城市軌道交通接觸軌系統(tǒng)分段方式淺析

過錚

摘要：接觸軌系統(tǒng)是城市軌道交通高壓供電的重要形式之一，不同于傳統(tǒng)接觸網(wǎng)設備，接觸軌系統(tǒng)更利于簡化隧道施工且便于維護，可以降低地鐵的施工與運維成本。本文重點探討接觸軌系統(tǒng)分段方式的選擇原則以及相關(guān)技術(shù)的應用，基于對供電形式、分段原理的介紹，分析了三種基本方式的特點，探討了在實踐設計中幾種供電分段方式的應用。

關(guān)鍵詞：軌道交通;接觸軌;供電分段;應用策略

電氣與機械分段是電氣化軌道交通線路設計中十分重要的內(nèi)容，能夠有效隔離故障區(qū)域并簡化運維。由于城市軌道交通有著相對復雜的線路結(jié)構(gòu)以及特殊的運行環(huán)境，電氣分段不僅能夠起到控制故障影響范圍和方便運維的作用，還是維持軌道交通運行秩序、確保列車運行安全的關(guān)鍵。

一、城市軌道交通供電形式與分段原理

為了保障列車高速運行狀態(tài)下電能供應的連續(xù)性，城市軌道交通需要在沿線站場設置變電所并安裝高壓供電設備，通過列車上的受電弓、集電靴和供電設備之間的接觸完成電能傳輸，具體形式為懸掛式接觸網(wǎng)與接觸軌兩類。前者由于需要張掛于列車頂部，因此在地鐵工程的應用中，要求有比接觸軌供電情況下更大的隧道凈空高度，而且對運行維護的要求更高，因此接觸軌系統(tǒng)是城市軌道交通更經(jīng)濟的供電形式。二者為了便于運維和提高線路運行可靠性，都設置有機械分段和電分段，其中接觸網(wǎng)的電分段使用的是絕緣裝置。而接觸軌則以機械斷口為基礎實現(xiàn)供電分段，其機械分段斷口位置如圖1所示。此外二者在運行過程中，懸掛式接觸網(wǎng)的受電弓與接觸線之間始終保持連接，而接觸軌的列車集電靴在通過電分段時會暫時脫離接觸軌。

二、接觸軌系統(tǒng)基本分段方式及其特點

（一）常見分段方式及其演進

由于機械分段是利用自然斷口實現(xiàn)列車與接觸軌之間的電氣絕緣，因此接觸軌的電分段設置和機械分段密切相關(guān)，具體電分段形式如圖2所示。根據(jù)機械分段斷口長度可將其電分段形式分為大斷口與小斷口式，最初采用的是小斷口式，但由于其存在明顯的事故隱患，近年來已經(jīng)很少有新線路使用這一分段方式，既有的小斷口式電分段也陸續(xù)被改造為其它兩種形式，而短接觸軌式則是在大斷口形式的基礎上演化而來的。雖然通過不斷的改進降低了出現(xiàn)列車誤闖故障區(qū)以及導致故障范圍擴大的概率，但保障列車通過供電分段的不間斷取流與避免緊急故障情況下連電之間的矛盾沒有根本解決，要求在具體線路的電分段設計中，根據(jù)線路功能等全面權(quán)衡不同分段方式的利弊并做出合理選擇。

（二）不同分段方式的原理及利弊

小斷口式供電分段斷口長度可以保障列車通過分段時連續(xù)取流，但正是由于這個原因，當列車行進方向因檢修或故障處于短路狀態(tài)時，會導致故障范圍擴大。而大斷口則由于其長度超過了列車前后相鄰集電靴之間的距離，雖然規(guī)避了小斷口式分段的弊端，卻使得取流過程出現(xiàn)瞬時中斷，車廂的空調(diào)等系統(tǒng)都會被暫時中斷電能供應。在列車長期運行和需要反復、頻繁通過供電分段的情況下，無疑會降低設備的使用壽命和運行可靠性[1]。而為了應對這一問題，在大斷口分段處設置BHB斷路器，以列車行進速度為參數(shù)控制其狀態(tài)，能夠保障列車以正常狀態(tài)運行通過分段時持續(xù)取流，而當列車時速小于5km時則斷開電氣回路。但由于需要精確控制列車行進速度才能保障斷路器適時合閘和斷開，因而理論上并沒有完全避免失電與誤闖連電問題。在大斷口形式下演化而來的短接觸軌，則旨在降低斷口較長帶來的集電靴與分段端頭間的拉弧問題，將斷口進一步加大且在斷口處設置一段短接觸軌。利用隔離開關(guān)或接觸器的啟閉控制分段處的電氣連接，從而與線路運行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)相連，當檢測到列車運行前方異常時，隔離開關(guān)或斷路器會將線路斷開以防發(fā)生誤闖事件，而正常運行狀態(tài)下則可以保持列車連續(xù)取流。

三、接觸軌系統(tǒng)分段方式設計原則與實踐

（一）設計原則

目前城市軌道交通接觸軌的供電分段設計中，雖然理論上運用三種方式都能滿足基本要求，但短接觸軌式分段當中融入了更多先進的控制技術(shù)，因此在保障線路運行安全和供電可靠性方面更有優(yōu)勢。但由于涉及到斷路器、電氣開關(guān)的使用和自動化控制系統(tǒng)的設計，如果全面采用這一方案，則勢必增加電氣系統(tǒng)當中的節(jié)點，不僅不夠經(jīng)濟而且增加了發(fā)生故障的概率，因此應根據(jù)不同線路的特點進行理性的選擇。

（二）設計實踐

正線接觸軌的電分段設計應首選短接觸軌式分段方案，根據(jù)列車編組分析集電靴分布，計算出其前后最大、最小距離參數(shù)，進而設計分段處的斷口與短接觸軌長度、接觸器、電氣隔離開關(guān)等的電氣回路[2]。而在停車場等處的渡線、折線接觸軌供電分段設計中，首先應分析相應區(qū)域的列車通行、運維檢修要求，結(jié)合整體線路規(guī)劃的軌道維護分區(qū)方案，以滿足運維檢修需要為原則設置電分段。其次對于斷電作業(yè)頻率較高的停車場出口處，出現(xiàn)誤闖問題的概率也相應提高，所以應選擇相對可靠的短接觸軌分段方案，而其它的線路使用大斷口形式即可滿足需要。此外目前大多軌道交通線路應用了再生制動節(jié)能技術(shù)，在設計電分段方案時，需要保障列車減速進站并通過電分段時反饋電流的正常傳輸，通過合理布置分段點加以解決。

四、結(jié)束語

目前由于絕緣材料研發(fā)以及軌道交通線路控制技術(shù)的進步，已經(jīng)有了在接觸軌自然斷口設置電分段的替代方案。利用高性能樹脂絕緣材料制成的嵌入式分段絕緣器，可以讓接觸軌與集電靴之間在分段處保持接觸，有效控制拉弧現(xiàn)象，并且讓分段設置更加靈活，有利于再生制動節(jié)能等技術(shù)的應用。

參考文獻：

[1]胡懿洲. 城市軌道交通接觸軌電分段設置方式與改進建議[J]. 鐵道標準設計， 2014（6）：124-128.

[2]趙德奎. 正線接觸軌供電分段及隔離開關(guān)設置淺析[J]. 工程技術(shù)（全文版）， 2016（12）：00208-00209.

（作者單位：無錫地鐵集團有限公司運營分公司）