天津地铁2、3号线接触轨系统的设计特点及特殊站迷流防护、综合接地的设计方案

电力/电气化
收稿日期:2009-07-20;修回日期:2009-08-04作者简介:沙宪朱(1955 ),男,工程师。

天津地铁2、3号线接触轨系统的设计特点及特殊站迷流防护、综合接地的设计方案
沙宪朱
(铁道第三勘察设计院集团有限公司电化电信处,天津 300251)
摘 要:分析天津地铁1号线接触轨采用DC750V 上部受流方式的不足,通过优化设计,地铁2、3号线采用了DC750V 接触轨下部受流方式后解决了存在的问题,提高了接触轨的机电性能、运营的安全可靠性。

通过各单元列车保护开关的改进,延长了车内照明灯具的使用寿命。

通过调查研究,对特殊地下站迷流防护和综合接地的设计进行优化,达到了技术可行,减少土建事故风险及降低投资的目的。

关键词:天津地铁2、3号线;接触轨设计特点;迷流防护;综合接地
中图分类号:U 231+ 8 文献标识码:A 文章编号:1004-2954(2009)11-0124-03
1 既有地铁1号线接触轨设计及存在问题
天津地铁1号线线路全长为26 553km,其中:地下线15 397km (既有地下线路7 388km,新建地下线
路8 009k m ),高架线路9 408km,地面线路1 385km,过渡段0 363k m 。

新建地铁与国铁联络线0 741km 。

全线共设车站22座,其中地下车站13座(含既有改建站7座)、高架车站8座、地面车站1座,在双林设车辆段1处,在刘园设停车场1处。

该线于2004年8月正式试运营,根据既有7 4km 地铁的供电模式,接触轨仍采用了直流750V 上部受流方式,并采用了由西班牙贷款的西门子进口钢铝复合接触轨。

1 1 由于正线单元列车间保护开关断开,造成车厢瞬间失电
天津地铁1号线车辆编组为(远期)Tc +M +T+M +M +Tc ,每一个单元(M +T)编组内的直流高压母线回路是贯通的,单元列车间的直流高压母线电器主回路通过B H B 保护开关连通,形成了3组单元列车的串联,但在机车运行速度小于5k m /h 时或机车监测到短路故障时B HB 会自动断开。

此时,单元列车之间的直流高压母线回路是断开的,而每一组单元列车前后集电靴的最远间距为32 12m,根据接触轨的设计原则,在正线的电分段处、道岔处、平交道口处、场段内道岔处等设置接触轨断口,由于线路及道岔的形式不同,接触轨的断口长度也不同,在以下几种情况下会产生
机车不能正常取流而瞬间失电现象。

(1)单独大断口或连续断口形成的大断口,即断口长度大于32 12m 。

(2)连续断口,断口间有短段接触轨,但短段接触轨长度小于单元内集电靴的间距( 19 52m 或 12 6m ),致使一个车辆单元的3组或4组集电靴落在不同断口里,无法取电。

(3)正线间单开渡线。

对于1/9道岔而言,当线间距 5 0m 时,在渡线上可以布置一段短接触轨,这样形成的两个断口不会大于32 12m;当线间距<5 0m 时,在渡线上无法布置接触轨,这样就形成大断口(即大于32 12m ),当机车经过渡线时,落在其中的车辆单元就无法取电。

(4)正线间及出入段线间的交叉渡线。

(5)场段内连续道岔间形成的接触轨断口。

场段内道岔繁多,受线路条件、信号机位置、平交道等限制,接触轨的断口形式也越趋复杂,一个单元车辆的全部集电靴落在一个断口内或一组单元车辆的2个集电靴分别落在2个断口内,都会造成车厢内的瞬间失电,虽然对旅客没有视觉上感觉,这样长期运行会对车载灯具的使用寿命带来不利影响。

1 2 地面接触轨防护罩出现拱起和断裂现象地铁1号线接触轨防护罩的支架是安装在接触轨上,特别是在膨胀接头处,当地面接触轨和防护罩受温度变化时,由于防护罩和接触轨的材质受温度变化而产生的延伸率不同,造成了防护罩出现了拱起的现象,严重的造成了防护罩的损坏和支架的断裂。

该问题在北京、天津地铁曾多次发生。

1 3 受气候影响大
接触轨表面的附着物对机车的良好取流及靴、轨摩擦的使用寿命有一定影响。

2 地铁2、3号线接触轨的设计优化
天津地铁2号线自曹庄站至李明庄站线路全长22 657km ,其中地下线21 641km,敞开段及地面线1 017k m 。

全线设站19座,其中地下站17座、半地下站1座、地面站1座。

全线共设置牵引、降压混合变电所13座,其中正线11座,车辆段和停车场各1座。

其他各站设降压变电所8座。

部分车站及场、段内根据
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用电负荷设跟随式降压变电所7座。

天津地铁3号线自华苑产业园区至小淀站线路全长29 6k m,其中地下线22km,高架线6 5km 。

全线设站19座,全线共设车站22座,其中地下站17座、高架站4座、地面站1座。

全线共设置牵引、降压混合变电所16座,其中正线14座,车辆段和停车场各1座。

接触轨采用钢铝复合轨。

2 1 接触轨采用下部受流方式及它的优越性
接触轨的受流是通过与机车受电靴的紧密接触,将电能传送给机车保证了机车的正常运行。

接触轨的受流方式通常有3种接触方式,即上部受流、下部受流和侧部受流。

但大多采用的是上、下部两种受流方式。

上、下部受流方式在国外的许多地铁线路均有采用,国内广州地铁4号线和武汉地铁1号线均采用了下部受流方式,北京地铁既有线及新线都采用了上部受流方式。

天津地铁1号线由于受既有地下段7 4km 接触轨安装形式的限制,仍延用了接触轨上部受流方式。

这两种接触方式从供电及运营角度都能满足设计和运营要求,但下部受流方式从安全性、适用性等方面比上部受流具有以下优点。

(1)提高了人身安全程度。

特别是在场段内及库内检修人员经常流动的场所,采用了3/4封闭式的接触轨防护罩,而上部受流方式接触轨的防护罩只封闭了1/2,避免了人员横跨接触轨或在轨旁进行其他作业时发生触电和带来的恐慌,因此提高了人的安全感(图1)。

图1 整体道床接触轨下部受流示意(单位:mm )
(2)受气候条件变化的影响小。

由于封闭性好,防恶劣天气的积雪覆冰的能力强,减少了露天接触轨在雨雪天气时个别造成接触轨短路的现象发生。

由于机车在运行中会扬起灰尘和杂物,采用下部受流,这些灰尘和杂物就不易落到接触轨表面,因此提高了机车受流质量及集电靴和接触轨的使用寿命,减少了靴 轨之间的磨耗,保证了机车的正常运营和运营的安全。

(3)安装结构简单,维修工作量小。

上部受流时支撑接触轨绝缘子与防护罩支架是分别设置的两个元件,在以往的运营维护中,经常发生绝缘子被损坏从而
造成绝缘子的更换。

由于下部受流方式的绝缘器件与
悬挂支架合为一体而远离线路侧,从而减少了维修工作量,降低了运营成本。

(4)防止了防护罩的损坏。

由于接触轨下接触方式的防护罩支撑架和接触轨支撑架合为一体并安装在道床上,而且在支撑点处防护罩的搭接充分考虑防护罩温度变化的伸缩,这样防护罩和接触轨可以随温度变化各自自由伸缩,克服了上接触方式存在的不足。

由于天津地铁1号线与在建的2、3号线在线路上不存在平面相交及车辆互跑问题,所以采用下部受流方式从设计优化和使用功能上是切实可行的。

2 2 正线单元列车间保护开关常闭,保证了车厢的连续受电
天津地铁2、3号线初、近、远期的机车均为6节编组(Tc+M +T+M +M +T c),单元列车间的直流高压母线电器主回路仍采用B H B 保护开关连通方式。

通过对既有地铁1号线接触轨的断轨布置及对车辆照明的研究分析,避免1号线在机车运行速度小于5km /h 时B HB 会自动断开后,在接触轨断口大于每一组单元列车前后集电靴的最远间距为32 12m 时,对该单元车产生的失电现象,通过车辆招标前接触轨专业的技术澄清及招标后与中标厂商的设计联络,最终确定机车在正线运行时取消B H B 自动断开模式。

机车运行到场段内时,由于车速较低,根据运营检修要求可手动操作B H B 开关,从而保证了给机车供电的连续性。

2 3 接触轨在地下区段改为在行车方向的右侧布置
地下正线接触轨一般是布置在机车前进方向的左侧,但天津地铁2、3号线为满足在区间发生火灾旅客紧急疏散的要求,在区间机车前进方向的左侧设置了紧急疏散平台,这样疏散平台、中压环网及接触轨就布置在了同一侧。

疏散平台的高度距轨面为1050mm,因此强电的中压环网电缆支架就只能安装在疏散平台下方,与接触轨的安装位置发生干扰。

在区间综合管线布置时,充分考虑了接触轨的左右布置对限界、运营安全、水管漏水会对带电接触轨产生的影响、接触轨本
身的安装难易等影响,最终放在了机车前进方向的右侧。

由于车站内接触轨的布置一般在站台的对侧,这样区间与车站的接触轨与接触轨的隧道开关柜都布置在了同一侧,即解决了疏散平台、电缆支架及接触轨之间的干扰,又节省了接触轨上网电缆过轨穿管的土建预留工作量和减少了接触轨上网电缆的敷设,而且减少了接触轨在区间联络通道处的断开点,从土建工程、电器安装及节省投资等方面都是有益的。

2 4 根据车辆限界调整接触轨侧面限界
根据 地铁限界标准 (C JJ96 2003)规定,B1型车当采用接触轨下部受流时,接触轨中心线距相邻走
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行轨内侧面距离为(633 5 8)mm,接触轨面高度为(160 6)mm。

另根据 地铁设计规范 (GB50157 2003)限界一节中规定,B1型车当采用接触轨下部受流时,受流器端部距车体横向中心距离为1440mm(即受流器轮廓线)。

车辆在接触轨安装高度处的车辆限界为1308mm。

在与车辆中标厂商进行设计联络时发现,采用下部受流时接触轨中心线距相邻走行轨内侧面距离为(633 5 8)mm,数值偏小。

因为按照该值计算线路中心到接触轨的中心为1351mm,下部受流方式接触轨防护罩靠近线路侧的边缘距接触轨中心约85mm, 1351mm-85mm=1266mm,侵入车辆限界42mm。

另外,机车受流器处的车辆限界值是1494mm,与1351mm相比长出了143mm,这样机车受流器向支架方向探出接触轨较多,也影响了绝缘支架的安装。

为了保证车辆的行车安全,接触轨的安装不侵入车辆限界,将规范中要求的接触轨中心线距相邻走行轨内侧面距离的(633 5 8)mm调整为(700 5)mm。

3 特殊车站结构迷流防护的设计方式
一般地铁地下车站的杂散电流防护通常的设计方法是在整体道床下方设置主排流网,车站的结构钢筋作为辅助排流网,而这样设计是基于车站的主体结构钢筋与设备接地是相互绝缘的。

另外,为满足车站强、弱电及金属管线的安全接地,在车站主体结构下方0 6m处设置了人工综合接地网,其接地电阻应不大于0 5 。

天津地铁3号线的和平路站、解放北路站是两个地下站。

由于受地面商业开发的整体规划影响,在地铁车站顶板的上方后期建高楼,所以地铁的柱网结构钢筋要预留与地面建筑主体结构连接的条件,这就使地铁的主体结构钢筋与地面建筑的结构钢筋连通为一个整体。

由于地面高层建筑有防雷要求,楼内设备也需要利用结构钢筋做为综合接地体,因此,地铁的结构钢筋就成为了永久性的自然接地体。

这样就和防迷流专业利用结构钢筋做为辅助排流网发生了冲突。

根据地铁设计规范的要求 当杂散电流腐蚀防护与接地有矛盾时应以接地安全为主 ,根据这一原则结合专家的审查意见,最后的设计方案是,利用两站的地下主体结构钢筋做接地装置,将两站的主体结构钢筋与相邻区间隧道段电气断开,车站的主体结构钢筋可不做为辅助排流网,但要设置必要的杂散电流防护检测,将监测信号传至控制中心。

预留排流端子,随时投入排流设备。

4 地下车站综合接地的埋设深度
车站综合接地网的设置在 交流电气装置的接地 (DL/T621 1997)、 电气装置安装工程接地装置施工及验收规范 (GB50169 92)都做了规定:接地网的埋设深度不宜小于0 6m。

其目的就是接地导体埋设在较深的土层中能接触到良导电性土壤,其释放电流的效果好,接地导体埋设越深,土壤的温度和湿度的变化就越小,接地电阻越稳定。

根据这一统一规定,目前国内已建成的或在建的城市地铁轨道交通项目,地下车站的综合接地网的埋设深度也基本都按照这一要求做设计。

根据各城市的地质情况不同,其土壤电阻率的大小也不同,这就需要根据不同的地质和土壤情况确定综合接地体的埋设深度。

根据天津地区的地质情况,地下站接地的土壤电阻率小,接地条件良好。

同时,结合天津地铁3号线小树林地下站结构底板下基坑开挖再降水可能会引起基坑及周边地质情况变化的不利因素,为减少施工风险同时结合规范中该条款的严格性,认为地下车站的综合接地网的埋设深度在不宜小于0 6m的基础上可以适当减小,具体减少多少视各站的地质情况而定,但水平和垂直接地体都必须置于土壤中,且实测满足接地电阻的要求。

目前,部分地下站的综合接地的埋深已按小于0 6m进行实施,达到了技术可行,减少土建事故风险及降低投资的目的。

5 结语
天津地铁2、3号线接触轨的设计,通过不断的方案优化,解决了1号线由于采用上部受流方式接触轨存在的缺陷和不足,采用下部受流方式接触轨供电,大大提高了接触轨的机电性能及运营的安全可靠性。

同时正在研究在今后的地铁线路上采用直流1500V接触轨供电的可行性。

对特殊结构地铁车站的迷流防护及地下车站综合接地,从设计理念上也有了新的理解和认识。

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