線并出現較為明顯的拉弧現象，影響列車的受流質量。 錨段關節形式適用于空間條件較好的地面及高架線路，由于在電分段處兩個相鄰供電分區的接觸線平行重疊，因此可以基本消除列車受電弓過電分段時的拉弧現象，保證了列車受流質量。接觸網錨段關節形式的電分段示意圖見圖2a。 1.2.2 剛性懸掛方式的電分段 剛性懸掛通過錨段關節實現機械和電氣分段。在錨段關節處，兩條匯流排平行重疊，重疊長度一般為3.6 m，水平間距為200～300 mm。采用這種方式后兩個相鄰供電分區的接觸線按平行等高重疊布置，見圖2b，因此同柔性接觸網的錨段關節形式電分段的情況相同，可以基本消除列車受電弓過電分段時的拉弧現象，保證了列車受流質量。 1.3 錨段關節形式電分段的設置位置分析 《地鐵設計規范》（GB50157-2003）規定應設置在下列各處：“有牽引變電所車站的車輛惰行處；……”，電分段在車站中設置方式見圖3的方式一。 根據線路節能坡的設計原則及列車靠右行駛的規定，列車惰行處一般應為車站的列車進站端。主要考慮的是出站列車過電分段時受電弓和接觸線不被較大的列車啟動電流造成的電弧電流損傷。比如DC 750 V三軌形式牽引網大間距斷軌形式的電分段及1 500 V接觸網分段絕緣器形式的電分段。這兩種電分段由于自身結構的限制均會使滑過的受電弓（集電靴）出現短時離線（軌），如果此時列車正在受流，拉弧情況也就無法避免。那么，對于1 500 V架空接觸網柔性懸掛和剛性懸掛而言，是否可以將上下行的錨段關節形式電分段均設置在與牽引變電所同一車站端呢（見圖3方式二）？下面從技術、工程實施及投資等方面進一步分析和探討。 依照規范要求，將電分段設置在列車進站端的方式雖然可以解決拉弧問題，但也會帶來一些其他問題： （1）工程投資加大。由于牽引變電所工藝要求及受車站工藝設計的限制，牽引變電所一般設置在車站站臺層一端，如按規范要求，則有一處電分段位于遠離牽引變電所的車站一端。目前，一般車站長度在150～250 m，如果按200 m考慮，則方式一比方式二的電纜路徑長100 m以上。如果每回1 500 V直流饋線電纜數量按4根（1400 mm2），電纜價格13萬元/km計，僅直流電纜一項，方式一比方式二每處電分段多投資10萬多元。如再考慮低壓控制電纜、電纜支架及工程安裝費用等因素，則工程造價差異更大。 （2）工程實施難度大。由于城軌車站內各種管線及數量繁多，且相互交錯干擾。就專業施工組織協調的難度而言，方式一也大于方式二。 2直流饋線保護影響和拉弧問題分析 2.1 拉弧問題的分析 產生拉弧的前提條件是：受電弓與接觸線之間存在空氣間隙及必要的電壓降。 柔性懸掛中的電分段，如圖4所示，當列車從供電分區A經過電分段進入供電分區B時，列車受電弓從接觸網取流可分為3個階段。 第1階段：供電分區A的接觸線向列車受電弓供電；第2階段：通過節點1，進入并行接觸區后，供電分區A及供電分區B的接觸線共同向列車受電弓供電；第3階段：通過節點2，進入供電分區B后，供電分區B的接觸線向列車受電弓供電。 不難看出，列車受電弓過電分段時，可能產生拉弧現象的位置是在節點1和節點2的弓網結合和分離處。如每列車按兩端各設一個受電弓考慮，列車的最大啟動電流3 000 A，不考慮供電分區中其他列車的影響，以此電流穿越電分段（并假設供電回路為電阻回路）。 列車受電弓均從供電分區A的接觸線上受流，每個受電弓電流為啟動電流的一半，即1 500 A；當列車行至節點1時，列車前端受電弓將由供電分區A接觸線供電轉變為由A、B兩區的接觸線共同供電，在轉變的瞬間，供電分區B的接觸線與受電弓存在由分離到接觸的過程。 產生拉弧的第一個必要條件已經存在。現再分析放電電壓的情況。從圖4可知兩個供電分區均由同一段牽引變電所直流母線供電，直流母線電壓為U1，列車受電弓的電壓為U2，供電分區B的接觸線在向列車供電前，其電壓為直流母線電壓U1。可以看出，該過程中受電弓與供電分區B接觸線之間的電壓差即為與直流母線電壓U1的電壓差U12，而U12實際為直流饋線電纜回路的電壓降：U12=（I啟動/2）單根饋線電纜單位電阻電纜 長度/每回電纜根數=（3 000/2）0.0470.1/4=1.76 V 可見，弓網之間的電壓差非常小，這說明弓網間隙只有在極小的情況下才會出現放電現象。另外，電分段采用等高重疊布線的錨段關節形式，相對分段絕緣器方式而言，徹底改善了弓網配合特性，避免了分段絕緣器方式的電分段中存在的接觸“硬點”，解決了受電弓過電分段時因受力突變帶來的振蕩離線拉弧的問題。 通過在上海城市軌道三號線和廣州地鐵二號線的使用，也證實了列車在通過設置在車站出站端的錨段關節形式電分段時，弓網未出現明顯的離線拉弧現象。2.2 直流饋線保護影響分析 當列車啟動通過設置在出站端的電分段時，會不會因電流的突變對繼電保護帶來影響，造成保護裝置誤動而導致直流饋線開關誤跳。下面結合直流饋線保護原理作一分析。 （1）直流饋線保護主要包括直流快速開關本體自帶的大電流脫扣保護和繼電保護裝置中的電流變化率di/dt及電流增量DI保護。目前國內1 500 V牽引供電系統普遍采用的直流饋線保護裝置主要集中在西門子、賽雪龍和Adtranz三家，雖然三家的保護裝置在整定方式上各有不同，但原理和功能基本相同，均是通過利用電流變化率和電流增量判斷保護是否出口。 各種保護功能的整定原則主要包括以下內容：大電流脫扣整定值應高于相應的最大直流饋線電流；di/dt及DI保護主要應考慮與列車特性相配合，躲過列車的起動電流、制動電流、列車過電分段時的沖擊電流和饋線重合閘時的沖擊電流為原則；di/dt及DI的保護應躲過被保護范圍外部故障時的故障電流。 （2）對大電流脫扣保護的影響。大電流脫扣的整定依據主要是直流短路電流值和最大饋線電流值。以接觸網等效阻抗較大的柔性懸掛方式，牽引整流機組為3 000 kW的1 500 V牽引供電系統為例，其遠端短路直流短路電流一般不低于20 kA，最大饋線電流一般不超過3 kA，而大電流脫扣保護整定范圍普遍在4～12 kA，整定值一般在6 kA以上。 從上述數值可以看出，當列車前端受電弓通過節點1時，饋電電流I2的電流增量為750 A左右，即使與直流饋線最大負荷電流相加，也達不到保護定值，因此不會影響大電流脫扣保護出口的可靠性。 （3）對di/dt及DI保護的影響。對di/dt及DI保護整定時，往往需要考慮并避讓各種正常運行情況下出現的電流變化率和電流增量，如列車啟動、制動、列車過電分段以及直流快速開關重合閘時帶來的電流變化。 △I整定值一般整定為大于列車的啟動電流，如果供電分區設置在出站端時，可將△I整定值適度調大即可，由于ΔI整定值與直流短路電流相差很大，因此對保護動作的可靠性的影響不明顯。 對于di/dt保護，一般須對電流變化率與延時長度同時整定，為保證di/dt保護的正確出口，根據以往的工程設計經驗，di/dt保護的電流變化率定值一般不小于150 A/ms，時間定值在30 ms以上，從該定值可以看出電流變化總量不會低于4500 A（150 A/ms30 ms），而受電弓在通過電分段的節點1和節點2時，每次給饋線電流I2帶來的電流變化總量不會超過750 A。也可直觀地理解為，當受電弓以足夠的速度滑過節點，給I2帶來超過150 A/ms的電流變化率時，由于電流變化總量的限制，這種電流變化率的保持時間也只能維持在5 ms左右，遠未達到30 ms的時間定值要求，di/dt保護自然不會出口。 實際情況如何呢？也可近似地估算前端受電弓滑過節點1時，由供電分區A供電轉變為由供電分區A、B共同供電所需的時間，即受電弓由與供電分區B接觸線臨界放電位置到與接觸線接觸的時間長度。為便于計算，假設弓網在接觸前的壓差U12為1.76 V，其所對應的放電間隙不會超過1 mm；以柔性懸掛為例，根據接觸線下錨抬升角度，受電弓在弓網臨界放電位置與弓網接觸點的水平距離S1一般不超過150 mm，這里按150 mm計算；根據列車的電氣特性，列車速度為0～35 km/h時的加速度a一般不低于0.9 m/s2，按0.9 m/s2計算；車站長度按200 m考慮，電分段設置在車站端頭；列車按A型車，6節編組，長度按140 m考慮，受電弓在列車兩端的動車上，前端受電弓與電分段的距離S為30 m。 首先，計算列車啟動加速到電分段位置時的時間t：列車在電分段位置時的速度v：v =at = 0.98.15 = 7.34 m/s 受電弓從弓網臨界放電位置到弓網接觸點所需的時間t： t= S1/v = 150/7.34 = 20.4 ms 由于受到每次750 A電流變化總量的限制，受電弓過節點1時，電流I2變化所對應的電流變化率遠小于di/dt保護的150 A/ms整定值。因此，保護裝置不會動作。對于剛性懸掛而言，后端受電弓由于節點外側的匯流排上翹角度比柔性懸掛大，S1更小，相應的t值更小。因此，di/dt保護不會出口。 由于電流變化總量很小，無論架空接觸網是柔性懸掛還是剛性懸掛，受電弓過節點時，電流變化率和延時時間不可能同時滿足整定要求，與上述的計算分析結果相同，di/dt保護不會出口。 3結束語 通過以上分析和計算，可得出這樣的結論：不論是剛性還是柔性架空接觸網，其錨段關節形式的電分段設置在車站與牽引變電所的同一端，從技術分析上是可行的，并且通過在上海軌道交通3號線（柔性架空接觸網）、廣州地鐵2號線（剛性架空接觸網）的實際應用也證實了列車在啟動時通過這種形式的電分段均未出現明顯拉弧和對直流饋線保護產生不良影響而造成開關誤跳的情況出現，可見這種電分段的設置方式是可行的。
