摘要：本文介绍城市轨道交通接触轨3种电分段方式的工作原理及实际应用情况，分析它们各自的优点和缺点，分析列车的失电与连电现象，再结合磁浮交通动力轨电分段中嵌入式分段绝缘器技术，对嵌入式分段绝缘器进行简要说明。
关键词：接触轨；电分段；失电与连电；嵌入式分段绝缘器
一，背景介绍
随着轨道交通事业的迅速发展，城市轨道交通的受电方式得到了较大的关注。为了保证牵引供电的可靠性和灵活性，缩小停电事故影响范围，接触轨供电系统需要在适当的区段上进行电分段。国内、国外接触轨电分段基本上有3种形式：小断口分段方式、大断口分段方式、短三轨分段方式。下面对这3种方案进行介绍、分析和比较及对使用嵌入式分段绝缘器的探讨。
二、应用情况
从电流产生的变化与对接触轨与集电靴两方面运行可靠性的影响上，接触轨电分段一般设置在有牵引变电所车站的进站一端（即车辆惰行侧）。断口的设置一般有3种方式：小断口分段方式、大断口分段方式和短接触轨分段方式。
目前，广州、上海等采用接触轨受流方式的地铁线路在电分段处也采用了大断口的设置方式。随着车辆编组形式的不断改变以及集电靴分布情况的变化，为解决紧急故障状态下车辆误闯和车辆不间断供电的矛盾，德黑兰地铁1号线、武汉轻轨1号线和天津地铁1、2、3号线采用了短三轨的电分段设置方式。
三、电分段方式分析
1、设置原则
对于正线牵引变电所处接触轨电分段的设置，目前国内设计规范没有明确的规定，国外也没有相关强制性规定。结合国内外城市轨道交通运营经验和工程设计经验，正线牵引变电所处接触轨电分段主要设置原则如下：
（1）保证列车不间断受流；
（2）一个供电分区发生停电事故时，车辆不会把相邻供电分区的电能带入事故区段，引起故障范围扩大或者影响疏散乘客的安全问题；
（3）不论车辆是在取流运行还是在电制动状态，都应避免产生较大电弧，烧损接触轨和受流器。
2、受流器分布形式
目前国内各个城市轨道交通采用的列车编组有多种形式，其列车受流器分布也不同。以2动2拖4节车编组为例进行说明，其他编组形式分析方法类似。如图1所示，列车分为两个电气单元，A、B为一个独立电气单元，C、D 为一个独立电气单元，同一独立电气单元内的四个受流器联接在同一直流母线上，但两独立电气单元间无电气连接，即A、B和C、D车间无电气连接。
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图1 列车编组示意图
3、电分段方式分析
根据目前国内城市轨道交通接触轨电分段断口的应用情况，对小断口分段、大断口分段和短三轨断口分段这3 种断口形式的优点与存在问题简要分析如下
3.1小断口分段形式
小断口分段形式的断口长度一般大于接触轨由于温度升高而产生的伸长量及接触轨带电体的安全距离要求，且小于1节动车上前后两套集电靴之间的距离，目前小断口电分段处采用的断口长度一般为2～3m。
当车辆通过该电分段时，由于机车上任意两套集电靴之间的距离均大于小断口的断口长度，机车能够连续取流；但当出现短路等故障时，由于集电靴通过车辆的高压母线可将两侧的供电臂连通，从而对车辆上的高压母线绝缘产生不利影响，同时将扩大事故范围。这种方案解决了列车连续取流的要求，但忽略了列车误穿的问题，解决此问题需要加大断口的绝缘距离。
3.2大断口分段形式
大断口分段形式的断口长度应大于一节动车上两集电靴之间的距离，且小于相邻两动车相同位置上的集电靴之间的距离。
若相邻两动车之间的高压母线在电气上不连通，当车辆通过该电分段断口时，机车取流是不连续的，会造成机车的瞬时失电，对车辆上的辅助供电机组SIV产生不利影响，一方面会使车辆上的照明和空调等动力照明系统临时断电，另一方面减少SIV机组的使用寿命。
当相邻两动车B与C之间的高压部分在电气上不连接的车辆正常通过或事故状态下误穿该电分段时，则动车B与C的2个集电靴存在以下3种的情况。（1）动车B的1个集电靴搭在有电的第三轨上，另1个集电靴悬空在断口内。动车C的情况相同。（2）动车B的2个集电靴同时搭在有电的第三轨上，动车C的2个集电靴悬空在断口内。（3）动车B的2个集电靴同时悬空在断口内。动车C的2个集电靴同时搭在检修接地的第三轨上。
前两种情况说明动车B或动车C的2个集电靴存在同时不接触接触轨，会造成列车取流是不连续的，会造成列车的临时失电，但其优点是解决了列车误穿问题。
为解决失电的问题，新购置的车辆基本采用了整列编组高压母线贯通的方式，虽然车辆的整列编组高压母线贯通，但各单元车之间是通过BHB断路器方式连接的。当车辆运行速度超过5km/h时，断路器处于闭合状态；当车辆运行速度低于5km/h时，断路器断开，能够解决车辆误闯连电的问题。
3.3短三轨断口分段形式
连电的问题是矛盾的，特别当整列车的高压电气母线相联结或每一编组高压电气母线联结时，这一矛盾尤为突出。为更好地解决失电和连电的问题，对此，国内外的一种做法是在断口处加短三轨的方案。
接触轨大断口的长度大于整车相隔最远的集电靴之间的距离，而小断口的长度则小于车辆上任意两套集电靴之间的距离。
针对车辆失电与连电现象的发生，短三轨方式则通过增加1根短接触轨，从而加长断口的长度，短接触轨和车辆行驶方向的供电臂通过电动隔离开关相连。在正常情况下，机车过分段是连续取流的，不会发生失电现象；当车辆前进方向的前方供电臂发生故障时，隔离开关断开，将断口距离加长，中间的短段接触轨形成中性区，机车不会将故障侧与带电侧相连，避免误闯的事故发生；即便车辆停在电分段时，合上隔离开关，机车也能正常运行。在车辆通过该断口时突然发生短路故障的小概率情况下，该断口的设置方式同样无法彻底解决将故障情况下两侧供电臂相连的问题。
四、嵌入式分段绝缘器
分段绝缘器采用高强度树脂绝缘材料制造，具有绝缘性能优越，耐磨性能好的优点，结构设计上与钢铝复合轨的断面尺寸进行紧密结合，既能满足嵌入式分段绝缘器的安装条件，又能满足集电靴受流的要求。考虑到集电靴的长期摩擦和尽可能消除电弧的灼烧，在接触面设计成等间距的槽道。
嵌入式分段绝缘器解决了接触轨在电气分段上传统的自然断口形式存在的集电靴瞬间失电的问题，同时保证了列车的连续受流效果，又能够解决集电靴通过时存在的拉弧现象，从而相对有效地降低烧伤接触轨与集电靴，将接触轨和集电靴在电流传递过程中的产生的矛盾转移到分段绝缘器自身上来，由此对嵌入式分段绝缘器的性能提出更高要求。通过上海磁浮交通示范线多年来的运行实践，在分段绝缘器上发现灼烧的现象较为严重，为此，参照短三轨技术的经验，设置具有中性段性质的短三轨，并在电分段处加装单项导通装置。
参考上海磁浮交通采用带中性段方式的电分段模式，设置中性段长度满足小于列车最远端集电靴的间隔，与短三轨断口方式同样具备了减少列车故障状态下的连电现象，则更加有利于接触轨的运行的安全性。
五、结论与建议
3种电分段形式在满足车辆提供持续可靠的电流能力上是相同的，在解决故障状况下的不同供电臂连电与瞬间失电现象上略有不同，短三轨是对小断口设置方式在解决连电问题上的弥补，但造成电分段设置形式复杂，安装难度与工程投资都大的问题；大断口运行方式从北京地铁运行以来一直采用，在解决车辆高压母线贯通设置和适应速度后，失电问题得以解决，这也是大断口设置方式应用广泛的主要原因。
借鉴上海磁浮交通动力轨应用嵌入式分段绝缘器的成功经验，嵌入式分段绝缘器可取代目前接触轨正线采用的自然断口方式，既能保证列车集电靴在正线运行中与接触轨的连续接触（道岔处除外），实现与架空接触网一样的持续供电能力，更为重要的是和短三轨设置方式可相互结合，充分利用中性段短接触轨的优势，还能有效减少故障状态下列车出现连电与误闯的概率，对保证接触轨的运行安全具有重要作用。
参考文献：
[1] 刘长志 于小军 孙明新.城市轨道第三轨电分段方案的探讨
[2] 胡懿洲.城市轨道交通接触轨电分段设置方式与改进建议
[3] 何 斌.城市轨道交通正线牵引变电所处接触轨电分段的设置
[4] 王文娇.受流器与接触轨端部弯头接触特性
论文作者:叶达斌,刘国迎
论文发表刊物:《基层建设》2020年第2期
论文发表时间:2020/4/29
标签：断口论文; 方式论文; 车辆论文; 列车论文; 母线论文; 形式论文; 嵌入式论文; 《基层建设》2020年第2期论文;