胡懿洲

(中鐵電氣化勘測設計研究院有限公司， 天津 300250)

城市軌道交通接觸軌電分段設置方式與改進建議

胡懿洲

(中鐵電氣化勘測設計研究院有限公司， 天津 300250)

介紹和闡述城市軌道交通接觸軌電分段的3種設置方式，對其應用條件和存在問題進行分析，重點分析列車的失電與連電現(xiàn)象。在此基礎上，結合磁浮交通動力軌電分段中嵌入式分段絕緣器技術，提出接觸軌電分段設置方式的改進建議，認為在城市軌道交通接觸軌電分段中應用嵌入式分段絕緣是可行的。

城市軌道交通； 磁浮交通； 接觸軌； 電分段； 嵌入式分段絕緣器

接觸軌受流方式是最早的城市軌道交通牽引網(wǎng)受流方式，主要采用和走行軌相類似或相同的鋼軌條作為正極供電軌向地鐵車輛提供牽引與動力電能[1]。接觸軌受流方式與架空接觸網(wǎng)受流方式已經成為城市軌道交通牽引網(wǎng)的兩大主流模式，均有相當程度和范圍的應用，且接觸軌供電電壓由過去的DC750V發(fā)展到現(xiàn)今的DC1500V供電制式，與普遍采用的架空接觸網(wǎng)供電電壓保持同等的供電水平[2]。

在接觸軌的技術發(fā)展和應用中，由于供電能力、保護需要和運營維護的需要，一般需將全線的接觸軌進行電氣和機械上的分段[3]。由于接觸軌自身的特點，機械上的分段采用自然斷口方式來實現(xiàn)，電氣上則利用其自然形成的斷口空間，充分利用空氣的天然絕緣性能對其進行電氣上的隔離，這與架空接觸網(wǎng)采用絕緣錨段關節(jié)和分段絕緣器是一致的；但由于兩類電氣分段在結構組成形式上的差異，接觸軌電分段只能順接觸軌架設方向自然斷開，集電靴在通過電分段時必須離開與重新接觸，形成對受流器而言的瞬間解除受流，不具備架空接觸網(wǎng)電分段具有持續(xù)不離受電弓的功能[4]。

1 城市軌道交通接觸軌電分段形式簡介與應用情況

由于接觸軌必須采用自然斷口形式的固有特性，從電流產生的變化與對接觸軌與集電靴兩方面運行可靠性的影響上，接觸軌電分段一般設置在有牽引變電所車站的進站一端(即車輛惰行側)。斷口的設置一般有3種方式：小斷口分段方式、大斷口分段方式和短接觸軌(俗稱“短三軌”)分段方式[5]。

北京地鐵早期采用小斷口分段方式[6]，由于當初設備水平所限出現(xiàn)過1次事故，在事故中車輛誤闖入電分段斷口區(qū)，通過車輛上的集電靴將斷口兩側的帶電端與接地端短接造成車輛上的直流母線電纜燃燒并引發(fā)火災，事故之后北京地鐵所有接觸軌電分段斷口均采用了大于1節(jié)動車上兩集電靴間距12.6 m的14 m大斷口形式。目前，廣州、上海等采用接觸軌受流方式的地鐵線路在電分段處也采用了大斷口的設置方式。

采用14 m大斷口以后所帶來的不利因素是當車輛通過電分段斷口處時，車輛存在短時失電的現(xiàn)象，對車輛電氣設備的沖擊較大，并影響車輛SIV輔助機組的使用壽命。為解決這一問題，車輛在各編組單元之間的高壓母線上設置名“BHB”的直流斷路器開關；BHB斷路器的工作原理是：車輛正常運行時處于合閘狀態(tài)，當車輛行進速度小于5 km/h或接觸軌電壓低于最低工作電壓時自動斷開，以解決車輛在通過斷口時的斷電問題。

隨著車輛編組形式的不斷改變以及集電靴分布情況的變化，為解決緊急故障狀態(tài)下車輛誤闖和車輛不間斷供電的矛盾，德黑蘭地鐵1號線、武漢輕軌1號線和天津地鐵1、2、3號線采用了短三軌的電分段設置方式[5]。

3種接觸軌電分段在我國城市軌道交通應用情況如表1所示。

表1 我國部分城市軌道交通接觸軌電分段應用情況

2 城市軌道交通接觸軌電分段斷口形式技術分析

根據(jù)目前國內城市軌道交通接觸軌電分段斷口的應用情況，對小斷口分段、大斷口分段和短三軌斷口分段這3種斷口形式的優(yōu)點與存在問題簡要分析如下。

(1)小斷口分段形式(圖1)

小斷口分段形式的斷口長度一般大于接觸軌由于溫度升高而產生的伸長量及接觸軌帶電體的安全距離要求，且小于1節(jié)動車上前后兩套集電靴之間的距離，目前青島地鐵2、3號線及深圳地鐵3號線小斷口電分段處采用的斷口長度一般為2～3 m。當車輛通過該電分段時，由于機車上任意兩套集電靴之間的距離均大于小斷口的斷口長度，機車能夠連續(xù)取流；但當出現(xiàn)短路等故障時，由于集電靴通過車輛的高壓母線可將兩側的供電臂連通，從而對車輛上的高壓母線絕緣產生不利影響，同時將擴大事故范圍并可能引發(fā)火災事故。

圖1 小斷口電分段形式

小斷口分段長度一般需滿足D

其中D——接觸軌斷口長度；

L1——動車前后集電靴長度；

L2——相鄰動車間集電靴長度。

(2)大斷口分段形式(圖2)

大斷口分段形式的斷口長度應大于一節(jié)動車上兩集電靴之間的距離，且小于相鄰兩動車相同位置上的集電靴之間的距離，目前北京地鐵大斷口電分段處采用的斷口長度為14 m[5]。

圖2 大斷口電分段形式

若相鄰兩動車之間的高壓母線在電氣上不連通，當車輛通過該電分段斷口時，機車取流是不連續(xù)的，會造成機車的瞬時失電，對車輛上的輔助供電機組SIV產生不利影響，一方面會使車輛上的照明和空調等動力照明系統(tǒng)臨時斷電，另一方面減少SIV機組的使用壽命，同時也不利于再生能量向接觸軌上的回饋。為解決失電的問題，北京地鐵新購置的車輛以及深圳地鐵等目前基本采用了整列編組高壓母線貫通的方式，雖然車輛的整列編組高壓母線貫通，但各單元車之間是通過BHB斷路器方式連接的。當車輛運行速度超過5 km/h時，斷路器處于閉合狀態(tài)；當車輛運行速度低于5 km/h時，斷路器斷開，能夠解決車輛誤闖連電的問題。但對如何良好地控制車速對車輛駕駛員、調度等也提出了較高的要求。此外，為避免BHB斷路器低速斷開的副作用，采用14 m大斷口分段時，應將其布置在車速高于5 km/h的運行區(qū)段，以避免車輛在正常進入車站時出現(xiàn)瞬時失電的情況發(fā)生。

大斷口分段長度需滿足L2

其中D——接觸軌斷口長度；

L1——動車前后集電靴長度；

L2——相鄰動車間集電靴長度。

(3)短三軌斷口分段形式

為更好地解決失電和連電的問題，武漢、天津地鐵在接觸軌電分段的應用中采取了在斷口處加設短接觸軌的方案(俗稱“短三軌”)，如圖3所示。接觸軌大斷口的長度大于整車相隔最遠的集電靴之間的距離，而小斷口的長度則小于車輛上任意兩套集電靴之間的距離，以天津地鐵為例，6節(jié)B型車輛編組情況下，采用短三軌斷口整體長度為120 m。

圖3 短三軌電分段形式及電氣關系

大斷口分段長度：D=D2+2·D1

其中D——接觸軌斷口長度；

D2——短三軌長度；

D1——小斷口長度，滿足D1

針對上述兩種斷口運行方式中分別存在的車輛失電與連電現(xiàn)象的發(fā)生，短三軌方式則通過增加1根短接觸軌，從而加長斷口的長度，短接觸軌和車輛行駛方向的供電臂通過電動隔離開關相連。在正常情況下，機車過分段是連續(xù)取流的，不會發(fā)生失電現(xiàn)象；當車輛前進方向的前方供電臂發(fā)生故障時，隔離開關斷開，將斷口距離加長，中間的短段接觸軌形成中性區(qū)，機車不會將故障側與帶電側相連，避免誤闖的事故發(fā)生；即便車輛停在電分段時，合上隔離開關，機車也能正常運行。在車輛通過該斷口時突然發(fā)生短路故障的小概率情況下，該斷口的設置方式同樣無法徹底解決將故障情況下兩側供電臂相連的問題。

綜上，3種電分段形式在滿足車輛提供持續(xù)可靠的電流能力上是相同的，在解決故障狀況下的不同供電臂連電與瞬間失電現(xiàn)象上略有不同，短三軌是對小斷口設置方式在解決連電問題上的彌補，但造成電分段設置形式復雜，安裝難度與工程投資都大的問題；大斷口運行方式從北京地鐵運行以來一直采用，在解決車輛高壓母線貫通設置和適應速度后，失電問題得以解決，這也是大斷口設置方式應用廣泛的主要原因。從車輛運行的實際經驗上，3種方式對徹底解決某一供電臂故障狀態(tài)下的連電問題上，只是影響程度的差異大小問題，都不能從根本上杜絕由電分段設置來解決故障影響范圍的問題，這一點和架空接觸網(wǎng)電分段的設置目的與影響程度是相似的，區(qū)別在安全性的影響程度有所不同。另一方面，接觸軌短路故障發(fā)生時，通過變電所跳閘及自動重合閘等措施無效后，對相鄰供電臂內的車輛運行已經通過供電系統(tǒng)聯(lián)跳功能，對運行車輛的運行范圍和采取措施提出了要求，因此，接觸軌的故障連電問題只是考慮如何避免列車的誤闖，在這方面，短三軌設置方式略占優(yōu)勢，實際上的應用價值還有待進一步通過運行實踐來驗證。

3 磁浮交通動力軌電分段設置方式技術分析

在磁浮交通中，如上海磁浮交通示范線工程則采用動力軌為列車提供動力而非牽引用電，主要是在運行速度低于100 km/h的區(qū)段或列車失去牽引驅動情形下設置動力軌，通過集電靴為列車輔助用電的蓄電池進行充電[7-8]。動力軌采用DC400V側面受流的鋼鋁復合軌技術，和城市軌道交通應用的鋼鋁復合軌技術相似。動力軌安裝在導向軌的兩側，電分段的設置原則與接觸軌設置要求一樣，在軌道轉向梁處采用自然斷口，其他區(qū)段根據(jù)動力軌的需要則設置分段絕緣器，如圖4所示。

圖4 磁浮交通動力軌分段絕緣器及安裝示意

分段絕緣器采用高強度樹脂絕緣材料制造，具有絕緣性能優(yōu)越，耐磨性能好的優(yōu)點，結構設計上與鋼鋁復合軌的斷面尺寸進行緊密結合，既能滿足嵌入式分段絕緣器的安裝條件，又能滿足集電靴受流的要求。分段絕緣器整體長610 mm，爬電距離不小于100 mm，考慮到集電靴的長期摩擦和盡可能消除電弧的灼燒，在接觸面設計成等間距的槽道。

嵌入式分段絕緣器解決了接觸軌在電氣分段上傳統(tǒng)的自然斷口形式存在的集電靴瞬間失電的問題，同時保證了列車的連續(xù)受流效果，又能夠解決集電靴通過時存在的拉弧現(xiàn)象，從而相對有效地降低燒傷接觸軌與集電靴，將接觸軌和集電靴在電流傳遞過程中的產生的矛盾轉移到分段絕緣器自身上來，由此對嵌入式分段絕緣器的性能提出更高要求。通過上海磁浮交通示范線多年來的運行實踐，在分段絕緣器上發(fā)現(xiàn)灼燒的現(xiàn)象較為嚴重，為此，有必要對此進行改進，采取的措施是參照城市軌道交通中應用短三軌技術的經驗，設置具有中性段性質的短三軌，并在電分段處加裝單項導通裝置，實施方案如圖5所示。

圖5 帶中性段的接觸軌分段示意

圖5中嵌入式分段絕緣的設置間隔要求大于同車兩集電靴的間隔。該方案充分考慮中性段處于無電狀態(tài)的優(yōu)勢，利用具有單向導通功能的二極管裝置，當列車通過時，二極管將集電靴受流的供電臂與中性段的電位連通，使集電靴快速通過時在嵌入式分段絕緣器兩側處于等電位狀態(tài)，從而降低和消除拉弧現(xiàn)象對分段絕緣器的灼燒。這一方案在上海磁浮線得到應用，達到了預期的使用效果。

4 高強度樹脂分段絕緣器在接觸軌電分段中應用的可行性

城市軌道交通接觸軌電分段的3種設置方式，從集電靴的受流上，短三軌方式集電靴要通過兩次接觸軌的端部彎頭，在離開導電軌到重新接觸導電軌上較之于小斷口與大斷口要明顯增加集電靴與端部彎頭的拉弧概率，拉弧的概率也隨之上升，是不利于軌靴雙方的，且3種斷口方式并不能從根本上解決接觸軌的連電問題，大斷口在BHB開關打開情況下還會出現(xiàn)某單元列車的瞬間失電現(xiàn)象，因此，采用嵌入式分段絕緣器對城市軌道交通接觸網(wǎng)的電分段而言未必不失為一種可供參照的選擇。主要原因如下。

(1)磁浮交通動力軌技術完全來自于城市軌道交通的接觸軌技術，兩者在接觸軌的主要載流體上是相通的，也就是說嵌入式分段絕緣器的應用基礎是相同的。

(2)磁浮交通動力軌電分段在正線上的設置方式和位置與城市軌道交通接觸軌電分段方式與位置完全一樣，列車對電分段的功能和運行要求是一致的，也就是說嵌入式分段絕緣器的應用原理是相同的。

(3)由于磁浮交通動力軌的結構形式與城市軌道交通接觸軌目前采用的結構形式由于受流要求的差異，斷面不盡相同，但通過改進嵌入式分段絕緣器的結構形式，使之與目前常用的復合軌Ⅱ型在安裝上匹配是可行的。

(4)磁浮交通采用DC400V供電電壓，額定電流達到3000A，與目前城市軌道交通DC1500V接觸軌額定電流基本相等，較之于DC750V接觸軌的額定電流4000A以上有所減少，可通過加長與加強嵌入式分段絕緣器的絕緣性能來保證系統(tǒng)電流通過時的承載和抗消弧能力。為此，建議根據(jù)DC750V與DC1500V接觸軌的電氣絕緣標準，要求嵌入式分段絕緣器的爬電距離不小于400 mm(考慮最小250 mm的絕緣要求和電壓提高后的絕緣余量)，這也是高強度樹脂材料具備的性能。

在城市軌道交通接觸軌系統(tǒng)上應用嵌入式分段絕緣器，無論是哪一種斷口設置方式均可以考慮，其絕緣體的長度設計可根據(jù)有效消除集電靴通過是對接觸軌、集電靴和分段絕緣三者最有利的因素來決定，參考上海磁浮交通采用帶中性段方式的電分段模式，設置中性段長度滿足小于列車最遠端集電靴的間隔，通過二極管對其電壓進行平衡，與短三軌斷口方式同樣具備了減少列車故障狀態(tài)下的連電現(xiàn)象，則更加有利于接觸軌的運行的安全性。

5 結論與建議

通過對目前城市軌道交通中采用的3種接觸軌電分段斷口設置方式的分析認為，3種斷口方式各有利弊，在解決接觸軌連續(xù)供電上均可行且均得到運營實踐的檢驗，主要是解決列車失電與故障狀態(tài)下的連電上有所差異。借鑒上海磁浮交通動力軌應用嵌入式分段絕緣器的成功經驗，嵌入式分段絕緣器可取代目前接觸軌正線采用的自然斷口方式，既能保證列車集電靴在正線運行中與接觸軌的連續(xù)接觸(道岔處除外)，實現(xiàn)與架空接觸網(wǎng)一樣的持續(xù)供電能力，更為重要的是和短三軌設置方式可相互結合，充分利用中性段短接觸軌的優(yōu)勢，還能有效減少故障狀態(tài)下列車出現(xiàn)連電與誤闖的概率，對保證接觸軌的運行安全具有重要作用。

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[2] 胡懿洲.建立城軌交通接觸網(wǎng)評價體系的探討[J].中國鐵路，2007(11)．

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[11] 中華人民共和國鐵道部.TB10009—2005 鐵路電力牽引供電設計規(guī)范[S].北京，中國鐵道出版社，2005.

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MethodsandImprovementSuggestionsonElectricalSectioningofContactRailofUrbanRailTransit

HU Yi-zhou

(China Railway Electrification Survey Design & Research Institute Co.， Ltd.， Tianjin 300250， China)

The paper introduced and expounded three methods of electrical sectioning of the contact rail of urban rail transit， analyzed their application conditions and the existing problems， and especially analyzed the phenomena of train power loss and power connection. On that basis， by reference to the embedded section insulator technology used in power rail of magnetic suspension transit， some suggestions on how to improve the method of electrical sectioning of contact rail were proposed in this paper. One conclusion is that it is feasible to use the embedded section insulator technology for electrical sectioning of contact rail in urban rail transit.

urban rail transit; magnetic suspension transit; contact rail; electrical sectioning; embedded section insulator

2013-09-18；

：2013-09-23

胡懿洲(1970—)，男，高級工程師，1993年畢業(yè)于華東交通大學鐵道電氣化專業(yè)，工學學士，E-mail：huyizhou@tjedi.com.cn。

1004-2954(2014)06-0124-05

U231+.8

：A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.06.028