電分段的設(shè)置

1、城市軌道交通系統(tǒng)架空接觸網(wǎng)電分段的設(shè)置摘 要：結(jié)合工程實(shí)踐提出了城市軌道交通系統(tǒng)中1 500 V架空接觸網(wǎng)電分段設(shè)置存在的問題，通過對受電弓過電分段可能產(chǎn)生的拉弧問題及對直流饋線保護(hù)的分析，提出 將城市軌道交通系統(tǒng)架空接觸網(wǎng)錨段關(guān)節(jié)形式的電分段設(shè)置在車站與牽引變電所同一 端。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(wǎng)中設(shè)置特殊的裝置或結(jié)構(gòu)形式將接觸網(wǎng)分隔成若干個 從結(jié)構(gòu)和電氣上相互隔離的區(qū)段。接觸網(wǎng)被電分段分隔成若干個獨(dú)立供電分區(qū)后，可以實(shí)現(xiàn)各供電分區(qū)由相應(yīng)的牽引變電所分別供電，保證供電質(zhì)量，同時，在接觸網(wǎng)故障時將事故范圍控制在盡可能小的范 圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)安全、可靠運(yùn)營。正線接

2、觸網(wǎng)的電分段示意圖見圖1。搭山電勸陽肉I x?！迸P型隔離71 X1.2電分段的形式目前，由于受接觸網(wǎng)形式及安裝空間的條件限制，國內(nèi)外架空接觸網(wǎng)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(guān)節(jié)形式。- 平行繪絶區(qū)2 0 j m*束性息摧電分段示蠹圖一接觸線/ L屮行接觸X:I刖性懸擰也分段示感圖閉】1他兩錨兇:關(guān)P號N也分段小息圉分段絕緣器方式一般適用于空間狹小的地下隧道，可以節(jié)省空間，但須設(shè)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?qū)Ь€與分段絕緣器連接處存在受力 硬點(diǎn)”，容易造成受電弓離線并出現(xiàn)較為明顯的

3、拉弧現(xiàn)象，影響列車的受流質(zhì)量。錨段關(guān)節(jié)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(qū)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(xiàn)象，保證了 列車受流質(zhì)量。接觸網(wǎng)錨段關(guān)節(jié)形式的電分段示意圖見圖2a。網(wǎng)吁訂轉(zhuǎn)吁向4- ；1殳m 斤淹旳壯畑;I仝電用？1血叩線方式電竹型世札丁詁卒專I所一刑I世 叭亦妙叩說詳廳K示總?cè)?.2.2剛性懸掛方式的電分段剛性懸掛通過錨段關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)機(jī)械和電氣分段。在錨段關(guān)節(jié)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200300 mm。采用這種方式后兩個相鄰供電分區(qū) 的接觸線按平行等高重疊布置，見圖2b,因此同柔性接

4、觸網(wǎng)的錨段關(guān)節(jié)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(xiàn)象，保證了列車受流質(zhì)量。1.3錨段關(guān)節(jié)形式電分段的設(shè)置位置分析地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50157-2003 )規(guī)定應(yīng)設(shè)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(shè)置方式見圖3的方式一。根據(jù)線路節(jié)能坡的設(shè)計(jì)原則及列車靠右行駛的規(guī)定，列車惰行處一般應(yīng)為車站的列車進(jìn)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(wǎng)大間距斷軌形式的電分段及1 500 V 接觸網(wǎng)分段絕緣器形式的電分段。這兩種電分段由于自身結(jié)構(gòu)的限制均會使滑過的受電 弓（

5、集電靴）出現(xiàn)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(wǎng)柔性懸掛和剛性懸掛而言，是否可以將上下行的錨段關(guān)節(jié)形式電分段均設(shè)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(shù)、工程實(shí)施及投資等方面進(jìn)一步分析和探討。依照規(guī)范要求，將電分段設(shè)置在列車進(jìn)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(shè)計(jì)的限制，牽引變電 所一般設(shè)置在車站站臺層一端，如按規(guī)范要求，則有一處電分段位于遠(yuǎn)離牽引變電所的車站一端。目前，一般車站長度在150250 m，如果按200 m考慮，則方式一比方式二的電纜

6、路徑長100 m以上。如果每回1 500 V直流饋線電纜數(shù)量按 4根（1400 mm2）, 電纜價格13萬元/km計(jì)，僅直流電纜一項(xiàng)，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(fèi)用等因素，則工程造價差異更大。（2）工程實(shí)施難度大。由于城軌車站內(nèi)各種管線及數(shù)量繁多，且相互交錯干擾。就專業(yè)施工組織協(xié)調(diào)的難度而言，方式一也大于方式二。2直流饋線保護(hù)影響和拉弧問題分析2.1拉弧問題的分析產(chǎn)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(dāng)列車從供電分區(qū) A經(jīng)過電分段進(jìn)入供電分區(qū) B 時，列車受電弓從接觸網(wǎng)取流可

7、分為3個階段。亡j:隹遼卜理弋Kb BlU T r 費(fèi)電41.MJLJLL:1 Jc 世鍛域肯盤1存旅*-i*列菲打駛號向|供咆甘展amiis/k n 21”X 氏堆嘲餞開共常開電審岡點(diǎn)開民.i帶閉屯動觸梅刊用第1階段：供電分區(qū)A的接觸線向列車受電弓供電； 第2階段：通過節(jié)點(diǎn)1,進(jìn)入 并行接觸區(qū)后，供電分區(qū) A及供電分區(qū)B的接觸線共同向列車受電弓供電；第 3階段： 通過節(jié)點(diǎn)2，進(jìn)入供電分區(qū)B后，供電分區(qū)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(chǎn)生拉弧現(xiàn)象的位置是在節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)2的弓網(wǎng)結(jié)合和分離處。如每列車按兩端各設(shè)一個受電弓考慮，列車的最大啟動電流 3 000 A ,不

8、考慮供電分區(qū)中其他列車的影響，以此電流穿越電分段（并假設(shè)供電回路為電阻回 路）。列車受電弓均從供電分區(qū) 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(dāng)列車行至節(jié)點(diǎn)1時，列車前端受電弓將由供電分區(qū)A接觸線供電轉(zhuǎn)變?yōu)橛?A、B兩區(qū)的接觸線共同供電，在轉(zhuǎn)變的瞬間，供電分區(qū)B的接觸線與受電弓存在由分離到接觸的過程。產(chǎn)生拉弧的第一個必要條件已經(jīng)存在?，F(xiàn)再分析放電電壓的情況。從圖4可知兩個供電分區(qū)均由同一段牽引變電所直流母線供電，直流母線電壓為 Ui ,列車受電弓的電壓為U2，供電分區(qū)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(qū)B接觸線之

9、間的電壓差即為與直流母線電壓U1的電壓差U12，而U12實(shí)際為直流饋線電纜回路的電壓降：Ui2=（ I啟動/2）單根饋線電纜單位電阻電纜長度/每回電纜根數(shù)=（3 000/2）0.0470.1/4=1.76 V可見，弓網(wǎng)之間的電壓差非常小，這說明弓網(wǎng)間隙只有在極小的情況下才會出現(xiàn)放電現(xiàn)象。另外，電分段采用等高重疊布線的錨段關(guān)節(jié)形式，相對分段絕緣器方式而言，徹 底改善了弓網(wǎng)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(diǎn)”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(shí)了列車在通過設(shè)置在 車站出站端的錨段關(guān)節(jié)形式電分段時，弓網(wǎng)未

10、出現(xiàn)明顯的離線拉弧現(xiàn)象。2.2直流饋線保護(hù)影響分析當(dāng)列車啟動通過設(shè)置在出站端的電分段時，會不會因電流的突變對繼電保護(hù)帶來影 響，造成保護(hù)裝置誤動而導(dǎo)致直流饋線開關(guān)誤跳。下面結(jié)合直流饋線保護(hù)原理作一分析。（1 ）直流饋線保護(hù)主要包括直流快速開關(guān)本體自帶的大電流脫扣保護(hù)和繼電保護(hù)裝 置中的電流變化率 di/dt及電流增量DI保護(hù)。目前國內(nèi)1 500 V牽引供電系統(tǒng)普遍采用 的直流饋線保護(hù)裝置主要集中在西門子、賽雪龍和Adtranz三家，雖然三家的保護(hù)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(hù)是否出口。各種保護(hù)功能的整定原則主要包括以下內(nèi)容：大電流脫扣

11、整定值應(yīng)高于相應(yīng)的最大直流饋線電流；di/dt及DI保護(hù)主要應(yīng)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(hù)應(yīng)躲過被保護(hù)范圍外部故障時的故障電流。（2）對大電流脫扣保護(hù)的影響。大電流脫扣的整定依據(jù)主要是直流短路電流值和最 大饋線電流值。以接觸網(wǎng)等效阻抗較大的柔性懸掛方式，牽引整流機(jī)組為3 000 kW的1500 V牽引供電系統(tǒng)為例，其遠(yuǎn)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(hù)整定范圍普遍在412 kA ,整定值一般在6 kA以上。從上述數(shù)值可以看出，當(dāng)列車前端

12、受電弓通過節(jié)點(diǎn)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(fù)荷電流相加，也達(dá)不到保護(hù)定值，因此不會影響大 電流脫扣保護(hù)出口的可靠性。（3）對di/dt及DI保護(hù)的影響。對di/dt及DI保護(hù)整定時，往往需要考慮并避讓各種 正常運(yùn)行情況下出現(xiàn)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(guān)重合閘時帶來的電流變化。整定值一般整定為大于列車的啟動電流，如果供電分區(qū)設(shè)置在出站端時，可將整定值適度調(diào)大即可，由于【整定值與直流短路電流相差很大，因此對保護(hù)動作的可靠性的影響不明顯。對于di/dt保護(hù)，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(hù)的正確

13、出口，根據(jù)以往的工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，di/dt保護(hù)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/ms30ms）,而受電弓在通過電分段的節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)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(dāng)受電弓以足夠的速度滑過節(jié)點(diǎn)，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(yuǎn)未達(dá)到30 ms的時間定值要求，di/dt保護(hù)自然不會出口。實(shí)際情況如何呢？也可近似地估算前端受電弓滑過節(jié)點(diǎn)1時，由供電分區(qū)A供電轉(zhuǎn)變?yōu)?/p>

14、由供電分區(qū)A、B共同供電所需的時間，即受電弓由與供電分區(qū)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(jì)算，假設(shè)弓網(wǎng)在接觸前的壓差U12為1.76 V，其所對應(yīng)的放電間隙不會超過1 mm ;以柔性懸掛為例，根據(jù)接觸線下錨抬升角度，受電弓在弓網(wǎng)臨界放電位置與弓網(wǎng)接觸點(diǎn)的水平距離S1 一般不超過150 mm,這里按150mm計(jì)算；根據(jù)列車的電氣特性，列車速度為035 km/h時的加速度a 一般不低于0.9m/s2，按0.9 m/s2計(jì)算；車站長度按 200 m考慮，電分段設(shè)置在車站端頭；列車按 A型 車，6節(jié)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

15、30 m。首先，計(jì)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(wǎng)臨界放電位置到弓網(wǎng)接觸點(diǎn)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(jié)點(diǎn)1時，電流I2變化所對應(yīng)的電流變化率遠(yuǎn)小于di/dt保護(hù)的150 A/ms整定值。因此，保護(hù)裝置不會動作。對于剛性懸掛而言，后端受電弓由于節(jié)點(diǎn)外側(cè)的匯流排上翹角度比柔性懸掛大，S1更小，相應(yīng)的t值更小。因此，di/dt保護(hù)不會出口。由于電流變化總量很小，無論架空接觸網(wǎng)是柔性懸掛還是剛性懸掛，受電弓過節(jié)點(diǎn)時，電流變化率和延時