城市軌道交通接觸網供電分段方案的探討

徐海虹,劉慧利

(1.鐵道第三勘察設計院集團有限公司,天津 300251；2.中鐵電氣化勘測設計研究院有限公司,天津 300250)

1 概述

與交流電氣化鐵路一樣,直流牽引接觸網電氣上的分段，不僅僅是接觸網本身供電區域和功能范圍的劃分需要,同時還是運營維護中非常重要的管理及維修依據。城市軌道交通接觸網一般有架空柔性、架空剛性、接觸軌(第三軌)等形式,國內的天津、北京、武漢等地鐵采用了接觸軌方式,上海、廣州、南京、成都等城市部分地鐵采用了架空剛性方式,大連輕軌、天津津濱輕軌、上海1號線、廣州1號線等采用了架空柔性方式,本文結合3種接觸網形式對接觸網供電分段方式、方案及與之相關的技術要求進行簡要探討。

不同接觸網類型的電分段形式有所不同。架空接觸網電分段主要實現的方式有絕緣錨段關節形式、分段絕緣器。絕緣錨段關節適應速度高,主要用于柔性接觸網的正線電氣分段,分段絕緣器大多應用于渡線和車場內有關線路的電氣分段；接觸軌系統中一般很少采用分段絕緣器形式的電分段方式,大多采用接觸軌自然形成的斷口來實現不同供電分區的電氣隔離。

《地鐵設計規范》(GB50157—2003)規定,接觸網在下列場所設置電分段：有牽引變電所車站的車輛惰行側；輔助線與正線的銜接處；車輛段出入段線和正線的銜接處；車輛段檢修庫入口處。

2 架空接觸網供電分段及電氣接線

架空接觸網系統設置電分段時,為了便于上網電纜的設置、減少工程投資,在牽引變電所所在車站,無論國外還是國內地鐵線路一般均設置在變電所同一端。

2.1 架空接觸網電氣分段的基本設置要求

(1)正線接觸網電分段應與牽引變電所布置相結合,既滿足正常運行要求,又要考慮到牽引變電所解列時的運行要求。

(2)除終端車站的變電所外,正線在有變電所的車站進站端(惰行側)設電分段,電分段采用絕緣錨段關節。

(3)正線間渡線、折返線,正線與停車線之間,車輛段(停車場)的出入線與正線間設電分段,電分段采用分段絕緣器。分段絕緣器安裝如圖1所示。

圖1 分段絕緣器安裝示意

(4)車輛段(停車場)各供電分區之間設電分段,電分段采用分段絕緣器。

(5)車輛段洗車庫設電分段,電分段采用分段絕緣器。

(6)車輛段(停車場)其他各庫線入口處設電分段,電分段采用分段絕緣器。

2.2 接觸網開關設置要求

在電氣連接上,設置電分段后還應考慮設置相應的接觸網開關,根據供電系統和接觸網運行要求,隔離開關設置要求如下。

(1)接觸網饋電上網開關,正線各電分段之間的聯絡開關以及車輛段(停車場)出入線電分段的聯絡開關采用電動隔離開關,納入遠動(SCADA)控制。

(2)為檢修安全需要在各車庫線入口處的電分段處設手動帶接地刀閘的隔離開關。

(3)其他各供電分區之間設手動隔離開關,主要是實現不同電氣分區之間的相互支持和備用。

圖2為某工程正線架空接觸網電氣分段和系統接線示意圖。

3 接觸軌供電分段及電氣接線

接觸軌系統在電氣分段和系統接線上與架空接觸網基本一致,主要還應該與供電系統運行要求相適應。

圖2 某工程正線架空接觸網供電分段及接線示意

3.1 接觸軌分段

(1)接觸軌的分段分為機械分段和電氣分段兩種。機械分段主要設置在道岔、地下站的人防及防淹門、車站換邊處,一般采用接觸軌自然斷開方式,斷軌間用電纜進行電氣連接,其斷口長度一般根據具體情況確定,以不影響其他設備正常使用和正常行車為基準。

(2)電氣分段的設置應滿足正常運營情況下雙邊供電,1個變電所解列時構成大雙邊供電的原則,車輛段或停車場的電分段則應滿足供電需要并同時考慮接觸軌檢修需要。電分段的主要設置地點和原則為：正線有牽引變電所的車站,電分段通常設置在列車惰性區段(進站端)；正線間的渡線、折返線與正線間、停車場與正線間設置電分段。電氣分段也采用自然斷開接觸軌方式,兩斷軌間電氣不連接,其斷口長度與集電靴在列車上的分布及電氣連接情況、集電靴與接觸軌端部彎頭始觸點的位置等相關,應與供電、車輛專業共同協商確定。

(3)接觸軌采用斷口、自然間隔的方式實現電氣分段,1個集電靴通過時瞬間離開接觸軌,因此接觸軌要設置端部彎頭設施，以便引導集電靴的順利通過。工程設計中應體現少斷軌的原則,盡可能選用道岔、人防門及防淹門等處的斷軌作為電分段。

3.2 系統接線

圖3為某工程正線接觸軌供電分段示意圖,其正線不同電分段之間不設置越區供電用的接觸網聯絡開關,其功能由變電所母線實現。

圖3 某工程正線接觸軌供電分段及接線示意

由于接觸軌是安裝在軌道旁,其停送電范圍與軌道的維護分區、車輛出行及軌道日常維護密切相關,因此在車輛段、停車場采用接觸軌方式時,接觸軌的電分段設置應考慮供電安全可靠,同時也應考慮軌道檢修、車輛出入等作業需要,盡可能實現接觸軌電分段設置、供電分區配置與相關設置的功能及需求一致。

4 接觸軌電分段的主要形式

由于接觸軌的電氣分段、機械分段均通過接觸軌斷口實現,就存在影響車輛連續可靠受流的問題,需要對所采用的分段方式進行擇優選用,目前接觸軌電分段主要有小斷口、大斷口和短接觸軌等3種形式。

小斷口方式的斷軌處斷口長度小于列車的1個動車2個集電靴間的距離,列車通過分段時能夠連續取流、不出現失電問題；當出現短路故障時則會出現短路電流通過集電靴和母線,對牽引所的直流保護靈敏度和集電靴產生不利影響。

大斷口方式的斷軌處斷口長度大于列車的1個動車2個集電靴間的距離,但小于相鄰兩動車相同位置上的集電靴間的距離。由于相鄰兩動車間高壓電氣不相連,車輛通過分段時車輛取流不連續,造成臨時失電,旅客乘坐會產生不舒適感,同時產生車輛的照明和空調臨時失電。目前部分新型車輛整列編組直流母線高壓電氣貫通,基本解決了上述問題。

由于機車在通過電分段處的失電和故障時連接的矛盾,可采用在斷口處加設短段接觸軌方案(俗稱短三軌)。接觸軌大斷口長度大于整列車集電靴間相隔最大距離,而小斷口則小于車輛相鄰集電靴間的最小距離。該方案是在加大斷口的基礎上通過增加1根短接觸軌實現的,短接觸軌通過隔離開關或接觸器與車站的供電臂連接,正常情況下列車通過電分段處的取流連續、無失電問題。

短接觸軌方案的技術優勢明顯,增加投資不大,建議優先選擇。

當正線采用接觸軌形式,而車輛段或與之貫通的其他線路采用架空接觸網方式時,就出現了二者切換的問題。切換方式主要有停車切換和不停車切換兩種,具體采用哪種方式應以車輛供貨商的技術要求為主。接觸網工程一般是建立一段接觸軌和架空接觸網并存的過渡段,通過控制受電弓和集電靴的升降實現受流方式的轉換。不停車切換可實現機車不失電,但控制程序復雜,停車切換操作簡單、但機車短時失電。兩種類型接觸懸掛電氣互相切換必須遵循等電位的技術要求。

5 結論及建議

接觸網電分段的實現方式主要與接觸網的結構形式密切相關,同時還需要考慮接觸網運營維護的簡易和方便。架空接觸網以采用絕緣錨段關節為主,困難時可考慮采用分段絕緣器,其優勢可以保證受電弓實現連續受流；接觸軌一般采用斷口方式實現電分段,在設置接觸軌電分段時尤其要注意的是對其端部彎頭的設定,包括長度、坡度及類型均應與集電靴匹配,相對而言,短接觸軌方案技術優勢明顯,可優先選用；接觸網電分段形式的確定與車輛編組及車輛直流電氣布置相關,建議接觸網專業應參加有關車輛的設計聯絡或提出技術需求,盡可能降低接觸網的運營風險和實現向車輛連續供電；車輛段和停車場的供電分段設計應與軌道、車輛等專業協調一致,為運營維護、檢修及車輛出入段提供方便條件。

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