枢纽地区关节式电分段设置方案研究

电气化铁路通常采用同相单边供电方式，为保证供电的可靠性、灵活性和独立性，便于故障时缩小停电范围和有利于快速抢修，对同一牵引母线供电范围的接触网按照有关要求实施“条、块分割”，形成若干供电分区，相邻的供电分区则由关节或绝缘器件式电分段实现电气隔离，在枢纽地区尤为常见。

由于电分段两侧供电分区的电气参数不同及列车负荷的不均衡性，电分段两端总是存在一定的电压差，且其幅值大小在一定范围内变化波动。近年来，关节式电分段处拉弧现象偶有发生，对接触网的安全运行造成了不利影响。

1　电弧产生原因

在关节式电分段区域，受电弓由只与接触悬挂工作支接触，过渡到同时与工作支和非工作支接触，即进入等高区域或同时接触区域，然后受电弓脱离非工作支，又只与工作支接触，过程中受电弓持续取流，但电流来至电分段两侧不同的供电分区。在受电弓进入、离开非工作支瞬间，受电弓滑板与非工作支接触线之间形成的气隙在满足生弧电压和生弧电流条件时，则会产生电弧，见图1。

图1　受电弓滑板经过绝缘锚段关节时的示意图

受电弓滑板经过电分段的过程，可比电气开关的开合过程。根据相关研究成果，在大气中开断的电流超过0.25～1A，断开后加在触头上的电压超过12～20V，则在触头间隙中通常会产生一团温度极高、发出强光和能够导电的近似圆柱形的气体，即电弧。产生电弧的最小电流如果小于一定数值，则开断时只能产生为时极短的弧光放电，通常称为火花。电弧的中间部分叫弧柱，弧柱贴近电极的部分叫弧根。弧柱具有6000K以上的温度，任何材料与之长时间接触皆将气化。弧柱向周围介质散热的方式有传导、对流和辐射等三种。

供电线、接触网都存在阻抗，负载电流通过则产生电压降。列车是移动的负载，不同供电回路的电气参数、相邻供电分区内负载的大小、列车运行的工况（牵引、惰行、再生制动、停车自用电）具有非常大的随机性，导致电分段两端总是存在电位差，通常受电弓通过电分段大都有电弧产生。另外，当受电弓滑板同时接触关节式电分段两工作支时，除了垂直方向取得电流供本车使用以外，滑板接通了电分段两侧的供电分区，滑板起到了“电连接”的作用，在水平方向通过滑板从轻负载分区向重负载分区传输功率（电流）。这种情况下，受电弓进入、离开电分段的产生的电弧更加剧烈。

架空接触网阻抗约0.17～0.241Ω/km，100A牵引电流在1 km接触网就产生17～24V的电压降，已经达到了起弧条件。馈线上网的供电线和接触网长度、本车的电流及滑板水平方向传输电流的大小决定着电弧的强度。

此外，能够影响电弧的产生、持续以及熄灭的因素，包括空气温度、湿度、洁净度、风速及列车操纵情况（列车速度、取流大小）等。

由上可知，电分段两端的电位差越大，受电弓滑板通过时则越容易产生电弧；生成的电弧电流越大，则电弧越不容易熄灭。要控制甚至不产生电弧，可从三方面入手：其一，减少电压差；其二，减少受电弓滑板水平方向、垂直方向电流；其三，完全隔离（如电分相）。

2　供电方案优化

由于牵引供电系统自身特点，同时为提高供电的可靠性和灵活性，缩小事故停电范围，接触网在电气方面设计成互相独立的不同供电分区。接触网供电分区是通过电分段实现的，供电分区可通过开关实现电气隔离或连通。电分段一般分为纵向电分段和横向电分段。

2.1　纵向电分段

接触网沿线路方向所进行的电气分段称为纵向电分段，如在牵引变电所、分区所出口设置的电分相以及在车站和区间衔接等处设置的绝缘关节。对于大型建筑物（如长大隧道、大跨度特殊桥梁等）处的接触网，应设置纵向电气分段，便于事故时人员疏散与抢修。高速铁路采用AT供电时，AT所附近应设置绝缘关节实现接触网的纵向分段，缩小事故停电范围。

2.2　横向电分段

线路或线群间，特殊、重要股道及场段与其它股道、场段间进行的分段称为横向电分段，通常用分束供电和单独分段来进行描述。

2.3　供电分区划分原则

站场横向电分段处即使设置隔离开关，一般情况下也处于打开状态。从前面案例和机理分析可知，受电弓通过电分段产生电弧是必然，区别仅在于电弧的大小及持续的时间。因此在供电分区划分时要充分考虑以下原则：

（1）应尽可能减少供电分区数量，即减少电分段的设置数量，既要充分考虑供电的独立性和灵活性，也要考虑供电分区划分的合理性、经济性及运行的安全可靠性。

（2）应根据场段及股道的性质与功能、列车进路设置情况以及主用和备用电源接引条件等合理划分供电分区。

（3）从电源侧电气参数基本一致方面考虑，动车运用所、动车段等场、段、所等与其相连的机走线、联络线等，宜采用同开闭所的同母线供电。

（4）尽量均衡电分段两侧供电分区的供电范围，避免受电弓过电分段时，有较大的穿越电流经滑板传输。

3　电分段位置选择

电分段位置在选择时需考虑两端电压差、线路坡度、列车通过速度等因素，宜按以下原则确定：

（1）电分段位置的选择应使其两侧的电压差满足相应设备耐压水平的要求，并能通过相应的安全评估。

（2）电分段位置选择应考虑其两侧负荷的均匀性，尽量避免或减少两侧供电分区的穿越电流。

（3）电分段位置应避免选择在列车加速区段，同时行驶速度不低于40km/h。

（4）电分段与信号机间距问题，国内仅有《铁路电力牵引供电设计规范》（TB10009-2016）做出相关规定：“绝缘锚段关节的位置可不受站场信号机位置的限制，但其转换柱的位置应设在最外道岔岔尖50m以外”。实际上普通铁路存在多机牵引，高铁存在双列联挂或不同型号的长编（16节）双弓动车组，要保证安全，必须掌握列车停车时受电弓不得短接绝缘锚段的两支接触网，并确保受电弓与非支之间有足够的空气距离。

4　关节式电分段设置方案

电分段有绝缘关节、分段绝缘器及电分相等型式，绝缘关节、分段绝缘器用于同相电气回路的电气分段；电分相一般用于不同相电气回路的电气隔离，其型式有器件式和锚段关节式之分。采用分段绝缘器时，分段绝缘器应带消弧装置，同时为避免消弧装置对承力索灼烧，应增加预绞丝对承力索进行防护。电分段的型式选择应遵循以下原则：

（1）在非动车进路上，时速不大于120km/h线路，原则上采用分段绝缘器作为电分段。

（2）在动车进路上，行驶速度不大于80km/h的直线区段，可设置分段绝缘器。

（3）动车走行线上设有踏面诊断，靠近踏面诊断棚侧设置分段绝缘器。

为使机车能快速通过绝缘锚段关节式电分段的时间，减少燃弧现象，绝缘锚段关节式电分段可结合速度及导线张力等确定，并缩短转换柱跨距，推荐绝缘锚段关节布置方案见表1。

表1　绝缘锚段关节布置方案

5　结论

锚段关节式电分段电弧是综合性问题，应从优化供电方案，电分段的位置、型式及布置方案等方面入手进行解决。目前该方案实施后，现场反馈效果良好。

对于新建高铁线路，建议在联调联试期间和运行初期重点关注电分段的运行工况，若发现存在危害运营安全的燃弧现象应进行及时整改。对于受电弓单双滑板与不同型式锚段关节的适应性问题，建议在运营过程中密切观察，积累经验，为进一步研究选择合理的匹配关系奠定基础。

参考文献

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[7]吴积钦．受电弓与接触网系统[M]．成都：西南交通大学出版社，2010.

基金项目：中国铁路设计集团有限公司科研课题“电气化铁路锚段关节式电分段电弧产生机理及工程控制措施研究”（7217139）。

（作者系中国铁路设计集团有限公司工程师）