邓世敬
广州地铁集团有限公司 助理工程师
摘要：广州地铁七号线是一条国产率高，创新性强的地铁线路，于2016年12月30号开通试运营。接触网出入段供电方式对地铁运营效率、成本、施工组织方面有重大影响。为防止雷击影响正线运营，七号线出入段分段绝缘器并不是安装在转换轨附近，导致接触网出入段起点与行车出入段起点不一致。本文结合实际运营经验，从七号线出入段分段绝缘器等关键设备安装位置、供电方式两个方面分析现有设计的优点及其缺点（主要分析缺点），并针对缺点提出建设性改进措施，优化七号线出入段接触网供电设计，也供其它地铁车辆段设计运营借鉴及参考。
关键词：出入段；雷击影响正线运营；分段绝缘器；供电方式；改进措施
1.引言
城市轨道交通车辆段出入段是连接正线的线路。它是列车从车辆段进入正线或由正线驶回车辆段的运行线路，也是夜间沿线设备维修作业以及各种检修车辆和机具、材料进出现场以及事故时救援列车的运行路径。
对接触网而言，出入段不仅因接触网形式变化而导致了设备多样化，还同时包含了地下线路和地面段，受外界环境因素（大风、雨雪天气、温度变化、雷击等）影响较大，故障发生率较高，因此优化出入段供电方式，保证其安全稳定的供电，对地铁运营有着直接的影响。
2.七号线出入段接触网供电设计介绍
一般来说地铁出入段线的供电方式大体分为三种：正线独立供电、相邻正线区段供电方式及车辆段供电方方式。目前，七号线出入段不设立独立分区，由正线广州南站牵引变电所供电。
需要特殊说明的是，出于防止雷击车厂影响正线运营考虑，作为供电分区设计中的关键性设备，分段绝缘器安装位置与转换轨位置不一致（后期设计改动，原设计分段绝缘器位于转换轨正上方）。转换轨设置在RDK1+899和CDK2+203处（车辆段路基段），分段计划挪入雨棚之内，但雨棚内由于净空较低，最低净空高度为4500mm，接触网结构高度设计为270mm，因此把分段设置在雨篷内不能满足分段绝缘器的安装要求，经现场勘查确定分段设置在雨篷外敞开段第一根接触网钢支柱处，支柱编号为262和263，里程为RDK1+614和CDK1+904。此处距离雨篷距离约19米。分段安装处为U型槽敞开段，线路为直线段，线路的坡度为 32‰。同时，相对应调整了出入段越区开关、单向导通装置位置及相关二次控制线缆和电源电缆长度。
2.1分段绝缘器安装位置优点分析
在以往的运营经验中，当出入段采取正线供电方式，分段绝缘器安装位置直接关系到当车厂遭受雷击时是否影响正线运营。在三北线运营过程中，由于分段绝缘器安装位置到洞口段为露天段且离洞口有较远距离，导致在雷雨季节分段绝缘器到洞口段遭受雷击的概率较高，据统计，三北线曾发生过多起雷击车厂引起正线跳闸事件。
七号线分段绝缘器离雨棚仅有19米距离，雨棚连接洞口，且雨棚入口处左右线各设置了一台避雷器，大大降低了车厂遭受雷击影响正线运营的可能性。
2. 2分段绝缘器安装位置缺点分析
2. 2.1工程预算增加
相对于分段绝缘器安装在转换轨附近的设计方案，由于分段绝缘器位置往正线方向挪了位置，出入段越区开关、单向导通装置位置及相关二次控制线缆和电源电缆长度相对应也往正线方向挪动，导致工程预算增加。
2. 2.2与信号机接点不一致，加上设计缺陷，不利于施工组织
由于七号线出入段分段绝缘器并不是安装在出入段转换轨附近，导致接触网出入段起点与行车出入段起点不一致，各专业出入段起点不一致，从行车角度来看，出入段分段属于正线设备，在施工组织、停电协调方面存在着难题。
车厂转换轨信号机为行车出入段起点，设置在RDK1+899和CDK2+203处，刚好在213、214、215硬横跨正下方附近，车厂作业挂接地线不能越过信号机，而该硬横跨股道间未做绝缘处理，在综合设计上存在一定缺陷。车厂作业防护正线方向来电必须挂接6组地线，由于210、211、212硬横跨股道间亦未做绝缘处理，即使挂在210、211、212硬横跨左侧也至少得挂接4组地线，。但如果信号机设置地点与分段同时往洞口方向挪动，车厂作业防护正线来电只需挂接2组地线，大大减少作业量，提高作业效率。
2.2.3分段安装处于坡段，经受运营压力大
在实际运行中，分段宜安装在平坡、怠速区。分段绝缘器拉弧打火现象较为普遍，主要发生在车辆段的薄弱环节—出入段线[1]，一般来说，供电分区两端电压差、分段绝缘器安装和调节不标准，弓网关系不匹配，受电弓碳滑板磨耗异常、受电弓振动跟随性不良等原因都可能会引起分段绝缘器打火、主绝缘烧黑、导流板烧出铜瘤、严重时甚至会烧断导流板，引起严重的弓网事故。当分段安装位置处于坡段时，需保持导流板平行于轨平面，不便于安装调整和日常维护，特别是上坡加速取流大，车体和受电弓振动较大，更是容易发生瞬时离弓现象，而电压大于12V，电流大于100mA时，空气间隙之间就能产生电弧[2]，导致拉弧烧伤设备。下面将着重理论分析受电弓碳滑板磨耗导致出入段分段绝缘器打火的可能性。
七号线出入段使用AF分段绝缘器，由分段绝缘器本体、承力索绝缘元件及其连接、悬吊等配套零件等组成。将分段绝缘器安装位置允许偏差±50mm计入在内，受电弓经过分段绝缘器时，两者接触范围大概在0~±199mm附近。
七号线刚性接触网拉出值为之字值布置，拉出值决定了碳滑板经过定位点时与接触线接触的位置，因此，该拉出值分布图就是碳滑板与接触线接触的分布图，任意区间内的曲线长度即为该区间碳滑板产生接触的距离。因此分析曲线在不同区间的分布，即可得出受电弓碳滑板的磨耗是否均匀。通过excel得出一次函数回归方程，再通过该方程精确求出拉出值绝对值在（0，50），（50，100）（100，150）（150，200）的区间，通过此方法可以得出拉出值绝对值区间（0，50）（50，100）（100，150）（150，200）所占的距离分别为64.2，63.3，62.7，48，即绝对值区间（0，50）（50，100）（100，150）（150，200）的比值为5.35：5.275：5.225：4。因此碳滑板上四个区间的磨耗分布为5.35：5.275：5.225：4。可以看出，拉出值绝对值在（0，150）区间的磨耗较为均匀，区间内最大差值仅为2.4%（差值为（5.35-5.225/5.225=0.024）），但是，拉出值绝对值区间在（150，200）的磨耗较其他区间偏少，最大差值为33.5%（差值为（（5.35-4）/4=0.335）），因此，受电弓长期运行后的碳滑板形状为中间较低，极大可能在过分段绝缘器时造成拉弧打火甚至打弓的情况。
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3.1相邻正线供电方式优点分析
七号线出入段由靠近车辆段的正线牵引变电所—广州南牵引所供电，可以分别与上下行正线直接电气连通，形成一个供电区。此种设计简单实用，受施工环境局限小，工程造价低，不需设置独立断路器。
3.2相邻正线供电方式缺点分析
3.2.1 出入段分段绝缘器、绝缘结两端压差大
出入段分段位于供电臂的末端，距离广州南站牵引变电所2公里多，广州南供电臂末端比车辆段网压低，会在分段绝缘器两侧产生压差，当正线列车启动加速或上坡时，列车取流增加，网压降低，这个压差会更大。同时，分段正下方的绝缘结两端也存在压差，为了防止发生电弧造成对绝缘节回路的影响，七号线使用的NZDD1-3000单向导通装置设置晶闸管消弧装置，当列车通过绝缘节时，装置检测绝缘节的反向电压，当反向电压达到起弧电压时，触发晶闸管使之反向导通，列车通过绝缘节后晶闸管关断单导装置恢复正常工作。试验证明，NZDD1-3000单向导通能有效遏制绝缘节打火现象，但无法消除，运营至今，出段线已有一副绝缘节被烧毁。
3.2.2可能导致广州南残压威胁作业人员人身安全
由于出入段分段绝缘器安装在露天段，在潮湿环境下或者出入段分段绝缘器老化后，分段绝缘器绝缘性能的下降，夜晚广州南停电检修时，车辆段的电可能流窜至7A1/7B1区，导致广州南站接触网存在残压，威胁作业人员人身安全和设备安全。地铁行业内，广州地铁、深圳地铁都曾发生过分段绝缘器窜电现象。现以7B1区为例，假设出段线分段电阻为Ra，7B1区总电阻为Rb，7D5区总电阻为Rc，建立电路，理论分析车辆段7D5区的电如何通过出段线分段绝缘器流窜至7B1区，使7B1区在停电检修过程中面临残压的威胁。因接触网线路电阻相比Ra、Rb、Rc电阻极小，可以忽略，7D5区为柔性接触网，Rc等于n1个绝缘子并联，7B1区为刚性接触网，Rb等于n2个绝缘子并联，接触网系统通过各支持定位绝缘子与大地绝缘[3]。根据这个电路模型，可以算出当7D5不停电，7B1区停电时，Ra与Rb串联后与Rc并联，算出7B1区电压为1500×Rb÷﹙Ra+Rb﹚，即正线7B1区的电压取决于分段绝缘器和7B1区供电臂对地绝缘电阻。
通过这个电路模型，我们明显可以看出，在不同天气条件下，分段绝缘器的绝缘性能不同，Ra是个不稳定值，而7B1区因为是地下区段受雨天天气影响不大，Rb可以看作是恒定值。在干燥情况下，Ra远远大于Rb，7B1区残压很小，所以这种情况下基本不会出现验电有电的现象。在潮湿情况下和分段绝缘器老化绝缘性能下降的共同作用下，Ra变小，甚至会和Rb差不多一样大，这时7B1区的残压就可以达到几百伏级别，且残压只能减小，不能消除。深圳地铁1号线曾经做过实验，分段绝缘器主绝缘较脏污时，其清洁前后的绝缘性能相差达到2000多倍。
3.2.3影响正线行车安全，易扩大事故范围
若在运营中，一旦出入段线接触网发生短路，将导致与出入段处于同一供电臂内的正线区段失电，机车在此区段内无法运行，严重影响正线的正常运营。而出入段包括柔性接触网、刚柔过渡、刚性接触网，柔性接触网、刚柔过渡状态受环境和温度影响较大，是故障高发区，在此供电方式下，易扩大事故范围。
3.2.4运营检修灵活性差
出入段线在正常运营期间，无法进行检修作业，只能待车辆夜间停运后才能进行检修作业，该设置方式提高了运营检修工作劳动强度，灵活性较差[4]。
4.改进措施
针对以上所提到的种种弊端，结合现场实际，提出以下改造措施。
（1）受电弓磨耗不均匀是导致受电弓经过分段绝缘器等重点设备打火拉弧的主要原因之一。新线设计时，合理布置接触线的偏移值，使其分布密度服从正态分布规律[5]。
（2）加强分段绝缘器状态巡视及维护，对于特殊线路处的分段绝缘器，应综合考虑拉出值、曲坡度、受电弓磨耗规律等，合理控制其导高及平面参数。
（3）213、214、215硬横跨各股道间做绝缘处理，通过增加两个绝缘子的方式，可实现车厂作业防护正线来电只需挂接两组地线，提高作业效率。
（4）在大洲变电所容量允许的情况下，对出入段进行独立供电，使出入段构成独立分区。
（5）在洞口往正线方向，设置手动隔离开关，在正线残压过大的情况下，手动断开该隔离开关，可以大大增强正线区间绝缘电阻，同步削减该区间残压，保证施工人员施工安全和施工正常运行。或者在出入段洞口外设备发生短路故障时，手动断开该隔离开关，切除故障点，保证正线列车的正常运行。
（6）由于分段绝缘器难以杜绝打火拉弧现象，且是事故频发设备。在现有的运营线路中，刚性接触网绝缘锚段关节在运营过程中的撞弓拉弧、磨耗等状况都远远好于分段绝缘器，所以可以考虑将部分非绝缘锚段关节改为绝缘锚段关节来代替分段绝缘器。深圳2号线、福州铁路枢纽疏散区做了该类设计的变更，将原设计的分段绝缘器用绝缘锚段关节代替，从目前运行情况来看，效果非常好，导线磨耗低、拉弧轻，同时消除了供电分区之间的窜电现象[6]。实际施工设计过程中，笔者建议绝缘锚段关节设置在刚柔过渡往正线方向50~100m左右，既不离刚柔过渡过近，也不导致车厂范围太大，原分段绝缘器用普通接触线代替。甚至可考虑利用刚柔过渡进行绝缘分区，此种设计简单，施工难度低，但也存在一定风险，绝缘锚关存在电压差，运行过程中有打火现象，若是造成刚柔过渡烧伤、柔性接触线磨耗大，严重时需对锚段接触线进行整锚更换，导致后期维护工程量较大。
5.结论
七号线出入段接触网供电设计方面虽然在未出现事故前，能保证地铁的正常运营，但仍存在一些有待改善问题，由于各专业设计初期没有充分融合考虑到防雷、事故抢险、生产运营组织、专业接口等综合因素，导致问题解决存在不小难题。举例子来说，如果出入段雨棚设计高度足够，将分段绝缘器挪至平坡段的雨棚之内，将减少很多隐患的存在。同时，由于圆形隧道净空高度不足，洞口附近加设隔离开关的难度也较大。建议今后车辆段建设设计过程中，冗余设计的同时，各专业多沟通协调，在接口方面综合考虑，优化设计。
参考文献：
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[2]曾繁伟，地铁出入段线供电方式研究[J].电气工程与自动化，2017，12：24.
[3]邓世敬，广州地铁三号线3A6、3B6区接触网残压分析与削减措施 [J].科技展望，2016，05：136.
[4]秦建伟，朱星光，陈善乐，广州地铁3号线接触网供电分区改造优化设计[J]. 铁路通信信号工程技术，2015，12（06）：84.
[5]谭冬华，架空刚性接触悬挂弓网磨耗异常的解决办法[J].机电工程，2007，20（02）：88.
[6]钱余生，城轨接触网分段绝缘器故障分析与优化方案[J].机电工程，2013，26（02）：136.
论文作者:邓世敬
论文发表刊物:《防护工程》2018年第9期
论文发表时间:2018/9/7
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