地铁接触网热过负荷保护的定值匹配
邓育健
(广州地铁集团有限公司，广东广州510000)
摘要：接触网热过负荷保护为地铁牵引供电特有的过载保护。现从接触网材料特性和温升计算出发，阐述了该保护定值设定的原 则，并结合实际的运行情况，提出了现接触网导线热过负荷保护的定值修正方案。
关键词：地铁牵引供电；接触网；热过负荷保护
1接触网热过负荷保护的特性
国内地铁直流牵引主要采用接触网和接触轨两种形式，供电制式常为DC 1 500 V。接触网又分为刚性结构和柔性结 构，在地下区段一般采用刚性接触网；而在地面或者髙架区段 一般采用柔性接触网。接触轨也分为低碳钢接触轨和钢铝复 合接触轨，钢铝复合接触轨因其传输电流大、重量轻、安装 方便而得到广泛应用。刚性接触网主要由接触线和汇流排构 成电流的传输载体。按照业内标准，汇流排允许持续运行的 温度应不大于85 X：，短时最髙温度不大于120 ’C。规范TB/T 2809—2005《电气化铁道用铜及铜合金接触线》要求，接触线 持续运行允许的温度不大于95 °C，短时最高温度不大于150°C。柔性接触网主要由接触线及承力索等构成。规范TB/T2809— 2005《电气化铁道用铜及铜合金接触线》、TB/T 3111_2005
《电气化铁道用铜及铜合金绞线》要求：接触线、承力索等铜绞 线持续运行温度不大于95 °C，短时最高温度不大于150’C。钢 铝复合接触轨按照相关行业标准，在最高环境温度40°C的情 况下，接触轨最大允许温升为45 K。因此，对于刚性接触网和 接触轨可按照持续运行的最高温度条件85 ’C来考虑，即当最 高环境温度在40°C的情况下，刚性接触网(接触轨)温升不大 于45 K。对于柔性接触网，在最高环境温度4(T C的情况下，柔 性接触网温升不大于55 K。
对于刚性接触网而言，汇流排和接触线共同构成导体传 输电能，接触网温度上升一方面将有可能导致其抗拉强度下 降，尤其是在接触网导线张力较大的线路上，严重时会造成接 触网故障，影响列车运行，是一个潜在的不安全因素；另一方 面强度下降有可能会增加磨耗，不利于设备长时间运行。因此，在现代的轨道交通直流牵引系统中会设置接触网热过负 荷保护。
广州地铁二、八号线的接触网热过负荷保护基于电流的 热效应及材料的比热容进行计算，保护装置采用实时电流值计 算出接触网的理论温升，当温升到达整定值时触发保护跳闸。
设温升为0，在单位时间f内，导体的温升与发热功率的关 系如式(1)所示：
Qdl^mc d ff^-aS9dt(1)式中,^为导体的发热功率(W);m为该物体重量(kg);c为导体 的比热容[J/(kg*'0]，即1kg物质温度升高1 -C所需热量(J); a为散热系数，即导体在单位面积、单位温差下的散热功率 [WAm2,a C)L S为导体的冷却表面积(m2)。
由式(1)解微分方程得式(2):
8=^ X (l-e〇m)+0〇 eo~ =61. X ()+0〇 e T⑵
其中，设t为导体发热时间常数,p m c/oS;&为导体的发
热功率0保持不变时，时间趋于无穷时导体的稳定温升，在文 献[5]中己验证此公式与广州地铁二、八号线热过负荷保护的 运算模型匹配，本文在此基础上展开讨论。
2接触网热过负荷保护动作的情况
自实施大小交路以来，广州地铁二号线的部分站点每年 平均会出现3〜5次接触网热过负荷报警，均未发生跳闸出口。而在出现报警时，结合列车行车图信息，此部分站点对应的区 间在同一时间内存在多辆列车同时取流的情况，即报警是由 上班早高峰期多辆列车同时启动取流过大导致的。在行车组 织上，已尽量避免多台列车同时启动的情况，但因热过负荷的 计算为大惯性量，其恢复时间较长，在车次较密的情况下仍有 可能触发。
3接触网计算数据及分析
广州地铁二、八号线旧线接触网热过负荷保护的参数为 接触网阻抗兄=0.014 32 mft/m，比热常数/f,=2.9
3 KTn/kJ，导 体发热时间常数t,=300 s，报警温度7；=63 X：，跳闸温度7；=75 t：，环境温度7>4(r C。
機細•要求，地铁汇流排比热容S C fO^XlO3J/(kg."C)，汇流排截面积为Sif=2 214 mm2，单位质量为m H=6.0 kg/m，汇流 排常温下电阻率小于Pi^O.032 接触线比热容为
C尸0.39X103J/(kg.•0，接触线截面积为S H50 mm2，单位质量 为mj=1.082 kg/m，接触线常温下电阻率小于pj=0.017 7 f l，mm2/m»按此数据换算成保护装置的设定值，可得汇流排阻抗为
S h=0.014 5 mft/m，汇流排比热常数.CfO.189 K.m/kJ；接触线阻抗为mfl/m，接触线比热常数私=1/%•C尸2.37 K-m/kJ。
在不考虑接触电阻时，接触线与汇流排的并联阻抗为
0.012 9 mll/m，与整定飢=0.014 32 mft/m相当。而整定值的 比热常数tf,=2.93 K*m/kJ比接触线的拓=2.37 K"m/kJ略大，却 远大于汇流排/fa=0.189 K_m/kJ。比热常数的定义为1m长的 导体在不散热的情况下增加1kJ的能量会上升多少开氏度，数 值越小代表在同样的电流热效应下温升越小。考虑到汇流排 的电阻远小于接触线，实际上电流主要在汇流排上传输，因此 电流的热效应也主要集中在汇流排上，在设定保护装置的整 定值时，宜参照汇流排的参数进行整定。若将整定值的比热常 数调整为0.189 即有式(2)中的me为原来的15.5倍，而
刚性接触网的散热面积约为柔性接触网的7倍，铜的导热率为376.8 W/ C m«K)，招合金的导热率为135 W/ C m«K)，即有式⑵中 的oS为原来的2.5倍，（下转第123页）
隧道交通工程设计规范》相关规定，采用集中式供电方案，能 够有效提升供配电效果，减少电力资源的浪费。该特长隧道工程沿线供电点设置如表1所示。
表1特长隧道沿线供电点设置位置
编号隧道名称供电点位置
1丁家湾1号險道
10 kV变电所为前后隧道供电
2丁家湾2号隧道
10 kV变电所为前后隧道供电
3田家岭隧道
10 kV洞外变电所
4侯神岭1号隧道
10 kV变电所为前后隧道供电
5侯神岭2号隧道
10kV洞内箱变2处
远期地下风机房变电所1座
6西务隧道
10 kV变电所为前后隧道供电
7杏树坪隧道
通过计算可知，在侯神岭隧道中采用集中式供电，能够保 证全射流风机更加可靠地运行，提升全射流风机的通风性能。为保证特长隧道供配电系统方案得到更好的实施，设计人员 要结合JTG D70—2004《公路隧道设计规范》中的相关规定，明确隧道供电接线方式，并结合该隧道工程地形地貌特点，采用 高压供电主接线方式进行供电，有效减少电力资源的损耗[6]。另外，由于太岳山隧道为特长隧道，属于
事故易发地区，为保 证隧道运营正常和人员安全，拟在隧道出口与入口端各设置一处隧道救援站，作为第三梯队救援力量。
采用集中式供电方式，由于变电站与隧道洞口之间的距 离较小，洞内外的温度差异较小，具有良好的通透性，能保证 各设备更加稳定地运行。另外，集中式供电变电站与隧道内部 车道之间的距离较大，温度、湿度更加容易控制，电力设备受 外界环境影响较小，进一步提升了各项配电设备的稳定性。
4结语
综上，通过详细分析集中式与分散式供电方案，能够保证 特长隧道机电工程供配电系统方案得到更好的实施。对于特 长隧道供电设计人员来讲，在实际工作中，要根据隧道工程的 实际施工情况，选择合理的设计方案，不断提升隧道供配电系 统的可靠性。
[参考文献]
[1]刘斌德.特长隧道供配电系统方案的设计方式[J].电子技术
与软件工程,2014(8):159-160.
广州地铁3号线时间
[2]周汉林.交通工程供配电系统设计与新技术的应用[J].中国
战略新兴产业,2018 (16): 140.
[3]丛桂俊.市政隧道工程中供配电系统特点以及电气设计[J].
建设科技，2018(1): 129.
[4]高原.市政隧道工程中供配电系统特点以及电气设计[J].四
川水泥,2017(12):76.
[5]冯霞，孙晓科.长大地铁过海区间供配电及疏散方案探讨
[J].工程技术研宄,2017 (8):10-11,42.
[6]王任杰.隧道供配电方案比较研宄[J].市政技术,2016,34
(6) =41-42,125.
收稿日期:2018-05-28
作者简介：徐超（1986—），男，山西太原人，工程师，从事道路与隧道设计工作。
(上接第121页）
在通以同样电流的情况下Q不变），假设0。保持不变，稳定温 升变为原来的0.4倍，因此在参照汇流排比热常数设 置保护定值后，比原定值的计算温升要低，稳定温升约为原 来的0.4倍。在早晚高峰期对上网隔离开关及附近的接触线、汇 流排表面进行现场温度测量，其表面温度比环境温度略高，但 未达63 I的报警值。此外，由于环境温度往往未达到设定的 4(TC，甚至有接触网温度低于4(T C的情况，保护装置上的计 算温度与实际不符，为定值校验带来了一定的不便。
4结语
根据前文的分析，接触网热过负荷的整定值设定上，使用 的阻抗值为汇流排阻抗，而比热常数使用的为接触线比热常 数，两者存在一定的不一致性，导致实测温度与计算温度之间 存在差异。由于接触网为接触线和汇流排共同构成，受电弓又 只与接触线直接接触，故接触线和汇流排间的热传导及电流 分布有待进一步分析，以便更好地确定合适的比热常数；同时，考虑现隧道通风及隧道温度，也宜对时间常数T及环境温 度进行调整，确保在日渐密集的行车组织上，更大限度地发挥供电系统的潜力。
[参考文献]
[1]刘兴学.浅谈馈线热过负荷保护在电气化铁道中的应用[J].
电气化铁道,2003 (2): 6-7.
[2]李继胜.接触网导线热过负荷保护的探讨[J].电气化铁道，
2005(2)：24-26.
[3]方刚，王开康.地铁直流开关柜热过负荷保护温升校验法
[J].城市轨道交通研宄，2014,17 (12):112-114.
[4]张宏武，张烈忠，王展翔.城市轨道交通架空刚性接触网汇流
排载流能力[J]•电气化铁道,2012 (6): 38-41.
[5]方刚，黄德晖.广州地铁直流牵引供电中馈线热力过负荷保
护[J].科技风,2013 (10):19-20.
收稿日期:2018-05-09
作者简介：邓育健(1982—)，男，广东惠州人，工程师，主要从 事轨道交通供电系统与技术的研宄工作。