鄧育健

（廣州地鐵集團有限公司，廣東廣州510000）

1 接觸網(wǎng)熱過負荷保護的特性

國內(nèi)地鐵直流牽引主要采用接觸網(wǎng)和接觸軌兩種形式，供電制式常為DC 1 500 V。接觸網(wǎng)又分為剛性結(jié)構(gòu)和柔性結(jié)構(gòu)，在地下區(qū)段一般采用剛性接觸網(wǎng)；而在地面或者高架區(qū)段一般采用柔性接觸網(wǎng)。接觸軌也分為低碳鋼接觸軌和鋼鋁復(fù)合接觸軌，鋼鋁復(fù)合接觸軌因其傳輸電流大、重量輕、安裝方便而得到廣泛應(yīng)用。剛性接觸網(wǎng)主要由接觸線和匯流排構(gòu)成電流的傳輸載體。按照業(yè)內(nèi)標準，匯流排允許持續(xù)運行的溫度應(yīng)不大于85℃，短時最高溫度不大于120℃。規(guī)范TB/T 2809—2005《電氣化鐵道用銅及銅合金接觸線》要求，接觸線持續(xù)運行允許的溫度不大于95℃，短時最高溫度不大于150℃。柔性接觸網(wǎng)主要由接觸線及承力索等構(gòu)成。規(guī)范TB/T 2809—2005《電氣化鐵道用銅及銅合金接觸線》、TB/T 3111—2005《電氣化鐵道用銅及銅合金絞線》要求：接觸線、承力索等銅絞線持續(xù)運行溫度不大于95℃，短時最高溫度不大于150℃。鋼鋁復(fù)合接觸軌按照相關(guān)行業(yè)標準，在最高環(huán)境溫度40℃的情況下，接觸軌最大允許溫升為45 K。因此，對于剛性接觸網(wǎng)和接觸軌可按照持續(xù)運行的最高溫度條件85℃來考慮，即當最高環(huán)境溫度在40℃的情況下，剛性接觸網(wǎng)（接觸軌）溫升不大于45 K。對于柔性接觸網(wǎng)，在最高環(huán)境溫度40℃的情況下，柔性接觸網(wǎng)溫升不大于55 K。

對于剛性接觸網(wǎng)而言，匯流排和接觸線共同構(gòu)成導(dǎo)體傳輸電能，接觸網(wǎng)溫度上升一方面將有可能導(dǎo)致其抗拉強度下降，尤其是在接觸網(wǎng)導(dǎo)線張力較大的線路上，嚴重時會造成接觸網(wǎng)故障，影響列車運行，是一個潛在的不安全因素；另一方面強度下降有可能會增加磨耗，不利于設(shè)備長時間運行。因此，在現(xiàn)代的軌道交通直流牽引系統(tǒng)中會設(shè)置接觸網(wǎng)熱過負荷保護。

廣州地鐵二、八號線的接觸網(wǎng)熱過負荷保護基于電流的熱效應(yīng)及材料的比熱容進行計算，保護裝置采用實時電流值計算出接觸網(wǎng)的理論溫升，當溫升到達整定值時觸發(fā)保護跳閘。

設(shè)溫升為θ，在單位時間t內(nèi)，導(dǎo)體的溫升與發(fā)熱功率的關(guān)系如式（1）所示：

式中，Q為導(dǎo)體的發(fā)熱功率（W）；m為該物體重量（kg）；c為導(dǎo)體的比熱容[J/（kg·℃）]，即1 kg物質(zhì)溫度升高1 ℃所需熱量（J）；a為散熱系數(shù)，即導(dǎo)體在單位面積、單位溫差下的散熱功率[W/（m2·℃）]；S為導(dǎo)體的冷卻表面積（m2）。

由式（1）解微分方程得式（2）：

其中，設(shè)τ為導(dǎo)體發(fā)熱時間常數(shù)，τ=mc/aS；θ∞為導(dǎo)體的發(fā)熱功率Q保持不變時，時間趨于無窮時導(dǎo)體的穩(wěn)定溫升。在文獻[5]中已驗證此公式與廣州地鐵二、八號線熱過負荷保護的運算模型匹配，本文在此基礎(chǔ)上展開討論。

2 接觸網(wǎng)熱過負荷保護動作的情況

自實施大小交路以來，廣州地鐵二號線的部分站點每年平均會出現(xiàn)3～5次接觸網(wǎng)熱過負荷報警，均未發(fā)生跳閘出口。而在出現(xiàn)報警時，結(jié)合列車行車圖信息，此部分站點對應(yīng)的區(qū)間在同一時間內(nèi)存在多輛列車同時取流的情況，即報警是由上班早高峰期多輛列車同時啟動取流過大導(dǎo)致的。在行車組織上，已盡量避免多臺列車同時啟動的情況，但因熱過負荷的計算為大慣性量，其恢復(fù)時間較長，在車次較密的情況下仍有可能觸發(fā)。

3 接觸網(wǎng)計算數(shù)據(jù)及分析

廣州地鐵二、八號線舊線接觸網(wǎng)熱過負荷保護的參數(shù)為接觸網(wǎng)阻抗Rs=0.014 32 mΩ/m，比熱常數(shù)Hs=2.93 K·m/kJ，導(dǎo)體發(fā)熱時間常數(shù)τs=300 s，報警溫度Ta=63℃，跳閘溫度Tt=75℃，環(huán)境溫度Te=40℃。

根據(jù)設(shè)計要求，地鐵匯流排比熱容為CH=0.88×103J/（kg·℃），匯流排截面積為SH=2 214 mm2，單位質(zhì)量為mH=6.0 kg/m，匯流排常溫下電阻率小于ρH=0.032 Ω·mm2/m；接觸線比熱容為CJ=0.39×103J/（kg·℃），接觸線截面積為SJ=150 mm2，單位質(zhì)量為mJ=1.082kg/m，接觸線常溫下電阻率小于ρJ=0.0177Ω·mm2/m。按此數(shù)據(jù)換算成保護裝置的設(shè)定值，可得匯流排阻抗為RH=ρH·SH=0.014 5 mΩ/m，匯流排比熱常數(shù)HH=1/mH·CH=0.189 K·m/kJ；接觸線阻抗為RJ=ρJ·SJ=0.118 mΩ/m，接觸線比熱常數(shù)HJ=1/mJ·CJ=2.37 K·m/kJ。

在不考慮接觸電阻時，接觸線與匯流排的并聯(lián)阻抗為R并=0.012 9 mΩ/m，與整定值Rs=0.014 32 mΩ/m相當。而整定值的比熱常數(shù)Hs=2.93 K·m/kJ比接觸線的HJ=2.37 K·m/kJ略大，卻遠大于匯流排HH=0.189 K·m/kJ。比熱常數(shù)的定義為1 m長的導(dǎo)體在不散熱的情況下增加1 kJ的能量會上升多少開氏度，數(shù)值越小代表在同樣的電流熱效應(yīng)下溫升越小。考慮到匯流排的電阻遠小于接觸線，實際上電流主要在匯流排上傳輸，因此電流的熱效應(yīng)也主要集中在匯流排上，在設(shè)定保護裝置的整定值時，宜參照匯流排的參數(shù)進行整定。若將整定值的比熱常數(shù)調(diào)整為0.189 K·m/kJ，即有式（2）中的mc為原來的15.5倍，而剛性接觸網(wǎng)的散熱面積約為柔性接觸網(wǎng)的7倍，銅的導(dǎo)熱率為376.8W/（m·K），鋁合金的導(dǎo)熱率為135W/（m·K），即有式（2）中的aS為原來的2.5倍，在通以同樣電流的情況下（Q不變），假設(shè)θ0保持不變，穩(wěn)定溫升θ∞=Q/as變?yōu)樵瓉淼?.4倍，因此在參照匯流排比熱常數(shù)設(shè)置保護定值后，比原定值的計算溫升要低，穩(wěn)定溫升約為原來的0.4倍。在早晚高峰期對上網(wǎng)隔離開關(guān)及附近的接觸線、匯流排表面進行現(xiàn)場溫度測量，其表面溫度比環(huán)境溫度略高，但未達63℃的報警值。此外，由于環(huán)境溫度往往未達到設(shè)定的40℃，甚至有接觸網(wǎng)溫度低于40℃的情況，保護裝置上的計算溫度與實際不符，為定值校驗帶來了一定的不便。

4 結(jié)語

根據(jù)前文的分析，接觸網(wǎng)熱過負荷的整定值設(shè)定上，使用的阻抗值為匯流排阻抗，而比熱常數(shù)使用的為接觸線比熱常數(shù)，兩者存在一定的不一致性，導(dǎo)致實測溫度與計算溫度之間存在差異。由于接觸網(wǎng)為接觸線和匯流排共同構(gòu)成，受電弓又只與接觸線直接接觸，故接觸線和匯流排間的熱傳導(dǎo)及電流分布有待進一步分析，以便更好地確定合適的比熱常數(shù)；同時，考慮現(xiàn)隧道通風(fēng)及隧道溫度，也宜對時間常數(shù)τ及環(huán)境溫度進行調(diào)整，確保在日漸密集的行車組織上，更大限度地發(fā)揮供電系統(tǒng)的潛力。