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）

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；而在地面或者高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℃，短时最高温度不大于120℃。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℃，短时最高温度不大于150℃。柔性接触网主要由接触线及承力索等构成。规范TB/T 2809—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℃，短时最高温度不大于150℃。钢铝复合接触轨按照相关行业标准，在最高环境温度40℃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℃来考虑，即当最高环境温度在40℃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40℃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θ，在单位时间t内，导体的温升与发热功率的关系如式（1）所示：

式中，Q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·℃）]，即1 kg物质温度升高1 ℃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[W/（m2·℃）]；S为导体的冷却表面积（m2）。

由式（1）解微分方程得式（2）：

其中，设τ为导体发热时间常数，τ=mc/aS；θ∞为导体的发热功率Q保持不变时，时间趋于无穷时导体的稳定温升。在文献[5]中已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Rs=0.014 32 mΩ/m，比热常数Hs=2.93 K·m/kJ，导体发热时间常数τs=300 s，报警温度Ta=63℃，跳闸温度Tt=75℃，环境温度Te=40℃。

根据设计要求，地铁汇流排比热容为CH=0.88×103J/（kg·℃），汇流排截面积为SH=2 214 mm2，单位质量为mH=6.0 kg/m，汇流排常温下电阻率小于ρH=0.032 Ω·mm2/m；接触线比热容为CJ=0.39×103J/（kg·℃），接触线截面积为SJ=150 mm2，单位质量为mJ=1.082kg/m，接触线常温下电阻率小于ρJ=0.0177Ω·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RH=ρH·SH=0.014 5 mΩ/m，汇流排比热常数HH=1/mH·CH=0.189 K·m/kJ；接触线阻抗为RJ=ρJ·SJ=0.118 mΩ/m，接触线比热常数HJ=1/mJ·CJ=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R并=0.012 9 mΩ/m，与整定值Rs=0.014 32 mΩ/m相当。而整定值的比热常数Hs=2.93 K·m/kJ比接触线的HJ=2.37 K·m/kJ略大，却远大于汇流排HH=0.189 K·m/kJ。比热常数的定义为1 m长的导体在不散热的情况下增加1 kJ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 K·m/kJ，即有式（2）中的mc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376.8W/（m·K），铝合金的导热率为135W/（m·K），即有式（2）中的aS为原来的2.5倍，在通以同样电流的情况下（Q不变），假设θ0保持不变，稳定温升θ∞=Q/as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℃的报警值。此外，由于环境温度往往未达到设定的40℃，甚至有接触网温度低于40℃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τ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。