库内接触网分束开关运行工况分析

　　摘要：本文分析了无人驾驶自动化场段库内接触网的运营维护需求，结合工程实际，提出接触网分束开关的功能定位，进一步研究了库内接触网分束开关运行工况，分析了短路故障时开关设备的动作选择性范围及热稳定性校验；通过论证2种开关设备综合技术性能，提出分束开关设备合理化选型建议。

 

　　关键词：无人驾驶; 分束开关; 设备选型;

 

　　Abstract：This paper analyzes the operation and maintenance requirements of OHL in the depot of driverless automation yard; combined with the engineering practice, the function and orientation of branch feeding switch is put forward; the operation conditions of OHL in depot are further studied; the action selectivity range and thermal stability calibration of the switch in case of short circuit fault are analyzed; and the comprehensive technology of the two kinds of switches is demonstrated, the reasonable selection of branch feeding switch is recommended.

 

　　0 引言

 

　　为适应城市轨道交通车辆段、停车场无人驾驶自动化运营需求，牵引供电系统在全自动无人驾驶区域内接触网供电分束比非自动化运营方式做出较大调整。目前，主要以北京轨道交通工程方案为代表，采用停车列检库内、外进行分开单独供电，库内前后列位也分开单独供电；库内细化供电分束，将单个股道1列位或相邻2股道各1列位设置为一小束进行供电分配，并为每个小供电分束配置开关设备以实现独立操作。

 

　　接触网供电分束开关设备可选择直流断路器和直流接触器2种类型。但2种设备在主要技术参数、设计结构、操作性能、设备造价等方面差异较大，需要结合场段直流牵引供电系统特点进行研究论证，以确定合理选型。

 

　　1 场段内直流牵引供电系统接线方案

 

　　场段内牵引变电所馈线直流断路器柜通过电缆接至库内总的电动隔离开关，再由电动隔离开关和各分束开关向库内各股道供电，库内每2股道配1台分束开关。场段内直流牵引供电系统接线方案见图1。

 

　　库内外、库内前后列位每股道的接触网连接处设电分段，库内供电分段示意见图2。

 

　　

　　
图1 场段内直流牵引供电系统接线方案   

 

　

　　图2 库内供电分段示意图   

 

　　2 接触网分束供电开关的功能定位

 

　　库内设置的接触网分束供电开关主要为了实现以下功能：

 

　　(1）正常情况下可以带负荷操作，使库内每股道单独停、送电进行作业，而不需要操作牵引变电所馈线断路器，减小停、送电范围；

 

　　(2）库内设置紧急分闸按钮，当出现人员触电等紧急情况时，可通过紧急分闸按钮使分束开关分闸，使库内接触网停电。

 

　　针对上述功能，结合牵引供电系统运行需求，对接触网分束开关的要求如下：（1）能承载正常的负荷电流；（2）能开断正常负荷电流或较小过载电流；（3）故障状态下能与变电所馈线断路器进行选择性分闸，减小事故范围；（4）具备承受一定时间库内短路电流的能力。

 

　　3 库内接触网分束开关运行工况分析

 

　　3.1 正常运行工况下的负荷电流分析

 

　　车辆段/停车场库内采用分束供电，3～5个股道为一束，每个供电分束的直流电源由牵引变电所馈线直流断路器通过直流电缆接至库内电动隔离开关，再利用直流母线将电源通过分束开关向库内各股道接触网供电。

 

　　若每个供电开关负责2个股道各1列位，承载的正常最大负荷电流约为1 400 A。供电开关可带负荷操作，使库内每股道单独停、送电进行作业。

 

　　3.2 故障情况下的短路电流分析

 

　　当库内接触网对钢轨短路故障时，库内和牵引变电所钢轨电位限制装置均动作，短路电流通过大地流回变电所。短路故障时直流侧系统等效模型见图3。
 

 

　　图3 短路故障时直流侧系统等效模型   

 

　　注：UN为直流电源；ZZN为整流机组等效内阻；ZXL1为直流馈线电缆的直流电阻；ZXL2为分束开关至接触网间直流电缆的直流电阻；ZCW为库内接触网电阻。

 

　　场段内以采用DC 1 500 V牵引供电系统为例，牵引变电所单台整流变压器容量按2 750 k V·A，馈线采用4根400 mm2电缆并联供电，长度大约为200m；分束开关至库内接触网间采用2根400 mm2电缆并联供电，长度约为80 m，直流电缆单位长度直流电阻约为0.05Ω/km；计算稳态短路电流为19.26 k A。牵引变电所2台整流变压器并列运行时，流过馈线的短路电流为38.52 k A。

 

　　4 短路故障时开关设备的动作范围及热稳定分析

 

　　4.1 开关设备的动作选择性分析

 

　　4.1.1 设置直流断路器时的动作选择性分析

 

　　分束开关采用直流断路器时，直流断路器额定电流通常采用4 000 A，断路器本体配置大电流脱扣保护，保护整定值范围为4～12 k A。对应变电所馈线直流断路器大电流脱扣保护整定值一般为6～8 k A。

 

　　当库内接触网发生短路故障时，根据上述短路电流计算结果，变电所馈线断路器和分束断路器均可能动作。实际使用时，分束供电断路器的大电流脱扣保护按最大整定值设置，也因为无法实现分束断路器选择性动作。

 

　　4.1.2 设置直流接触器时的动作选择性分析

 

　　分束开关若采用直流接触器，目前市场上直流接触器的额定电流一般为1 400～1 800 A。直流接触器本体不配置保护，当库内接触网发生短路故障时，变电所馈线断路器分闸。

 

　　从上述分析可见，无论是设置直流断路器还是直流接触器，库内接触网发生短路故障时，变电所馈线断路器均动作，二者引起的故障停电范围一致。

 

　　4.2 开关设备的热稳定校验

 

　　库内接触网发生短路故障时，考虑变电所馈线直流断路器大电流脱扣保护动作时间、断路器的分闸时间，分束开关短时耐受电流取短路稳态计算电流，则分束开关的短时耐受应满足40 k A/100 ms（等效能量I2t=75.7 MA2·s）。

 

　　对于DC 1 500 V直流断路器，其配备本体大电流脱扣保护，较大短路电流下，可在20 ms之内全分断，断路器不需考虑短时耐受能力的要求。

 

　　直流接触器按TB/T 2767-2010《机车车辆用直流接触器》规定，对于额定电流1 000 A的接触器，其短时耐受可按20 k A/1s（等效能量I2t=400MA2·s）考虑。根据GB/T 14048.4-2010《低压开关设备和控制设备第4.1部分：接触器和电动机启动器》规定，对于额定电流1 000 A的接触器，其短时耐受可按6 k A/1s（等效能量I2t=360 MA2·s）考虑。

 

　　目前，TCZM-920型直流接触器的额定短时耐受为20 k A/5ms（等效能量I2t=2 MA2·s);BMS型直流接触器的额定短时耐受为15 k A/100 ms（等效能量I2t=22.5 MA2·s）；意大利MS公司1 250 Type 1型直流接触器的额定短时耐受为17.6 k A/250 ms（等效能量I2t=77.4 MA2·s），均无法满足热稳定性能要求。德国HOMA Type G1400型直流接触器的额定短时耐受为50 k A/200 ms（等效能量I2t=500MA2·s），能够满足热稳定性能要求。

 

　　5 开关设备综合对比分析

 

　　接触网分束开关分别采用直流断路器和直流接触器时，设备关键性能参数综合对比分析见表1。

 

　　表1 关键性能参数综合对比     

 

　　6 结语

 

　　综上所述，直流断路器和直流接触器作为接触网分束开关设备，均能关合和开断正常负荷电流，以及短时耐受库内接触网短路故障时的短路电流。但是，直流接触器较直流断路器而言，具有结构简单、电气和机械寿命长、运营维护工作量少、工程应用更简便、整体投资可减少一半以上等特点。在无人驾驶线路的车辆段、停车场库内，对于实现分束独立停、送电操作需求，直流接触器方案是更好的选择，且建议结合工程实际进一步核验关键技术参数以确定合理选型。

 

　　参考文献

 

　　[1]王晓博. DC 1 500 V牵引供电系统直流馈线保护研究[J].西铁科技，2013(1):19-22.

　　[2]汪小勇.城市轨道交通自动化车辆段和停车场的关键功能分析[J].铁道通信信号，2016,52(2):53-56.

　　[3]中华人民共和国铁道部. TB/T 2767-2010机车车辆用直流接触器[S].北京：中国铁道出版社，2011.

　　[4]中华人民共和国国家质量监督检验总局，中国国家标准化管理委员会. GB/T 14048.4-2010低压开关设备和控制设备第4.1部分：接触器和电动机启动器[S].北京：中国标准出版社，2010.