黃足平

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，武漢 430063)

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軌道交通采用25 kV交流制的電分相影響分析及處理對(duì)策

黃足平

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，武漢 430063)

供電制式選擇是軌道交通考慮的重要因素之一。回顧總結(jié)相關(guān)研究、文獻(xiàn)的論述和結(jié)論，模擬列車(chē)在不同速度、不同坡道情況下斷電通過(guò)電分相的工況。通過(guò)模擬結(jié)果，論述交流供電電分相對(duì)設(shè)站、站間距和列車(chē)運(yùn)行的影響及處理措施。

軌道交通；電分相；交流制

1 概述

“十二五”期間我國(guó)軌道交通獲得了極大發(fā)展，其中干線國(guó)家鐵路完成投資3.58萬(wàn)億元(新線投產(chǎn)3.05萬(wàn)km)，城市軌道交通完成投資1.1萬(wàn)億元。2016年3月國(guó)家發(fā)布“十三五”國(guó)民經(jīng)濟(jì)計(jì)劃綱要，軌道交通仍是發(fā)展重點(diǎn)，要建設(shè)“互連互通的現(xiàn)代基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)，更好發(fā)揮對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的支撐引領(lǐng)作用”。未來(lái)我國(guó)軌道交通將由干線高鐵、城際鐵路、城市地鐵(含輕軌)向市域、郊區(qū)鐵路延伸發(fā)展。

我國(guó)干線鐵路采用統(tǒng)一的工頻25 kV交流制式供電，城市軌道交通采用直流1 500 V或750 V電壓制式供電。在未來(lái)的市域、市郊鐵路建設(shè)中，供電制式的選擇仍是須要認(rèn)真考量的主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)之一。由于采用工頻25 kV交流制的牽引供電系統(tǒng)相較直流750 V或1 500 V制式不僅牽引供電本體投資節(jié)省，而且運(yùn)營(yíng)損耗也低，符合國(guó)家節(jié)能政策，對(duì)從事?tīng)恳╇姷募夹g(shù)人員來(lái)講極具吸引力，當(dāng)然是首選。因此，在城市軌道交通，市域、郊區(qū)鐵路建設(shè)中，采用何種牽引供電制式，必須將比選考慮的因素進(jìn)行全面、綜合比較。

有關(guān)軌道交通供電制式比較早的文獻(xiàn)大多不是比較交流、直流制，而是論述采用直流750 V和1 500 V電壓等級(jí)的比較[1-3]。

近年有一些專(zhuān)家和學(xué)者從不同角度對(duì)采用工頻交流25 kV供電制式進(jìn)行了分析。

朱俐琴?gòu)呐c干線電氣化鐵路兼容考慮，建議關(guān)注交流25 kV供電制[4]。

為合理選擇牽引供電制式，文獻(xiàn)[5-11]從線網(wǎng)規(guī)劃及跨線運(yùn)營(yíng)、一次建設(shè)綜合投資(尤其隧道凈空開(kāi)挖投資)、運(yùn)營(yíng)成本(包含再生制動(dòng)能量利用)、迷流防護(hù)、供電能力、運(yùn)營(yíng)速度等方面進(jìn)行了分析和比較，其基本觀點(diǎn)如下所述。

(1)工頻25 kV交流牽引供電相比直流1 500 V供電制式能適應(yīng)更寬速度運(yùn)營(yíng)要求的需要，尤其大于140 km/h的運(yùn)營(yíng)線路適宜采用交流。

(2)供電制式的選擇與線路功能定位在線網(wǎng)中的作用相關(guān)，應(yīng)統(tǒng)籌考慮。線網(wǎng)銜接方式成為確定鐵路牽引供電制式的決定因素。

(3)線路的敷設(shè)方式是采用交直流供電制式的一次性投資的決定性因素。采用交流供電制式的地下盾構(gòu)區(qū)間土建投資比采用直流供電制式高(約2 500萬(wàn)元/km)。當(dāng)?shù)叵戮€路超過(guò)一定比例時(shí)(如29%)，采用直流制式供電方式節(jié)省投資；在以高架敷設(shè)為主的線路，交流制式節(jié)省投資。

如前面敘述之外，由于交流牽引供電系統(tǒng)存在電分相，在某些條件下對(duì)運(yùn)營(yíng)存在不良影響。一條線路決定是否采用交流工頻25 kV牽引供電，需對(duì)交流牽引供電系統(tǒng)電分相在一些條件下進(jìn)行評(píng)估，以決定是否采用交流工頻制或選擇合適技術(shù)措施來(lái)處理這種不適。

2 交流電分相對(duì)設(shè)站和運(yùn)輸?shù)挠绊?/h2>

由于地鐵采用直流牽引供電的牽引網(wǎng)在電氣上是貫通的，列車(chē)負(fù)荷由多個(gè)電源按供電電源對(duì)負(fù)荷的阻抗按反比例分擔(dān)負(fù)荷，直流牽引供電系統(tǒng)滿足連續(xù)供電是沒(méi)有問(wèn)題的。所以，一條線路采用直流供電的不同牽引所的布點(diǎn)方案差異只是體現(xiàn)在數(shù)量和規(guī)模上的差異，只存在經(jīng)濟(jì)因素，不會(huì)構(gòu)成技術(shù)障礙。

然而，交流供電在牽引網(wǎng)上形成分相轉(zhuǎn)換區(qū)，軌道交通若采用交流25 kV制式，這個(gè)不足之處在某些條件下可能構(gòu)成技術(shù)缺陷，導(dǎo)致交流供電方式不能采用，或者必須采取措施處理。

交流25 kV制式一般供電半徑約50 km(視列車(chē)編組、速度、追蹤間隔等形成的牽引網(wǎng)線負(fù)荷密度不同有差異)。若一條線路過(guò)短，則供電能力利用不充分，經(jīng)濟(jì)性下降，影響交流供電方式優(yōu)勢(shì)發(fā)揮。

站間距是考慮是否采用交流供電的必要因素，這在以往的設(shè)計(jì)中考慮不夠。分相技術(shù)實(shí)現(xiàn)方式也對(duì)交流25 kV制式適應(yīng)軌道交通具有影響。器件式電分相的斷電距離較少(可做到小于100 m)，適應(yīng)運(yùn)營(yíng)速度小于80 km/h，但對(duì)弓網(wǎng)不利，增加維修量。關(guān)節(jié)式電分相的斷電距離較大(一般不小于300 m)，關(guān)節(jié)式電分相本身適應(yīng)高速運(yùn)行，但設(shè)站距離較小、運(yùn)營(yíng)速度較低時(shí)，列車(chē)通過(guò)電分相困難，從而制約了交流牽引在城市軌道交通、市域軌道交通中的應(yīng)用。

表1為采用鋼車(chē)體的溫州市域動(dòng)車(chē)組在不同坡道、不同初始速度情況下無(wú)動(dòng)力惰行模擬列車(chē)斷電通過(guò)電分相的距離和時(shí)間。

表1 溫州市域軌道交通不同初始速度列車(chē)

模擬計(jì)算中，線路條件為地面線路。由表1所列數(shù)據(jù)可看出，在列車(chē)速度低于15 km/h時(shí)，在大于6‰的坡道上自然通過(guò)任何結(jié)構(gòu)的電分相均存在問(wèn)題；列車(chē)速度40 km/h且坡道大于20‰時(shí)，可以自然通過(guò)器件式分相，但難以通過(guò)關(guān)節(jié)式分相。

從表1還可以看到，如果僅滿足于列車(chē)低速自然通過(guò)電分相，會(huì)影響列車(chē)運(yùn)行時(shí)間進(jìn)而影響運(yùn)營(yíng)能力。這在運(yùn)輸能力富余的線路中影響不大，但在運(yùn)輸能力需求較大的線路則必須加以考慮，畢竟國(guó)內(nèi)城市軌道交通的追蹤間隔大多為120 s，甚至有些線路追蹤間隔低于120 s。

決策采用交流制式時(shí)，當(dāng)線路坡度較小、通過(guò)速度較高時(shí)，對(duì)運(yùn)營(yíng)影響不大。

當(dāng)線路坡度較大，采用較小的設(shè)站距離(如小于1 000 m)、較低的運(yùn)營(yíng)速度時(shí)，必須要對(duì)列車(chē)通過(guò)電分相進(jìn)行仔細(xì)研究，考慮自然通過(guò)分相對(duì)運(yùn)營(yíng)的能力影響。如果交流制對(duì)運(yùn)營(yíng)時(shí)的正常行車(chē)造成影響，則應(yīng)在技術(shù)上采取額外措施。原來(lái)單一目標(biāo)選擇的節(jié)能坡必須綜合考慮，設(shè)站也要重新優(yōu)化。如果改變這些站前工程影響太大，那么從供電系統(tǒng)上也可以采取多種措施。

3 克服電分相制約因素的措施及選用

如前所述，接觸網(wǎng)電分相結(jié)構(gòu)目前有器件式和關(guān)節(jié)式兩種。為了有利于列車(chē)運(yùn)行，應(yīng)盡可能縮短無(wú)電區(qū)長(zhǎng)度。工程設(shè)計(jì)中分相應(yīng)盡量避開(kāi)出站和大坡道地段。

如果能夠接受器件式分相的缺點(diǎn)，這種分相的無(wú)電區(qū)是最短的。

若不接受器件式分相轉(zhuǎn)而采用關(guān)節(jié)式分相，那么在列車(chē)運(yùn)行速度不高(小于120 km/h)的情況下，降低接觸網(wǎng)線索張力而采用小跨距的關(guān)節(jié)式分相是可選的技術(shù)方案。

如果為了滿足不同運(yùn)營(yíng)情況的需要(如正常速度較高，但要求低速條件下也能通過(guò))，那么就要在牽引供電本身采取額外的技術(shù)措施。目前可采用的措施如下。

(1)不同形式的自動(dòng)過(guò)分相[12-13]

但目前自動(dòng)過(guò)分相技術(shù)在我國(guó)得到成熟持久應(yīng)用的案例不夠多，而日本新干線的地面過(guò)分相應(yīng)用較成熟。

(2)徹底解決過(guò)分相的同相供電[14-15]

若采用同相供電，則牽引網(wǎng)與直流制式一樣為貫通式供電，可滿足列車(chē)在低速度和較小站間距下的運(yùn)行需要。

但鑒于目前的設(shè)備和器件技術(shù)發(fā)展水平，采用同相供電會(huì)增加投資并帶來(lái)額外的功率損耗。選擇時(shí)一定要進(jìn)行經(jīng)濟(jì)技術(shù)對(duì)比。

4 結(jié)語(yǔ)

城市軌道交通(或市域軌道交通)的牽引供電制式是工程建設(shè)中的主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)之一。制式的選用因線網(wǎng)規(guī)劃及跨線運(yùn)營(yíng)、一次建設(shè)綜合投資、運(yùn)營(yíng)成本(包含再生制動(dòng)能量利用)、迷流防護(hù)、供電能力、運(yùn)營(yíng)速度等多種因素綜合而定，不能一概而論，仍要結(jié)合具體工程具體情況進(jìn)行綜合比選。列車(chē)低速運(yùn)行和大坡道均不適應(yīng)自然通過(guò)交流供電電分相，應(yīng)結(jié)合具體情況研究處理措施。

本文特別強(qiáng)調(diào)了采用交流供電電分相缺陷對(duì)設(shè)站問(wèn)題、列車(chē)運(yùn)行引起的問(wèn)題及解決措施。這個(gè)影響仍要結(jié)合具體工程具體情況進(jìn)行分析。設(shè)計(jì)者在進(jìn)行技術(shù)比選時(shí)，應(yīng)該在項(xiàng)目前期綜合考慮到這個(gè)因素并做出科學(xué)合理決策，以避免工程出現(xiàn)重大設(shè)計(jì)缺陷。

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The Influence of 25 kV AC Neutral Section of Urban Rail Transit and Treatment Measures

HUANG Zu-ping

(China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.， Ltd.， Wuhan 430063， China)

The selection of power supply mode is one of the important factors of urban rail transit. This article analyses related researches and literatures， and simulates the situations where the train passes throw the neutral sections at different speed and grade. Based on the simulate results， this paper addresses the influence of the neutral sections with AC power supply on station setting， station spacing and train operation， and treatment measures

Urban rail transit; Neutral section; AC system

2016-07-22；

2016-08-04

黃足平(1965—)，男，教授級(jí)高級(jí)工程師，1987年畢業(yè)于西

南交通大學(xué)鐵道電氣化專(zhuān)業(yè)，工程碩士，E-mail：syshzp@126.com。

1004-2954(2016)11-0119-03

U231+.8

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2016.11.026