城市轨道交通接触网供电分段方案的探讨

徐海虹,刘慧利

(1.铁道第三勘察设计院集团有限公司,天津 300251；2.中铁电气化勘测设计研究院有限公司,天津 300250)

1 概述

与交流电气化铁路一样,直流牵引接触网电气上的分段，不仅仅是接触网本身供电区域和功能范围的划分需要,同时还是运营维护中非常重要的管理及维修依据。城市轨道交通接触网一般有架空柔性、架空刚性、接触轨(第三轨)等形式,国内的天津、北京、武汉等地铁采用了接触轨方式,上海、广州、南京、成都等城市部分地铁采用了架空刚性方式,大连轻轨、天津津滨轻轨、上海1号线、广州1号线等采用了架空柔性方式,本文结合3种接触网形式对接触网供电分段方式、方案及与之相关的技术要求进行简要探讨。

不同接触网类型的电分段形式有所不同。架空接触网电分段主要实现的方式有绝缘锚段关节形式、分段绝缘器。绝缘锚段关节适应速度高,主要用于柔性接触网的正线电气分段,分段绝缘器大多应用于渡线和车场内有关线路的电气分段；接触轨系统中一般很少采用分段绝缘器形式的电分段方式,大多采用接触轨自然形成的断口来实现不同供电分区的电气隔离。

《地铁设计规范》(GB50157—2003)规定,接触网在下列场所设置电分段：有牵引变电所车站的车辆惰行侧；辅助线与正线的衔接处；车辆段出入段线和正线的衔接处；车辆段检修库入口处。

2 架空接触网供电分段及电气接线

架空接触网系统设置电分段时,为了便于上网电缆的设置、减少工程投资,在牵引变电所所在车站,无论国外还是国内地铁线路一般均设置在变电所同一端。

2.1 架空接触网电气分段的基本设置要求

(1)正线接触网电分段应与牵引变电所布置相结合,既满足正常运行要求,又要考虑到牵引变电所解列时的运行要求。

(2)除终端车站的变电所外,正线在有变电所的车站进站端(惰行侧)设电分段,电分段采用绝缘锚段关节。

(3)正线间渡线、折返线,正线与停车线之间,车辆段(停车场)的出入线与正线间设电分段,电分段采用分段绝缘器。分段绝缘器安装如图1所示。

图1 分段绝缘器安装示意

(4)车辆段(停车场)各供电分区之间设电分段,电分段采用分段绝缘器。

(5)车辆段洗车库设电分段,电分段采用分段绝缘器。

(6)车辆段(停车场)其他各库线入口处设电分段,电分段采用分段绝缘器。

2.2 接触网开关设置要求

在电气连接上,设置电分段后还应考虑设置相应的接触网开关,根据供电系统和接触网运行要求,隔离开关设置要求如下。

(1)接触网馈电上网开关,正线各电分段之间的联络开关以及车辆段(停车场)出入线电分段的联络开关采用电动隔离开关,纳入远动(SCADA)控制。

(2)为检修安全需要在各车库线入口处的电分段处设手动带接地刀闸的隔离开关。

(3)其他各供电分区之间设手动隔离开关,主要是实现不同电气分区之间的相互支持和备用。

图2为某工程正线架空接触网电气分段和系统接线示意图。

3 接触轨供电分段及电气接线

接触轨系统在电气分段和系统接线上与架空接触网基本一致,主要还应该与供电系统运行要求相适应。

图2 某工程正线架空接触网供电分段及接线示意

3.1 接触轨分段

(1)接触轨的分段分为机械分段和电气分段两种。机械分段主要设置在道岔、地下站的人防及防淹门、车站换边处,一般采用接触轨自然断开方式,断轨间用电缆进行电气连接,其断口长度一般根据具体情况确定,以不影响其他设备正常使用和正常行车为基准。

(2)电气分段的设置应满足正常运营情况下双边供电,1个变电所解列时构成大双边供电的原则,车辆段或停车场的电分段则应满足供电需要并同时考虑接触轨检修需要。电分段的主要设置地点和原则为：正线有牵引变电所的车站,电分段通常设置在列车惰性区段(进站端)；正线间的渡线、折返线与正线间、停车场与正线间设置电分段。电气分段也采用自然断开接触轨方式,两断轨间电气不连接,其断口长度与集电靴在列车上的分布及电气连接情况、集电靴与接触轨端部弯头始触点的位置等相关,应与供电、车辆专业共同协商确定。

(3)接触轨采用断口、自然间隔的方式实现电气分段,1个集电靴通过时瞬间离开接触轨,因此接触轨要设置端部弯头设施，以便引导集电靴的顺利通过。工程设计中应体现少断轨的原则,尽可能选用道岔、人防门及防淹门等处的断轨作为电分段。

3.2 系统接线

图3为某工程正线接触轨供电分段示意图,其正线不同电分段之间不设置越区供电用的接触网联络开关,其功能由变电所母线实现。

图3 某工程正线接触轨供电分段及接线示意

由于接触轨是安装在轨道旁,其停送电范围与轨道的维护分区、车辆出行及轨道日常维护密切相关,因此在车辆段、停车场采用接触轨方式时,接触轨的电分段设置应考虑供电安全可靠,同时也应考虑轨道检修、车辆出入等作业需要,尽可能实现接触轨电分段设置、供电分区配置与相关设置的功能及需求一致。

4 接触轨电分段的主要形式

由于接触轨的电气分段、机械分段均通过接触轨断口实现,就存在影响车辆连续可靠受流的问题,需要对所采用的分段方式进行择优选用,目前接触轨电分段主要有小断口、大断口和短接触轨等3种形式。

小断口方式的断轨处断口长度小于列车的1个动车2个集电靴间的距离,列车通过分段时能够连续取流、不出现失电问题；当出现短路故障时则会出现短路电流通过集电靴和母线,对牵引所的直流保护灵敏度和集电靴产生不利影响。

大断口方式的断轨处断口长度大于列车的1个动车2个集电靴间的距离,但小于相邻两动车相同位置上的集电靴间的距离。由于相邻两动车间高压电气不相连,车辆通过分段时车辆取流不连续,造成临时失电,旅客乘坐会产生不舒适感,同时产生车辆的照明和空调临时失电。目前部分新型车辆整列编组直流母线高压电气贯通,基本解决了上述问题。

由于机车在通过电分段处的失电和故障时连接的矛盾,可采用在断口处加设短段接触轨方案(俗称短三轨)。接触轨大断口长度大于整列车集电靴间相隔最大距离,而小断口则小于车辆相邻集电靴间的最小距离。该方案是在加大断口的基础上通过增加1根短接触轨实现的,短接触轨通过隔离开关或接触器与车站的供电臂连接,正常情况下列车通过电分段处的取流连续、无失电问题。

短接触轨方案的技术优势明显,增加投资不大,建议优先选择。

当正线采用接触轨形式,而车辆段或与之贯通的其他线路采用架空接触网方式时,就出现了二者切换的问题。切换方式主要有停车切换和不停车切换两种,具体采用哪种方式应以车辆供货商的技术要求为主。接触网工程一般是建立一段接触轨和架空接触网并存的过渡段,通过控制受电弓和集电靴的升降实现受流方式的转换。不停车切换可实现机车不失电,但控制程序复杂,停车切换操作简单、但机车短时失电。两种类型接触悬挂电气互相切换必须遵循等电位的技术要求。

5 结论及建议

接触网电分段的实现方式主要与接触网的结构形式密切相关,同时还需要考虑接触网运营维护的简易和方便。架空接触网以采用绝缘锚段关节为主,困难时可考虑采用分段绝缘器,其优势可以保证受电弓实现连续受流；接触轨一般采用断口方式实现电分段,在设置接触轨电分段时尤其要注意的是对其端部弯头的设定,包括长度、坡度及类型均应与集电靴匹配,相对而言,短接触轨方案技术优势明显,可优先选用；接触网电分段形式的确定与车辆编组及车辆直流电气布置相关,建议接触网专业应参加有关车辆的设计联络或提出技术需求,尽可能降低接触网的运营风险和实现向车辆连续供电；车辆段和停车场的供电分段设计应与轨道、车辆等专业协调一致,为运营维护、检修及车辆出入段提供方便条件。

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