庫內接觸網分束開關運行工況分析

　　摘要：本文分析了無人駕駛自動化場段庫內接觸網的運營維護需求，結合工程實際，提出接觸網分束開關的功能定位，進一步研究了庫內接觸網分束開關運行工況，分析了短路故障時開關設備的動作選擇性范圍及熱穩定性校驗；通過論證2種開關設備綜合技術性能，提出分束開關設備合理化選型建議。

　　關鍵詞：無人駕駛; 分束開關; 設備選型;

　　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

　　為適應城市軌道交通車輛段、停車場無人駕駛自動化運營需求，牽引供電系統在全自動無人駕駛區域內接觸網供電分束比非自動化運營方式做出較大調整。目前，主要以北京軌道交通工程方案為代表，采用停車列檢庫內、外進行分開單獨供電，庫內前后列位也分開單獨供電；庫內細化供電分束，將單個股道1列位或相鄰2股道各1列位設置為一小束進行供電分配，并為每個小供電分束配置開關設備以實現獨立操作。

　　接觸網供電分束開關設備可選擇直流斷路器和直流接觸器2種類型。但2種設備在主要技術參數、設計結構、操作性能、設備造價等方面差異較大，需要結合場段直流牽引供電系統特點進行研究論證，以確定合理選型。

　　1 場段內直流牽引供電系統接線方案

　　場段內牽引變電所饋線直流斷路器柜通過電纜接至庫內總的電動隔離開關，再由電動隔離開關和各分束開關向庫內各股道供電，庫內每2股道配1臺分束開關。場段內直流牽引供電系統接線方案見圖1。

　　庫內外、庫內前后列位每股道的接觸網連接處設電分段，庫內供電分段示意見圖2。

　　
圖1 場段內直流牽引供電系統接線方案   

　　圖2 庫內供電分段示意圖   

　　2 接觸網分束供電開關的功能定位

　　庫內設置的接觸網分束供電開關主要為了實現以下功能：

　　(1）正常情況下可以帶負荷操作，使庫內每股道單獨停、送電進行作業，而不需要操作牽引變電所饋線斷路器，減小停、送電范圍；

　　(2）庫內設置緊急分閘按鈕，當出現人員觸電等緊急情況時，可通過緊急分閘按鈕使分束開關分閘，使庫內接觸網停電。

　　針對上述功能，結合牽引供電系統運行需求，對接觸網分束開關的要求如下：（1）能承載正常的負荷電流；（2）能開斷正常負荷電流或較小過載電流；（3）故障狀態下能與變電所饋線斷路器進行選擇性分閘，減小事故范圍；（4）具備承受一定時間庫內短路電流的能力。

　　3 庫內接觸網分束開關運行工況分析

　　3.1 正常運行工況下的負荷電流分析

　　車輛段/停車場庫內采用分束供電，3～5個股道為一束，每個供電分束的直流電源由牽引變電所饋線直流斷路器通過直流電纜接至庫內電動隔離開關，再利用直流母線將電源通過分束開關向庫內各股道接觸網供電。

　　若每個供電開關負責2個股道各1列位，承載的正常最大負荷電流約為1 400 A。供電開關可帶負荷操作，使庫內每股道單獨停、送電進行作業。

　　3.2 故障情況下的短路電流分析

　　當庫內接觸網對鋼軌短路故障時，庫內和牽引變電所鋼軌電位限制裝置均動作，短路電流通過大地流回變電所。短路故障時直流側系統等效模型見圖3。
 

　　圖3 短路故障時直流側系統等效模型   

　　注：UN為直流電源；ZZN為整流機組等效內阻；ZXL1為直流饋線電纜的直流電阻；ZXL2為分束開關至接觸網間直流電纜的直流電阻；ZCW為庫內接觸網電阻。

　　場段內以采用DC 1 500 V牽引供電系統為例，牽引變電所單臺整流變壓器容量按2 750 k V·A，饋線采用4根400 mm2電纜并聯供電，長度大約為200m；分束開關至庫內接觸網間采用2根400 mm2電纜并聯供電，長度約為80 m，直流電纜單位長度直流電阻約為0.05Ω/km；計算穩態短路電流為19.26 k A。牽引變電所2臺整流變壓器并列運行時，流過饋線的短路電流為38.52 k A。

　　4 短路故障時開關設備的動作范圍及熱穩定分析

　　4.1 開關設備的動作選擇性分析

　　4.1.1 設置直流斷路器時的動作選擇性分析

　　分束開關采用直流斷路器時，直流斷路器額定電流通常采用4 000 A，斷路器本體配置大電流脫扣保護，保護整定值范圍為4～12 k A。對應變電所饋線直流斷路器大電流脫扣保護整定值一般為6～8 k A。

　　當庫內接觸網發生短路故障時，根據上述短路電流計算結果，變電所饋線斷路器和分束斷路器均可能動作。實際使用時，分束供電斷路器的大電流脫扣保護按最大整定值設置，也因為無法實現分束斷路器選擇性動作。

　　4.1.2 設置直流接觸器時的動作選擇性分析

　　分束開關若采用直流接觸器，目前市場上直流接觸器的額定電流一般為1 400～1 800 A。直流接觸器本體不配置保護，當庫內接觸網發生短路故障時，變電所饋線斷路器分閘。

　　從上述分析可見，無論是設置直流斷路器還是直流接觸器，庫內接觸網發生短路故障時，變電所饋線斷路器均動作，二者引起的故障停電范圍一致。

　　4.2 開關設備的熱穩定校驗

　　庫內接觸網發生短路故障時，考慮變電所饋線直流斷路器大電流脫扣保護動作時間、斷路器的分閘時間，分束開關短時耐受電流取短路穩態計算電流，則分束開關的短時耐受應滿足40 k A/100 ms（等效能量I2t=75.7 MA2·s）。

　　對于DC 1 500 V直流斷路器，其配備本體大電流脫扣保護，較大短路電流下，可在20 ms之內全分斷，斷路器不需考慮短時耐受能力的要求。

　　直流接觸器按TB/T 2767-2010《機車車輛用直流接觸器》規定，對于額定電流1 000 A的接觸器，其短時耐受可按20 k A/1s（等效能量I2t=400MA2·s）考慮。根據GB/T 14048.4-2010《低壓開關設備和控制設備第4.1部分：接觸器和電動機啟動器》規定，對于額定電流1 000 A的接觸器，其短時耐受可按6 k A/1s（等效能量I2t=360 MA2·s）考慮。

　　目前，TCZM-920型直流接觸器的額定短時耐受為20 k A/5ms（等效能量I2t=2 MA2·s);BMS型直流接觸器的額定短時耐受為15 k A/100 ms（等效能量I2t=22.5 MA2·s）；意大利MS公司1 250 Type 1型直流接觸器的額定短時耐受為17.6 k A/250 ms（等效能量I2t=77.4 MA2·s），均無法滿足熱穩定性能要求。德國HOMA Type G1400型直流接觸器的額定短時耐受為50 k A/200 ms（等效能量I2t=500MA2·s），能夠滿足熱穩定性能要求。

　　5 開關設備綜合對比分析

　　接觸網分束開關分別采用直流斷路器和直流接觸器時，設備關鍵性能參數綜合對比分析見表1。

　　表1 關鍵性能參數綜合對比     

　　6 結語

　　綜上所述，直流斷路器和直流接觸器作為接觸網分束開關設備，均能關合和開斷正常負荷電流，以及短時耐受庫內接觸網短路故障時的短路電流。但是，直流接觸器較直流斷路器而言，具有結構簡單、電氣和機械壽命長、運營維護工作量少、工程應用更簡便、整體投資可減少一半以上等特點。在無人駕駛線路的車輛段、停車場庫內，對于實現分束獨立停、送電操作需求，直流接觸器方案是更好的選擇，且建議結合工程實際進一步核驗關鍵技術參數以確定合理選型。

　　參考文獻

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