城市軌道交通系統(tǒng)架空接觸網(wǎng)電分段的設(shè)置摘 要：結(jié)合工程實(shí)踐提出了城市軌道交通系統(tǒng)中1 500 V架空接觸網(wǎng)電分段設(shè)置存在的問(wèn)題，通過(guò)對(duì)受電弓過(guò)電分段可能產(chǎn)生的拉弧問(wèn)題及對(duì)直流饋線保護(hù)的分析，提出將城市軌道交通系統(tǒng)架空接觸網(wǎng)錨段關(guān)節(jié)形式的電分段設(shè)置在車(chē)站與牽引變電所同一端。 關(guān)鍵詞：電分段；拉弧；直流饋線保護(hù)；新思路 隨著我國(guó)城市建設(shè)的快速發(fā)展，城市軌道交通并入了國(guó)民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的軌道。由于國(guó)內(nèi)各地城市軌道交通項(xiàng)目同時(shí)建設(shè)，因此各工程的設(shè)計(jì)結(jié)合了各地的具體情況并借鑒了不同國(guó)家的技術(shù)及經(jīng)驗(yàn)，形成各地城市軌道交通設(shè)計(jì)技術(shù)方案的多樣性和多種技術(shù)形式共存的局面，其供電系統(tǒng)也不例外。 本文對(duì)工程中1 500 V接觸網(wǎng)正線采用不同形式的電分段在設(shè)置中存在的問(wèn)題進(jìn)行了分析和探討，并提出一些認(rèn)識(shí)和建議。1 電分段作用及形式 1.1電分段的作用 電分段的作用是通過(guò)在接觸網(wǎng)中設(shè)置特殊的裝置或結(jié)構(gòu)形式將接觸網(wǎng)分隔成若干個(gè)從結(jié)構(gòu)和電氣上相互隔離的區(qū)段。 接觸網(wǎng)被電分段分隔成若干個(gè)獨(dú)立供電分區(qū)后，可以實(shí)現(xiàn)各供電分區(qū)由相應(yīng)的牽引變電所分別供電，保證供電質(zhì)量，同時(shí)，在接觸網(wǎng)故障時(shí)將事故范圍控制在盡可能小的范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)安全、可靠運(yùn)營(yíng)。正線接觸網(wǎng)的電分段示意圖見(jiàn)圖1。
1.2 電分段的形式 目前，由于受接觸網(wǎng)形式及安裝空間的條件限制，國(guó)內(nèi)外架空接觸網(wǎng)電分段的采用形式不盡相同，主要包括以下幾種形式。 1.2.1 柔性懸掛方式的電分段 柔性懸掛電分段一般采用分段絕緣器方式和錨段關(guān)節(jié)形式。 分段絕緣器方式一般適用于空間狹小的地下隧道，可以節(jié)省空間，但須設(shè)置專(zhuān)用的分段絕緣器，同時(shí)存在列車(chē)受電弓滑過(guò)電分段時(shí)，因?qū)Ь€與分段絕緣器連接處存在受力“硬點(diǎn)”，容易造成受電弓離線并出現(xiàn)較為明顯的拉弧現(xiàn)象，影響列車(chē)的受流質(zhì)量。 錨段關(guān)節(jié)形式適用于空間條件較好的地面及高架線路，由于在電分段處兩個(gè)相鄰供電分區(qū)的接觸線平行重疊，因此可以基本消除列車(chē)受電弓過(guò)電分段時(shí)的拉弧現(xiàn)象，保證了列車(chē)受流質(zhì)量。接觸網(wǎng)錨段關(guān)節(jié)形式的電分段示意圖見(jiàn)圖2a。 1.2.2 剛性懸掛方式的電分段 剛性懸掛通過(guò)錨段關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)機(jī)械和電氣分段。在錨段關(guān)節(jié)處，兩條匯流排平行重疊，重疊長(zhǎng)度一般為3.6 m，水平間距為200～300 mm。采用這種方式后兩個(gè)相鄰供電分區(qū)的接觸線按平行等高重疊布置，見(jiàn)圖2b，因此同柔性接觸網(wǎng)的錨段關(guān)節(jié)形式電分段的情況相同，可以基本消除列車(chē)受電弓過(guò)電分段時(shí)的拉弧現(xiàn)象，保證了列車(chē)受流質(zhì)量。 1.3 錨段關(guān)節(jié)形式電分段的設(shè)置位置分析 《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50157-2003）規(guī)定應(yīng)設(shè)置在下列各處：“有牽引變電所車(chē)站的車(chē)輛惰行處；……”，電分段在車(chē)站中設(shè)置方式見(jiàn)圖3的方式一。 根據(jù)線路節(jié)能坡的設(shè)計(jì)原則及列車(chē)靠右行駛的規(guī)定，列車(chē)惰行處一般應(yīng)為車(chē)站的列車(chē)進(jìn)站端。主要考慮的是出站列車(chē)過(guò)電分段時(shí)受電弓和接觸線不被較大的列車(chē)啟動(dòng)電流造成的電弧電流損傷。比如DC 750 V三軌形式牽引網(wǎng)大間距斷軌形式的電分段及1 500 V接觸網(wǎng)分段絕緣器形式的電分段。這兩種電分段由于自身結(jié)構(gòu)的限制均會(huì)使滑過(guò)的受電弓（集電靴）出現(xiàn)短時(shí)離線（軌），如果此時(shí)列車(chē)正在受流，拉弧情況也就無(wú)法避免。那么，對(duì)于1 500 V架空接觸網(wǎng)柔性懸掛和剛性懸掛而言，是否可以將上下行的錨段關(guān)節(jié)形式電分段均設(shè)置在與牽引變電所同一車(chē)站端呢（見(jiàn)圖3方式二）？下面從技術(shù)、工程實(shí)施及投資等方面進(jìn)一步分析和探討。 依照規(guī)范要求，將電分段設(shè)置在列車(chē)進(jìn)站端的方式雖然可以解決拉弧問(wèn)題，但也會(huì)帶來(lái)一些其他問(wèn)題： （1）工程投資加大。由于牽引變電所工藝要求及受車(chē)站工藝設(shè)計(jì)的限制，牽引變電所一般設(shè)置在車(chē)站站臺(tái)層一端，如按規(guī)范要求，則有一處電分段位于遠(yuǎn)離牽引變電所的車(chē)站一端。目前，一般車(chē)站長(zhǎng)度在150～250 m，如果按200 m考慮，則方式一比方式二的電纜路徑長(zhǎng)100 m以上。如果每回1 500 V直流饋線電纜數(shù)量按4根（1400 mm2），電纜價(jià)格13萬(wàn)元/km計(jì)，僅直流電纜一項(xiàng)，方式一比方式二每處電分段多投資10萬(wàn)多元。如再考慮低壓控制電纜、電纜支架及工程安裝費(fèi)用等因素，則工程造價(jià)差異更大。 （2）工程實(shí)施難度大。由于城軌車(chē)站內(nèi)各種管線及數(shù)量繁多，且相互交錯(cuò)干擾。就專(zhuān)業(yè)施工組織協(xié)調(diào)的難度而言，方式一也大于方式二。 2直流饋線保護(hù)影響和拉弧問(wèn)題分析 2.1 拉弧問(wèn)題的分析 產(chǎn)生拉弧的前提條件是：受電弓與接觸線之間存在空氣間隙及必要的電壓降。 柔性懸掛中的電分段，如圖4所示，當(dāng)列車(chē)從供電分區(qū)A經(jīng)過(guò)電分段進(jìn)入供電分區(qū)B時(shí)，列車(chē)受電弓從接觸網(wǎng)取流可分為3個(gè)階段。 第1階段：供電分區(qū)A的接觸線向列車(chē)受電弓供電；第2階段：通過(guò)節(jié)點(diǎn)1，進(jìn)入并行接觸區(qū)后，供電分區(qū)A及供電分區(qū)B的接觸線共同向列車(chē)受電弓供電；第3階段：通過(guò)節(jié)點(diǎn)2，進(jìn)入供電分區(qū)B后，供電分區(qū)B的接觸線向列車(chē)受電弓供電。 不難看出，列車(chē)受電弓過(guò)電分段時(shí)，可能產(chǎn)生拉弧現(xiàn)象的位置是在節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)2的弓網(wǎng)結(jié)合和分離處。如每列車(chē)按兩端各設(shè)一個(gè)受電弓考慮，列車(chē)的最大啟動(dòng)電流3 000 A，不考慮供電分區(qū)中其他列車(chē)的影響，以此電流穿越電分段（并假設(shè)供電回路為電阻回路）。 列車(chē)受電弓均從供電分區(qū)A的接觸線上受流，每個(gè)受電弓電流為啟動(dòng)電流的一半，即1 500 A；當(dāng)列車(chē)行至節(jié)點(diǎn)1時(shí)，列車(chē)前端受電弓將由供電分區(qū)A接觸線供電轉(zhuǎn)變?yōu)橛葾、B兩區(qū)的接觸線共同供電，在轉(zhuǎn)變的瞬間，供電分區(qū)B的接觸線與受電弓存在由分離到接觸的過(guò)程。 產(chǎn)生拉弧的第一個(gè)必要條件已經(jīng)存在。現(xiàn)再分析放電電壓的情況。從圖4可知兩個(gè)供電分區(qū)均由同一段牽引變電所直流母線供電，直流母線電壓為U1，列車(chē)受電弓的電壓為U2，供電分區(qū)B的接觸線在向列車(chē)供電前，其電壓為直流母線電壓U1。可以看出，該過(guò)程中受電弓與供電分區(qū)B接觸線之間的電壓差即為與直流母線電壓U1的電壓差U12，而U12實(shí)際為直流饋線電纜回路的電壓降：U12=（I啟動(dòng)/2）單根饋線電纜單位電阻電纜 長(zhǎng)度/每回電纜根數(shù)=（3 000/2）0.0470.1/4=1.76 V 可見(jiàn)，弓網(wǎng)之間的電壓差非常小，這說(shuō)明弓網(wǎng)間隙只有在極小的情況下才會(huì)出現(xiàn)放電現(xiàn)象。另外，電分段采用等高重疊布線的錨段關(guān)節(jié)形式，相對(duì)分段絕緣器方式而言，徹底改善了弓網(wǎng)配合特性，避免了分段絕緣器方式的電分段中存在的接觸“硬點(diǎn)”，解決了受電弓過(guò)電分段時(shí)因受力突變帶來(lái)的振蕩離線拉弧的問(wèn)題。 通過(guò)在上海城市軌道三號(hào)線和廣州地鐵二號(hào)線的使用，也證實(shí)了列車(chē)在通過(guò)設(shè)置在車(chē)站出站端的錨段關(guān)節(jié)形式電分段時(shí)，弓網(wǎng)未出現(xiàn)明顯的離線拉弧現(xiàn)象。2.2 直流饋線保護(hù)影響分析 當(dāng)列車(chē)啟動(dòng)通過(guò)設(shè)置在出站端的電分段時(shí)，會(huì)不會(huì)因電流的突變對(duì)繼電保護(hù)帶來(lái)影響，造成保護(hù)裝置誤動(dòng)而導(dǎo)致直流饋線開(kāi)關(guān)誤跳。下面結(jié)合直流饋線保護(hù)原理作一分析。 （1）直流饋線保護(hù)主要包括直流快速開(kāi)關(guān)本體自帶的大電流脫扣保護(hù)和繼電保護(hù)裝置中的電流變化率di/dt及電流增量DI保護(hù)。目前國(guó)內(nèi)1 500 V牽引供電系統(tǒng)普遍采用的直流饋線保護(hù)裝置主要集中在西門(mén)子、賽雪龍和Adtranz三家，雖然三家的保護(hù)裝置在整定方式上各有不同，但原理和功能基本相同，均是通過(guò)利用電流變化率和電流增量判斷保護(hù)是否出口。 各種保護(hù)功能的整定原則主要包括以下內(nèi)容：大電流脫扣整定值應(yīng)高于相應(yīng)的最大直流饋線電流；di/dt及DI保護(hù)主要應(yīng)考慮與列車(chē)特性相配合，躲過(guò)列車(chē)的起動(dòng)電流、制動(dòng)電流、列車(chē)過(guò)電分段時(shí)的沖擊電流和饋線重合閘時(shí)的沖擊電流為原則；di/dt及DI的保護(hù)應(yīng)躲過(guò)被保護(hù)范圍外部故障時(shí)的故障電流。 （2）對(duì)大電流脫扣保護(hù)的影響。大電流脫扣的整定依據(jù)主要是直流短路電流值和最大饋線電流值。以接觸網(wǎng)等效阻抗較大的柔性懸掛方式，牽引整流機(jī)組為3 000 kW的1 500 V牽引供電系統(tǒng)為例，其遠(yuǎn)端短路直流短路電流一般不低于20 kA，最大饋線電流一般不超過(guò)3 kA，而大電流脫扣保護(hù)整定范圍普遍在4～12 kA，整定值一般在6 kA以上。 從上述數(shù)值可以看出，當(dāng)列車(chē)前端受電弓通過(guò)節(jié)點(diǎn)1時(shí)，饋電電流I2的電流增量為750 A左右，即使與直流饋線最大負(fù)荷電流相加，也達(dá)不到保護(hù)定值，因此不會(huì)影響大電流脫扣保護(hù)出口的可靠性。 （3）對(duì)di/dt及DI保護(hù)的影響。對(duì)di/dt及DI保護(hù)整定時(shí)，往往需要考慮并避讓各種正常運(yùn)行情況下出現(xiàn)的電流變化率和電流增量，如列車(chē)啟動(dòng)、制動(dòng)、列車(chē)過(guò)電分段以及直流快速開(kāi)關(guān)重合閘時(shí)帶來(lái)的電流變化。 △I整定值一般整定為大于列車(chē)的啟動(dòng)電流，如果供電分區(qū)設(shè)置在出站端時(shí)，可將△I整定值適度調(diào)大即可，由于ΔI整定值與直流短路電流相差很大，因此對(duì)保護(hù)動(dòng)作的可靠性的影響不明顯。 對(duì)于di/dt保護(hù)，一般須對(duì)電流變化率與延時(shí)長(zhǎng)度同時(shí)整定，為保證di/dt保護(hù)的正確出口，根據(jù)以往的工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，di/dt保護(hù)的電流變化率定值一般不小于150 A/ms，時(shí)間定值在30 ms以上，從該定值可以看出電流變化總量不會(huì)低于4500 A（150 A/ms30 ms），而受電弓在通過(guò)電分段的節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)2時(shí)，每次給饋線電流I2帶來(lái)的電流變化總量不會(huì)超過(guò)750 A。也可直觀地理解為，當(dāng)受電弓以足夠的速度滑過(guò)節(jié)點(diǎn)，給I2帶來(lái)超過(guò)150 A/ms的電流變化率時(shí)，由于電流變化總量的限制，這種電流變化率的保持時(shí)間也只能維持在5 ms左右，遠(yuǎn)未達(dá)到30 ms的時(shí)間定值要求，di/dt保護(hù)自然不會(huì)出口。 實(shí)際情況如何呢？也可近似地估算前端受電弓滑過(guò)節(jié)點(diǎn)1時(shí)，由供電分區(qū)A供電轉(zhuǎn)變?yōu)橛晒╇姺謪^(qū)A、B共同供電所需的時(shí)間，即受電弓由與供電分區(qū)B接觸線臨界放電位置到與接觸線接觸的時(shí)間長(zhǎng)度。為便于計(jì)算，假設(shè)弓網(wǎng)在接觸前的壓差U12為1.76 V，其所對(duì)應(yīng)的放電間隙不會(huì)超過(guò)1 mm；以柔性懸掛為例，根據(jù)接觸線下錨抬升角度，受電弓在弓網(wǎng)臨界放電位置與弓網(wǎng)接觸點(diǎn)的水平距離S1一般不超過(guò)150 mm，這里按150 mm計(jì)算；根據(jù)列車(chē)的電氣特性，列車(chē)速度為0～35 km/h時(shí)的加速度a一般不低于0.9 m/s2，按0.9 m/s2計(jì)算；車(chē)站長(zhǎng)度按200 m考慮，電分段設(shè)置在車(chē)站端頭；列車(chē)按A型車(chē)，6節(jié)編組，長(zhǎng)度按140 m考慮，受電弓在列車(chē)兩端的動(dòng)車(chē)上，前端受電弓與電分段的距離S為30 m。 首先，計(jì)算列車(chē)啟動(dòng)加速到電分段位置時(shí)的時(shí)間t：列車(chē)在電分段位置時(shí)的速度v：v =at = 0.98.15 = 7.34 m/s 受電弓從弓網(wǎng)臨界放電位置到弓網(wǎng)接觸點(diǎn)所需的時(shí)間t： t= S1/v = 150/7.34 = 20.4 ms 由于受到每次750 A電流變化總量的限制，受電弓過(guò)節(jié)點(diǎn)1時(shí)，電流I2變化所對(duì)應(yīng)的電流變化率遠(yuǎn)小于di/dt保護(hù)的150 A/ms整定值。因此，保護(hù)裝置不會(huì)動(dòng)作。對(duì)于剛性懸掛而言，后端受電弓由于節(jié)點(diǎn)外側(cè)的匯流排上翹角度比柔性懸掛大，S1更小，相應(yīng)的t值更小。因此，di/dt保護(hù)不會(huì)出口。 由于電流變化總量很小，無(wú)論架空接觸網(wǎng)是柔性懸掛還是剛性懸掛，受電弓過(guò)節(jié)點(diǎn)時(shí)，電流變化率和延時(shí)時(shí)間不可能同時(shí)滿足整定要求，與上述的計(jì)算分析結(jié)果相同，di/dt保護(hù)不會(huì)出口。 3結(jié)束語(yǔ) 通過(guò)以上分析和計(jì)算，可得出這樣的結(jié)論：不論是剛性還是柔性架空接觸網(wǎng)，其錨段關(guān)節(jié)形式的電分段設(shè)置在車(chē)站與牽引變電所的同一端，從技術(shù)分析上是可行的，并且通過(guò)在上海軌道交通3號(hào)線（柔性架空接觸網(wǎng)）、廣州地鐵2號(hào)線（剛性架空接觸網(wǎng)）的實(shí)際應(yīng)用也證實(shí)了列車(chē)在啟動(dòng)時(shí)通過(guò)這種形式的電分段均未出現(xiàn)明顯拉弧和對(duì)直流饋線保護(hù)產(chǎn)生不良影響而造成開(kāi)關(guān)誤跳的情況出現(xiàn)，可見(jiàn)這種電分段的設(shè)置方式是可行的。
1.2 電分段的形式 目前，由于受接觸網(wǎng)形式及安裝空間的條件限制，國(guó)內(nèi)外架空接觸網(wǎng)電分段的采用形式不盡相同，主要包括以下幾種形式。 1.2.1 柔性懸掛方式的電分段 柔性懸掛電分段一般采用分段絕緣器方式和錨段關(guān)節(jié)形式。 分段絕緣器方式一般適用于空間狹小的地下隧道，可以節(jié)省空間，但須設(shè)置專(zhuān)用的分段絕緣器，同時(shí)存在列車(chē)受電弓滑過(guò)電分段時(shí)，因?qū)Ь€與分段絕緣器連接處存在受力“硬點(diǎn)”，容易造成受電弓離線并出現(xiàn)較為明顯的拉弧現(xiàn)象，影響列車(chē)的受流質(zhì)量。 錨段關(guān)節(jié)形式適用于空間條件較好的地面及高架線路，由于在電分段處兩個(gè)相鄰供電分區(qū)的接觸線平行重疊，因此可以基本消除列車(chē)受電弓過(guò)電分段時(shí)的拉弧現(xiàn)象，保證了列車(chē)受流質(zhì)量。接觸網(wǎng)錨段關(guān)節(jié)形式的電分段示意圖見(jiàn)圖2a。 1.2.2 剛性懸掛方式的電分段 剛性懸掛通過(guò)錨段關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)機(jī)械和電氣分段。在錨段關(guān)節(jié)處，兩條匯流排平行重疊，重疊長(zhǎng)度一般為3.6 m，水平間距為200～300 mm。采用這種方式后兩個(gè)相鄰供電分區(qū)的接觸線按平行等高重疊布置，見(jiàn)圖2b，因此同柔性接觸網(wǎng)的錨段關(guān)節(jié)形式電分段的情況相同，可以基本消除列車(chē)受電弓過(guò)電分段時(shí)的拉弧現(xiàn)象，保證了列車(chē)受流質(zhì)量。 1.3 錨段關(guān)節(jié)形式電分段的設(shè)置位置分析 《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50157-2003）規(guī)定應(yīng)設(shè)置在下列各處：“有牽引變電所車(chē)站的車(chē)輛惰行處；……”，電分段在車(chē)站中設(shè)置方式見(jiàn)圖3的方式一。 根據(jù)線路節(jié)能坡的設(shè)計(jì)原則及列車(chē)靠右行駛的規(guī)定，列車(chē)惰行處一般應(yīng)為車(chē)站的列車(chē)進(jìn)站端。主要考慮的是出站列車(chē)過(guò)電分段時(shí)受電弓和接觸線不被較大的列車(chē)啟動(dòng)電流造成的電弧電流損傷。比如DC 750 V三軌形式牽引網(wǎng)大間距斷軌形式的電分段及1 500 V接觸網(wǎng)分段絕緣器形式的電分段。這兩種電分段由于自身結(jié)構(gòu)的限制均會(huì)使滑過(guò)的受電弓（集電靴）出現(xiàn)短時(shí)離線（軌），如果此時(shí)列車(chē)正在受流，拉弧情況也就無(wú)法避免。那么，對(duì)于1 500 V架空接觸網(wǎng)柔性懸掛和剛性懸掛而言，是否可以將上下行的錨段關(guān)節(jié)形式電分段均設(shè)置在與牽引變電所同一車(chē)站端呢（見(jiàn)圖3方式二）？下面從技術(shù)、工程實(shí)施及投資等方面進(jìn)一步分析和探討。 依照規(guī)范要求，將電分段設(shè)置在列車(chē)進(jìn)站端的方式雖然可以解決拉弧問(wèn)題，但也會(huì)帶來(lái)一些其他問(wèn)題： （1）工程投資加大。由于牽引變電所工藝要求及受車(chē)站工藝設(shè)計(jì)的限制，牽引變電所一般設(shè)置在車(chē)站站臺(tái)層一端，如按規(guī)范要求，則有一處電分段位于遠(yuǎn)離牽引變電所的車(chē)站一端。目前，一般車(chē)站長(zhǎng)度在150～250 m，如果按200 m考慮，則方式一比方式二的電纜路徑長(zhǎng)100 m以上。如果每回1 500 V直流饋線電纜數(shù)量按4根（1400 mm2），電纜價(jià)格13萬(wàn)元/km計(jì)，僅直流電纜一項(xiàng)，方式一比方式二每處電分段多投資10萬(wàn)多元。如再考慮低壓控制電纜、電纜支架及工程安裝費(fèi)用等因素，則工程造價(jià)差異更大。 （2）工程實(shí)施難度大。由于城軌車(chē)站內(nèi)各種管線及數(shù)量繁多，且相互交錯(cuò)干擾。就專(zhuān)業(yè)施工組織協(xié)調(diào)的難度而言，方式一也大于方式二。 2直流饋線保護(hù)影響和拉弧問(wèn)題分析 2.1 拉弧問(wèn)題的分析 產(chǎn)生拉弧的前提條件是：受電弓與接觸線之間存在空氣間隙及必要的電壓降。 柔性懸掛中的電分段，如圖4所示，當(dāng)列車(chē)從供電分區(qū)A經(jīng)過(guò)電分段進(jìn)入供電分區(qū)B時(shí)，列車(chē)受電弓從接觸網(wǎng)取流可分為3個(gè)階段。 第1階段：供電分區(qū)A的接觸線向列車(chē)受電弓供電；第2階段：通過(guò)節(jié)點(diǎn)1，進(jìn)入并行接觸區(qū)后，供電分區(qū)A及供電分區(qū)B的接觸線共同向列車(chē)受電弓供電；第3階段：通過(guò)節(jié)點(diǎn)2，進(jìn)入供電分區(qū)B后，供電分區(qū)B的接觸線向列車(chē)受電弓供電。 不難看出，列車(chē)受電弓過(guò)電分段時(shí)，可能產(chǎn)生拉弧現(xiàn)象的位置是在節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)2的弓網(wǎng)結(jié)合和分離處。如每列車(chē)按兩端各設(shè)一個(gè)受電弓考慮，列車(chē)的最大啟動(dòng)電流3 000 A，不考慮供電分區(qū)中其他列車(chē)的影響，以此電流穿越電分段（并假設(shè)供電回路為電阻回路）。 列車(chē)受電弓均從供電分區(qū)A的接觸線上受流，每個(gè)受電弓電流為啟動(dòng)電流的一半，即1 500 A；當(dāng)列車(chē)行至節(jié)點(diǎn)1時(shí)，列車(chē)前端受電弓將由供電分區(qū)A接觸線供電轉(zhuǎn)變?yōu)橛葾、B兩區(qū)的接觸線共同供電，在轉(zhuǎn)變的瞬間，供電分區(qū)B的接觸線與受電弓存在由分離到接觸的過(guò)程。 產(chǎn)生拉弧的第一個(gè)必要條件已經(jīng)存在。現(xiàn)再分析放電電壓的情況。從圖4可知兩個(gè)供電分區(qū)均由同一段牽引變電所直流母線供電，直流母線電壓為U1，列車(chē)受電弓的電壓為U2，供電分區(qū)B的接觸線在向列車(chē)供電前，其電壓為直流母線電壓U1。可以看出，該過(guò)程中受電弓與供電分區(qū)B接觸線之間的電壓差即為與直流母線電壓U1的電壓差U12，而U12實(shí)際為直流饋線電纜回路的電壓降：U12=（I啟動(dòng)/2）單根饋線電纜單位電阻電纜 長(zhǎng)度/每回電纜根數(shù)=（3 000/2）0.0470.1/4=1.76 V 可見(jiàn)，弓網(wǎng)之間的電壓差非常小，這說(shuō)明弓網(wǎng)間隙只有在極小的情況下才會(huì)出現(xiàn)放電現(xiàn)象。另外，電分段采用等高重疊布線的錨段關(guān)節(jié)形式，相對(duì)分段絕緣器方式而言，徹底改善了弓網(wǎng)配合特性，避免了分段絕緣器方式的電分段中存在的接觸“硬點(diǎn)”，解決了受電弓過(guò)電分段時(shí)因受力突變帶來(lái)的振蕩離線拉弧的問(wèn)題。 通過(guò)在上海城市軌道三號(hào)線和廣州地鐵二號(hào)線的使用，也證實(shí)了列車(chē)在通過(guò)設(shè)置在車(chē)站出站端的錨段關(guān)節(jié)形式電分段時(shí)，弓網(wǎng)未出現(xiàn)明顯的離線拉弧現(xiàn)象。2.2 直流饋線保護(hù)影響分析 當(dāng)列車(chē)啟動(dòng)通過(guò)設(shè)置在出站端的電分段時(shí)，會(huì)不會(huì)因電流的突變對(duì)繼電保護(hù)帶來(lái)影響，造成保護(hù)裝置誤動(dòng)而導(dǎo)致直流饋線開(kāi)關(guān)誤跳。下面結(jié)合直流饋線保護(hù)原理作一分析。 （1）直流饋線保護(hù)主要包括直流快速開(kāi)關(guān)本體自帶的大電流脫扣保護(hù)和繼電保護(hù)裝置中的電流變化率di/dt及電流增量DI保護(hù)。目前國(guó)內(nèi)1 500 V牽引供電系統(tǒng)普遍采用的直流饋線保護(hù)裝置主要集中在西門(mén)子、賽雪龍和Adtranz三家，雖然三家的保護(hù)裝置在整定方式上各有不同，但原理和功能基本相同，均是通過(guò)利用電流變化率和電流增量判斷保護(hù)是否出口。 各種保護(hù)功能的整定原則主要包括以下內(nèi)容：大電流脫扣整定值應(yīng)高于相應(yīng)的最大直流饋線電流；di/dt及DI保護(hù)主要應(yīng)考慮與列車(chē)特性相配合，躲過(guò)列車(chē)的起動(dòng)電流、制動(dòng)電流、列車(chē)過(guò)電分段時(shí)的沖擊電流和饋線重合閘時(shí)的沖擊電流為原則；di/dt及DI的保護(hù)應(yīng)躲過(guò)被保護(hù)范圍外部故障時(shí)的故障電流。 （2）對(duì)大電流脫扣保護(hù)的影響。大電流脫扣的整定依據(jù)主要是直流短路電流值和最大饋線電流值。以接觸網(wǎng)等效阻抗較大的柔性懸掛方式，牽引整流機(jī)組為3 000 kW的1 500 V牽引供電系統(tǒng)為例，其遠(yuǎn)端短路直流短路電流一般不低于20 kA，最大饋線電流一般不超過(guò)3 kA，而大電流脫扣保護(hù)整定范圍普遍在4～12 kA，整定值一般在6 kA以上。 從上述數(shù)值可以看出，當(dāng)列車(chē)前端受電弓通過(guò)節(jié)點(diǎn)1時(shí)，饋電電流I2的電流增量為750 A左右，即使與直流饋線最大負(fù)荷電流相加，也達(dá)不到保護(hù)定值，因此不會(huì)影響大電流脫扣保護(hù)出口的可靠性。 （3）對(duì)di/dt及DI保護(hù)的影響。對(duì)di/dt及DI保護(hù)整定時(shí)，往往需要考慮并避讓各種正常運(yùn)行情況下出現(xiàn)的電流變化率和電流增量，如列車(chē)啟動(dòng)、制動(dòng)、列車(chē)過(guò)電分段以及直流快速開(kāi)關(guān)重合閘時(shí)帶來(lái)的電流變化。 △I整定值一般整定為大于列車(chē)的啟動(dòng)電流，如果供電分區(qū)設(shè)置在出站端時(shí)，可將△I整定值適度調(diào)大即可，由于ΔI整定值與直流短路電流相差很大，因此對(duì)保護(hù)動(dòng)作的可靠性的影響不明顯。 對(duì)于di/dt保護(hù)，一般須對(duì)電流變化率與延時(shí)長(zhǎng)度同時(shí)整定，為保證di/dt保護(hù)的正確出口，根據(jù)以往的工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，di/dt保護(hù)的電流變化率定值一般不小于150 A/ms，時(shí)間定值在30 ms以上，從該定值可以看出電流變化總量不會(huì)低于4500 A（150 A/ms30 ms），而受電弓在通過(guò)電分段的節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)2時(shí)，每次給饋線電流I2帶來(lái)的電流變化總量不會(huì)超過(guò)750 A。也可直觀地理解為，當(dāng)受電弓以足夠的速度滑過(guò)節(jié)點(diǎn)，給I2帶來(lái)超過(guò)150 A/ms的電流變化率時(shí)，由于電流變化總量的限制，這種電流變化率的保持時(shí)間也只能維持在5 ms左右，遠(yuǎn)未達(dá)到30 ms的時(shí)間定值要求，di/dt保護(hù)自然不會(huì)出口。 實(shí)際情況如何呢？也可近似地估算前端受電弓滑過(guò)節(jié)點(diǎn)1時(shí)，由供電分區(qū)A供電轉(zhuǎn)變?yōu)橛晒╇姺謪^(qū)A、B共同供電所需的時(shí)間，即受電弓由與供電分區(qū)B接觸線臨界放電位置到與接觸線接觸的時(shí)間長(zhǎng)度。為便于計(jì)算，假設(shè)弓網(wǎng)在接觸前的壓差U12為1.76 V，其所對(duì)應(yīng)的放電間隙不會(huì)超過(guò)1 mm；以柔性懸掛為例，根據(jù)接觸線下錨抬升角度，受電弓在弓網(wǎng)臨界放電位置與弓網(wǎng)接觸點(diǎn)的水平距離S1一般不超過(guò)150 mm，這里按150 mm計(jì)算；根據(jù)列車(chē)的電氣特性，列車(chē)速度為0～35 km/h時(shí)的加速度a一般不低于0.9 m/s2，按0.9 m/s2計(jì)算；車(chē)站長(zhǎng)度按200 m考慮，電分段設(shè)置在車(chē)站端頭；列車(chē)按A型車(chē)，6節(jié)編組，長(zhǎng)度按140 m考慮，受電弓在列車(chē)兩端的動(dòng)車(chē)上，前端受電弓與電分段的距離S為30 m。 首先，計(jì)算列車(chē)啟動(dòng)加速到電分段位置時(shí)的時(shí)間t：列車(chē)在電分段位置時(shí)的速度v：v =at = 0.98.15 = 7.34 m/s 受電弓從弓網(wǎng)臨界放電位置到弓網(wǎng)接觸點(diǎn)所需的時(shí)間t： t= S1/v = 150/7.34 = 20.4 ms 由于受到每次750 A電流變化總量的限制，受電弓過(guò)節(jié)點(diǎn)1時(shí)，電流I2變化所對(duì)應(yīng)的電流變化率遠(yuǎn)小于di/dt保護(hù)的150 A/ms整定值。因此，保護(hù)裝置不會(huì)動(dòng)作。對(duì)于剛性懸掛而言，后端受電弓由于節(jié)點(diǎn)外側(cè)的匯流排上翹角度比柔性懸掛大，S1更小，相應(yīng)的t值更小。因此，di/dt保護(hù)不會(huì)出口。 由于電流變化總量很小，無(wú)論架空接觸網(wǎng)是柔性懸掛還是剛性懸掛，受電弓過(guò)節(jié)點(diǎn)時(shí)，電流變化率和延時(shí)時(shí)間不可能同時(shí)滿足整定要求，與上述的計(jì)算分析結(jié)果相同，di/dt保護(hù)不會(huì)出口。 3結(jié)束語(yǔ) 通過(guò)以上分析和計(jì)算，可得出這樣的結(jié)論：不論是剛性還是柔性架空接觸網(wǎng)，其錨段關(guān)節(jié)形式的電分段設(shè)置在車(chē)站與牽引變電所的同一端，從技術(shù)分析上是可行的，并且通過(guò)在上海軌道交通3號(hào)線（柔性架空接觸網(wǎng)）、廣州地鐵2號(hào)線（剛性架空接觸網(wǎng)）的實(shí)際應(yīng)用也證實(shí)了列車(chē)在啟動(dòng)時(shí)通過(guò)這種形式的電分段均未出現(xiàn)明顯拉弧和對(duì)直流饋線保護(hù)產(chǎn)生不良影響而造成開(kāi)關(guān)誤跳的情況出現(xiàn)，可見(jiàn)這種電分段的設(shè)置方式是可行的。