接觸網(wǎng)不同安裝方式下接地保護(hù)的動(dòng)作分析

王志榮

接觸網(wǎng)不同安裝方式下接地保護(hù)的動(dòng)作分析

王志榮

介紹了跨座式單軌交通接觸網(wǎng)接觸軌在軌道梁上的不同安裝方式及接地保護(hù)的動(dòng)作原理，對正極接觸軌支持絕緣子在不同安裝方式下發(fā)生閃絡(luò)或擊穿故障時(shí)引起接地保護(hù)動(dòng)作的工況及對行車造成的影響進(jìn)行了分析，給出了接觸網(wǎng)接觸軌在軌道梁上安裝方式的建議。

跨座式單軌；接觸網(wǎng)；安裝方式；接地保護(hù)；動(dòng)作分析

0 引言

跨座式單軌交通不同于傳統(tǒng)的輪軌交通，車輛依靠橡膠輪胎在混凝土預(yù)制的軌道粱上運(yùn)行，運(yùn)行過程中車體與地絕緣。接觸網(wǎng)系統(tǒng)除設(shè)置正極接觸軌外，還設(shè)置專門用于回流的負(fù)極接觸軌。正、負(fù)極接觸軌分別通過支持絕緣子安裝于軌道梁兩側(cè)。

跨座式單軌交通牽引系統(tǒng)為不接地系統(tǒng)，接觸網(wǎng)電壓等級(jí)為DC 1 500 V，由于車輛在運(yùn)行過程中車體與負(fù)極接觸軌為同一電位，為了保證列車到站后乘客的安全，所有的車站都必須安裝車體接地裝置，列車到站后將車體可靠接地。同時(shí)為了能快速切除故障，必須在每座牽引變電所設(shè)置過電壓接地保護(hù)裝置[1]。

接觸網(wǎng)的安裝方式與接地保護(hù)表面上沒有直接的關(guān)系，但在不同的安裝方式下，接觸網(wǎng)正極絕緣子閃絡(luò)或擊穿時(shí)，引起接地保護(hù)裝置動(dòng)作的工況不同，造成接觸網(wǎng)失電的范圍不同，對正常的行車造成的影響也不同。因此，在確定接觸網(wǎng)在軌道梁上的安裝方式時(shí)，除了考慮雷電防護(hù)及絕緣子維護(hù)檢測的方便性，有必要對接觸網(wǎng)不同安裝方式下接地保護(hù)的動(dòng)作工況進(jìn)行分析。

1 接觸網(wǎng)的安裝方式

1.1 接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)組成

跨座式單軌接觸網(wǎng)系統(tǒng)由正極接觸軌、負(fù)極接觸軌、上網(wǎng)和回流電纜組成。正、負(fù)極接觸軌結(jié)構(gòu)相同，包括伸縮單元（錨段）、典型支持結(jié)構(gòu)、錨段關(guān)節(jié)、中心錨結(jié)、供電分段、道岔等[2]。

接觸軌的典型支持結(jié)構(gòu)包括支持絕緣子、T型匯流排、匯流排壓板及接觸線等。如圖1所示。

圖1 接觸軌典型支持結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 接觸軌的幾種安裝方式

跨座式單軌接觸網(wǎng)正、負(fù)接觸軌對稱布置在軌道梁兩側(cè)，軌道梁一般采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，高度為1.5 m，寬度為0.85 m。為了不破壞軌道梁內(nèi)的預(yù)應(yīng)力鋼索及結(jié)構(gòu)鋼筋，一般在軌道梁內(nèi)預(yù)埋安裝絕緣子的預(yù)埋件，通過預(yù)埋件將支持絕緣子固定在軌道梁上。

根據(jù)預(yù)埋件是否與軌道梁內(nèi)鋼筋絕緣、支持絕緣子底座是否設(shè)置貫通的接地線等，接觸軌一般有以下4種安裝方式。

（1）安裝方式A：在軌道梁內(nèi)預(yù)埋金屬套管或底板，用螺栓將絕緣子底座固定在軌道梁上。金屬套管或底板與軌道梁內(nèi)的結(jié)構(gòu)鋼筋不絕緣，絕緣子底座不設(shè)置貫通接地線。

（2）安裝方式B：絕緣子在軌道梁上的固定方式同安裝方式A，不同的是在軌道梁上設(shè)置貫通的接地線，將全線的絕緣子金屬底座可靠接地。

（3）安裝方式C：在軌道梁內(nèi)預(yù)埋內(nèi)螺紋尼龍?zhí)坠?，螺栓與軌道梁內(nèi)的結(jié)構(gòu)鋼筋是絕緣的，絕緣子底座不設(shè)置貫通接地線。該安裝方式是目前重慶市已建設(shè)開通運(yùn)營的軌道交通二號(hào)線、三號(hào)線接觸軌在軌道梁上的安裝方式。

（4）安裝方式D：絕緣子在軌道梁上的固定方式同安裝方式C，不同的是在軌道梁上設(shè)置貫通的接地線，將全線的絕緣子金屬底座可靠接地。

安裝示意圖見圖2。

圖2 接觸軌安裝方式示意圖

2 接地保護(hù)的設(shè)置及原理

接地保護(hù)裝置（以下簡稱64D保護(hù)）設(shè)置于牽引變電所直流負(fù)極母線與地之間，其接線原理圖如圖3所示[3]。為了防止同一區(qū)間一列車啟動(dòng)造成另一列車內(nèi)過電壓繼電器GR的誤動(dòng)作，64D保護(hù)還需串聯(lián)一個(gè)單向?qū)ㄑb置。

圖3 64D接地保護(hù)接線原理圖

64D保護(hù)裝置由接地電阻R、逆流二極管VD、電壓繼電器KA、阻尼電阻R1、電壓傳感器SV、電流傳感器SA及微機(jī)控制系統(tǒng)組成。保護(hù)裝置原理圖如圖4所示[4]。

圖4 64D保護(hù)裝置原理圖

接地電阻R的阻值可以在2.5 Ω檔至10 Ω檔之間進(jìn)行調(diào)節(jié)，一般設(shè)在5 Ω檔。在正常的運(yùn)行條件下，漏電流在接地電阻R上產(chǎn)生的電壓降，遠(yuǎn)小于接地保護(hù)的整定值（一般為200 V），64D保護(hù)不會(huì)動(dòng)作。

當(dāng)正極對地短路或正極接觸軌絕緣子對地閃絡(luò)或擊穿時(shí)，流過64D保護(hù)的故障電流在R上產(chǎn)生的壓降達(dá)到整定的跳閘電壓值時(shí)，64D保護(hù)就會(huì)動(dòng)作。不同的安裝方式下，絕緣子損壞造成64D保護(hù)動(dòng)作的工況不同，對行車造成的影響也不同。

3 不同安裝方式下接地保護(hù)的工況

3.1 安裝方式A

該安裝方式下，預(yù)埋的金屬套管或底板與軌道梁內(nèi)的結(jié)構(gòu)鋼筋是連通的。由于每個(gè)車站設(shè)置了車體接地板，接地板通過預(yù)埋在軌道梁內(nèi)的金屬套管固定在軌道梁上，金屬套管與軌道梁結(jié)構(gòu)鋼筋是不絕緣的，因此，可以認(rèn)為軌道梁結(jié)構(gòu)鋼筋在車站范圍內(nèi)通過車站接地板是接地的。64D保護(hù)原理接線圖及等效電路圖如圖5、圖6所示。

圖6 安裝方式A等效電路圖

當(dāng)正極絕緣子對地閃絡(luò)或擊穿時(shí)，Rjz值近似為零；假設(shè)負(fù)極絕緣子絕緣正常，Rjf阻抗近似為無窮大，為計(jì)算方便，按開路考慮。

64D保護(hù)對地電壓U64D可用以下公式計(jì)算：

R64D一般設(shè)為5 Ω，64D保護(hù)裝置跳閘電壓整定值一般為200 V，U64D取200 V，代入公式計(jì)算可得Rdj為32.5 Ω。

該安裝方式下，當(dāng)正極絕緣子對地閃絡(luò)或擊穿時(shí)，64D保護(hù)裝置是否動(dòng)作存在不確定性。當(dāng)通過結(jié)構(gòu)鋼筋形成的接地回路接地過渡電阻小于32.5 Ω時(shí)，64D保護(hù)才會(huì)動(dòng)作。以線路的某個(gè)正極絕緣子閃絡(luò)或擊穿為例，對保護(hù)動(dòng)作工況及對行車造成的影響分析如下：

（1）正極絕緣子發(fā)生污閃的情況。

a.當(dāng)流過表面的泄漏電流較小時(shí)，64D保護(hù)一般不會(huì)動(dòng)作，不影響行車。

b.當(dāng)流過表面的泄漏電流較大時(shí)，相當(dāng)于正極接觸軌對地泄漏，從上面的計(jì)算可知流過64D接地保護(hù)裝置的泄漏電流大于40 A時(shí)，U64D將大于64D保護(hù)的整定值200 V，64D保護(hù)就會(huì)動(dòng)作，如果是瞬時(shí)故障，則接觸網(wǎng)可以通過直流饋線開關(guān)的重合閘功能恢復(fù)供電，但故障原因難以查找，對正常的行車會(huì)造成一定影響。

c.當(dāng)流過表面的泄漏電流增加產(chǎn)生局部電弧，局部電弧逐漸發(fā)展成完全閃絡(luò)時(shí)，會(huì)造成絕緣子永久損壞，64D保護(hù)動(dòng)作，啟動(dòng)牽引所直流饋線開關(guān)跳閘，接觸網(wǎng)失電。如果保護(hù)不退出或故障沒消除，該絕緣子受損區(qū)間接觸網(wǎng)無法靠直流饋線開關(guān)的重合閘功能及人工操作恢復(fù)供電，造成列車停運(yùn)，對行車影響較大。

（2）正極絕緣子因雷電發(fā)生閃絡(luò)。

a.當(dāng)絕緣子遭受雷電過電壓造成閃絡(luò)時(shí)，絕緣子表面會(huì)流過瞬時(shí)的短路電流，64D保護(hù)動(dòng)作，啟動(dòng)牽引所直流饋線開關(guān)跳閘，接觸網(wǎng)失電。若絕緣子非永久性損壞時(shí)，絕緣子受損區(qū)間接觸網(wǎng)可通過直流饋線開關(guān)的重合閘功能恢復(fù)供電，一般列車會(huì)失電1～3 min，對正常的行車影響不大[5]。

b.當(dāng)絕緣子遭受雷電過電壓造成閃絡(luò)，絕緣子永久性損壞時(shí)，64D保護(hù)動(dòng)作，引起牽引所直流饋線開關(guān)跳閘，接觸網(wǎng)失電。如果保護(hù)不退出或故障沒消除，該絕緣子受損區(qū)間接觸網(wǎng)無法靠直流饋線開關(guān)重合閘功能及人工操作恢復(fù)供電，會(huì)造成列車停運(yùn)，對行車影響較大。

3.2 安裝方式B

該安裝方式同安裝方式A，不同的是在軌道梁上設(shè)置了全線貫通的接地線，將全線的絕緣子金屬底座可靠接地。64D保護(hù)原理接線圖及等效電路圖如圖7、圖8所示。

64D保護(hù)對地電壓U64D可用以下公式計(jì)算：

由于絕緣子底座設(shè)置了全線貫通的接地線，當(dāng)正極絕緣子發(fā)生污閃或雷電過電壓閃絡(luò)時(shí)，64D接地保護(hù)會(huì)馬上動(dòng)作，接地線可起到保護(hù)絕緣子的作用。但是，如果64D保護(hù)不退出或故障未消除，該絕緣子受損區(qū)間接觸網(wǎng)無法靠直流饋線開關(guān)重合閘功能及人工操作恢復(fù)供電，會(huì)造成列車停運(yùn)，對行車影響較大。

圖7 安裝方式B保護(hù)原理圖

圖8 安裝方式B等效電路圖

3.3 安裝方式C

安裝方式C相當(dāng)于接觸軌通過絕緣子及尼龍?zhí)坠埽瑢?shí)現(xiàn)了接觸軌對梁內(nèi)結(jié)構(gòu)鋼筋及對地的雙重絕緣。

當(dāng)正極絕緣子因污閃或雷電過電壓造成損壞時(shí)，因絕緣子底座與梁內(nèi)結(jié)構(gòu)鋼筋是絕緣的，64D接地保護(hù)不會(huì)動(dòng)作，對正常的行車不會(huì)造成影響。該安裝方式的缺點(diǎn)是損壞的絕緣子不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，需要在停運(yùn)后日常的維護(hù)中發(fā)現(xiàn)并更換。

3.4 安裝方式D

該安裝方式同安裝方式C，不同的是在軌道梁上設(shè)置了全線貫通的接地線，將全線的絕緣子金屬底座可靠接地。64D保護(hù)原理接線圖及等效電路圖如圖9、圖10所示。

圖9 安裝方式D保護(hù)原理圖

圖10 安裝方式D等效電路圖

64D保護(hù)對地電壓U64D可用以下公式計(jì)算：

由于絕緣子底座設(shè)置了全線貫通的接地線，當(dāng)正極絕緣子因污閃或雷電過電壓發(fā)生泄漏或損壞時(shí)，64D保護(hù)動(dòng)作工況同安裝方式B，同樣會(huì)造成列車停運(yùn)，對行車影響較大。

4 結(jié)語

通過以上的分析可以看出，接觸網(wǎng)采用安裝方式A，或設(shè)置接地線采用安裝方式B、D時(shí)，當(dāng)正極絕緣子發(fā)生污閃或遭受雷電過電壓侵害時(shí)，64D接地保護(hù)會(huì)馬上動(dòng)作，可以起到對絕緣子的保護(hù)作用，但損壞絕緣子所在區(qū)間接觸網(wǎng)無法通過直流饋線開關(guān)的重合閘功能及人工進(jìn)行送電，只有保護(hù)退出或更換了損壞絕緣子后才可以恢復(fù)供電，造成列車停運(yùn)時(shí)間過長。

而采用安裝方式C時(shí)，絕緣子因污閃或遭受雷電過電壓損壞時(shí)，64D接地保護(hù)不會(huì)動(dòng)作，不會(huì)造成中斷行車的事故。因此，在新建跨座式單軌交通線路或其它制式的單軌交通線時(shí)，接觸網(wǎng)在軌道梁上的安裝方式建議借鑒重慶單軌的經(jīng)驗(yàn)，在考慮接觸網(wǎng)防雷措施及絕緣子日常維護(hù)檢測的方便性時(shí)，更應(yīng)該重視對行車的影響。

[1] GB50458-2008 跨座式單軌交通設(shè)計(jì)規(guī)范[S]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008．

[2] 謝風(fēng)華．跨座式單軌接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J]．現(xiàn)代城市軌道交通，2005，(4)：12-14．

[3] 周才發(fā)．跨座式單軌交通直流牽引系統(tǒng)接地保護(hù)設(shè)計(jì)[J]，都市快軌交通，2010，23（1）：93-94.

[4] 重慶市軌道交通總公司．重慶市軌道交通三號(hào)線一期工程供電設(shè)備系統(tǒng)招標(biāo)文件[G]．重慶，2009．

[5] 中鐵電氣化勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司．城市軌道交通架空接觸網(wǎng)防雷設(shè)計(jì)計(jì)算方法及雷電防護(hù)推薦導(dǎo)則[R]．天津，2012．

The paper introduces different modes for installation of the OCS contact rail on the track beam and the principles for the earthing protection actions for straddle type monorail system, analyzes the working conditions during the earthing protection actions caused by the arc flashing over or breakdown failure occurred on the supporting insulator of the negative contact rail and the impact to the train operation, proposes the modes for installation of the OCS contact rail on the track beam.

Straddle type monorail; OCS; installation mode; earthing protection; action analysis

U226.8+3

：B

：1007-936X(2016)01-0016-04

2015-11-02

王志榮.中鐵電氣化勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，高級(jí)工程師，電話：022-58583800。