吳觀華

(中鐵十一局集團(tuán)電務(wù)工程有限公司 湖北武漢 430071)

1 前言

無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)為軌道交通內(nèi)部固定工作人員與流動(dòng)工作人員之間以及流動(dòng)工作人員之間提供移動(dòng)語(yǔ)音和數(shù)據(jù)通信服務(wù)[1]，通信系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行是列車(chē)穩(wěn)定運(yùn)行的重要保障。

隨著移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展，無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)采用1.8 GHz TD-LTE寬帶數(shù)字集群系統(tǒng)，主要由無(wú)線(xiàn)中心設(shè)備、無(wú)線(xiàn)基站設(shè)備(含車(chē)站、區(qū)間、段場(chǎng))、手持臺(tái)、車(chē)載臺(tái)、車(chē)站固定臺(tái)及天饋系統(tǒng)等組成。

其中區(qū)間設(shè)備包含區(qū)間RRU射頻拉遠(yuǎn)單元、光電箱、合路器及漏泄同軸電纜，為區(qū)間通信提供有效保障，實(shí)現(xiàn)列車(chē)員、車(chē)站值班員、OCC調(diào)度員三方通信，是無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的重要組成部分。

作為第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)LTE技術(shù)，以其高寬帶、高速率、高可靠等特性[2]，奠定了LTE技術(shù)高承載能力，一張網(wǎng)可同時(shí)承載區(qū)間多業(yè)務(wù)需求，而多業(yè)務(wù)承載則需要其具備可靠性更高的供電系統(tǒng)。

2 工程概況

廣州市軌道交通18和22號(hào)線(xiàn)為串聯(lián)廣州海陸空重要交通樞紐、連接廣州市中心城區(qū)和南沙自貿(mào)區(qū)的高速大動(dòng)脈。22號(hào)線(xiàn)起始于番禺區(qū)番禺廣場(chǎng)，終止于荔灣區(qū)白鵝潭，線(xiàn)路全長(zhǎng)30.8 km，均為地下線(xiàn)。設(shè)站8座，換乘站4座，平均站間距4.2 km，最大站間距7.2 km，為祈福至廣州南站區(qū)間；最小站間距2.1 km，為西三至東沙工業(yè)園區(qū)間。該項(xiàng)目整體區(qū)間長(zhǎng)度較大，若采用傳統(tǒng)220 VAC交流供電存在末端壓降大、電化干擾嚴(yán)重、造價(jià)過(guò)高、供電不穩(wěn)定、故障面積易擴(kuò)大、后期不易維護(hù)的特點(diǎn)[3]。為了保證區(qū)間設(shè)備供電穩(wěn)定性，廣州18和22號(hào)線(xiàn)采用交流供電、直流供電方式相結(jié)合的區(qū)間通信系統(tǒng)設(shè)備供電方案。

3 區(qū)間傳統(tǒng)交流供電技術(shù)

3.1 交流供電原理

城市軌道交通專(zhuān)用通信系統(tǒng)為了充分考慮系統(tǒng)的可靠性，各系統(tǒng)獨(dú)立設(shè)計(jì)、獨(dú)立供電、獨(dú)立運(yùn)行。其中交流供電系統(tǒng)(見(jiàn)圖1)從兩端車(chē)站機(jī)房采用交流220 V獨(dú)立電纜拉遠(yuǎn)供電，通過(guò)在3芯供電線(xiàn)纜上并聯(lián)接一串用電設(shè)備。

圖1 傳統(tǒng)交流供電系統(tǒng)

3.2 交流供電方案分析

日常通信系統(tǒng)設(shè)備采用低壓交流系統(tǒng)供電，這種供電系統(tǒng)組網(wǎng)邏輯簡(jiǎn)單明了。但存在以下缺點(diǎn):(1)難以實(shí)現(xiàn)大功率遠(yuǎn)距離的電能傳輸且末端壓降大；(2)區(qū)間傳輸線(xiàn)纜或設(shè)備短路、開(kāi)路故障易造成大面積停電；(3)故障定位、排除耗時(shí)較多；(4)未預(yù)留接口，擴(kuò)容區(qū)間設(shè)備需要重新敷設(shè)線(xiàn)纜[4－6]。

隨著用電負(fù)荷加大及距離延長(zhǎng)，常規(guī)銅導(dǎo)線(xiàn)的線(xiàn)損將逐漸加大，其導(dǎo)致的壓降難以保證設(shè)備正常運(yùn)行；另一方面因?yàn)閰^(qū)間安全性及經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題，為降低線(xiàn)損又不能無(wú)限制地加大線(xiàn)徑[7]，一般弱電系統(tǒng)采用的供電電纜不宜大于10 mm2。

供電電纜采用10 mm2線(xiàn)徑時(shí)末端設(shè)備供電電壓處于設(shè)備工作電壓范圍內(nèi)的供電距離最大在3.5 km左右，采用6 mm2線(xiàn)徑電纜時(shí)供電半徑約為2.5 km左右，超過(guò)此距離末端設(shè)備壓降可能過(guò)大、供電電壓不穩(wěn)定導(dǎo)致設(shè)備不能正常工作。考慮到隧道設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行環(huán)境，在保留足夠余量的前提下，采用常規(guī)電纜的供電半徑不宜大于3 km。

3.3 交流供電方案應(yīng)用實(shí)例

以22號(hào)線(xiàn)“西塱－白鵝潭”區(qū)間為例，采用3×6 mm2電纜供電，本文對(duì)區(qū)間電纜供電進(jìn)行實(shí)際電纜規(guī)格計(jì)算。

西塱－白鵝潭區(qū)間距離為4 187 m，設(shè)置4臺(tái)RRU設(shè)備，每臺(tái)功率540 W，按間距900 m分布。其中白鵝潭站供電2臺(tái)RRU，以白鵝潭供電點(diǎn)位置為零點(diǎn)，2臺(tái)RRU位于距離787 m、1 687 m處。電纜波形系數(shù):電纜考慮布置彎曲度及接引線(xiàn)時(shí)，其長(zhǎng)度大于物理距離，取物理距離1.05倍；銅材電阻率:考慮電纜溫升，按40℃考慮，溫升修正后電阻率取0.018 6(Ω˙mm2/m)；功率因數(shù):RRU設(shè)備采用高頻開(kāi)關(guān)電源，負(fù)載功率因素不低于0.99，計(jì)算時(shí)主要考慮UPS輸出功率因數(shù)影響，按受電端不低于0.95計(jì)算；壓降:根據(jù)eRRU3232技術(shù)指標(biāo)，設(shè)備可長(zhǎng)期正常運(yùn)行允許壓降為50%，低至110 VAC，考慮一定的工程余量，按末端允許40%壓降計(jì)算，末端設(shè)備供電電壓不低于132 VAC[8]，本計(jì)算示例按此值計(jì)算。

(1)將分布式功率負(fù)載計(jì)算為最遠(yuǎn)點(diǎn)等效功率

式中:P為等效最遠(yuǎn)距離單點(diǎn)功率(W)；P0為最遠(yuǎn)供電點(diǎn)功率(W)；L0為最遠(yuǎn)供電點(diǎn)距離(m)；L1～Ln為各分布供電點(diǎn)距離(m)；P1～Pn為各分布供電點(diǎn)功率(W)。

(2)工作電流

(3)允許最大回路阻抗

Ud為允許壓降，取40%即88 V。

此阻抗為雙芯線(xiàn)回路電阻，單芯線(xiàn)電阻為:

(4)最小電纜截面積

其中電纜長(zhǎng)度考慮波形系數(shù)后從1 687 m增加到1 771 m。

考慮電纜規(guī)格梯級(jí)，實(shí)際采用電纜規(guī)格為3×6 mm2。

根據(jù)上述算法，計(jì)算得出22號(hào)線(xiàn)從車(chē)站引出需供電2臺(tái)RRU的電纜采用3×6 mm2規(guī)格即可滿(mǎn)足區(qū)間設(shè)備供電需求。

漏泄同軸電纜(LSC)有兩個(gè)重要指標(biāo)，即傳輸衰減和耦合損耗。漏泄同軸電纜的系統(tǒng)損耗是傳輸衰減和耦合損耗的總和。在狹長(zhǎng)系統(tǒng)如隧道或地鐵內(nèi)，隧道或地鐵本身能幫助提高漏泄同軸電纜的耦合性能，因此耦合損耗設(shè)計(jì)一般為75～85 dB，1－5/8同軸電纜的最大傳輸距離一般不超500 m。

供電電纜采用10 mm2線(xiàn)徑時(shí)末端設(shè)備供電電壓處于設(shè)備工作電壓范圍內(nèi)的供電距離最大在3.5 km左右，則:

本項(xiàng)目考慮到適用于160 km/h車(chē)速的大盾構(gòu)區(qū)間無(wú)線(xiàn)信號(hào)強(qiáng)度衰減，每相鄰RRU設(shè)備間距按900 m進(jìn)行設(shè)計(jì)，即:

車(chē)站站臺(tái)區(qū)域無(wú)線(xiàn)信號(hào)由弱電電纜引入間內(nèi)RRU設(shè)備覆蓋，則:

n＝4時(shí)，信號(hào)覆蓋范圍最大至3.5 km(RRU布局可適當(dāng)調(diào)整)。

同理，采用6 mm2線(xiàn)徑電纜時(shí)供電半徑約為2.5 km，則:

車(chē)站站臺(tái)區(qū)域無(wú)線(xiàn)信號(hào)由弱電電纜引入間內(nèi)RRU設(shè)備覆蓋，則:

n＝3時(shí)，信號(hào)覆蓋范圍最大至2.5 km(RRU布局可適當(dāng)調(diào)整)。

4 區(qū)間直流供電技術(shù)

廣州18和22號(hào)線(xiàn)作為國(guó)內(nèi)首條160 km/h地鐵供電項(xiàng)目，其中18號(hào)線(xiàn)萬(wàn)頃沙－南村萬(wàn)博段各區(qū)間、沙石區(qū)間、22號(hào)線(xiàn)番禺廣場(chǎng)－廣州南站段各區(qū)間長(zhǎng)度均超過(guò)5 km，屬于城市軌道交通罕見(jiàn)的大長(zhǎng)區(qū)間。根據(jù)設(shè)備具體布點(diǎn)情況，區(qū)間設(shè)備最小供電半徑均大于3 000 m。傳統(tǒng)供電系統(tǒng)無(wú)法滿(mǎn)足遠(yuǎn)距離穩(wěn)定供電需求，因此廣州18和22號(hào)線(xiàn)選擇在大于5 km的大長(zhǎng)區(qū)間引入直流遠(yuǎn)供供電系統(tǒng)，解決末端電壓不穩(wěn)定情況，提高供電可靠性、安全性。

4.1 直流系統(tǒng)供電原理

直流遠(yuǎn)供系統(tǒng)通過(guò)設(shè)置在兩個(gè)車(chē)站機(jī)房的局端設(shè)備分別接取220 V或380 V交流電，轉(zhuǎn)換升壓為400～800 V直流電，通過(guò)區(qū)間直流總線(xiàn)連通，遠(yuǎn)端逆變?cè)O(shè)備設(shè)置在區(qū)間用電負(fù)荷旁，將直流電逆變成220 VAC為RRU供電[9]。

車(chē)站局端設(shè)備雙向同時(shí)向區(qū)間電纜供電，構(gòu)建區(qū)間一級(jí)負(fù)荷母線(xiàn)。區(qū)間用電點(diǎn)的遠(yuǎn)端設(shè)備將直流線(xiàn)路上的220 V或380 V交流電逆變?yōu)橛秒娫O(shè)備所需的電源類(lèi)型，為區(qū)間設(shè)備供電(見(jiàn)圖2)。

圖2 直流遠(yuǎn)供系統(tǒng)

4.2 直流供電系統(tǒng)性能分析

直流遠(yuǎn)供系統(tǒng)中局端及區(qū)間遠(yuǎn)端設(shè)備具有自動(dòng)配網(wǎng)、逐級(jí)啟動(dòng)、冗余保障等功能，詳細(xì)性能分析如下:

(1)滿(mǎn)足一級(jí)負(fù)荷供電等級(jí)要求。直流交流供電系統(tǒng)按照雙局端并網(wǎng)供電設(shè)計(jì)，只需兩端機(jī)房的任何一路電源能夠供電，均可保障區(qū)間供電來(lái)源，實(shí)現(xiàn)外電源冗余保障[10]。

(2)保障區(qū)間設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定。局端、遠(yuǎn)端設(shè)備對(duì)外電源、鐵路電氣化干擾等需實(shí)施針對(duì)性?xún)艋觾艋碾娫垂╇娍山档蛥^(qū)間設(shè)備運(yùn)行意外死機(jī)概率，區(qū)間設(shè)備使用壽命可得以更好地保障或延長(zhǎng)[11]。

(3)降低維護(hù)勞動(dòng)強(qiáng)度的技術(shù)手段。供電系統(tǒng)有故障不停電，實(shí)時(shí)上報(bào)監(jiān)控系統(tǒng)報(bào)警，絕大部分故障可延后處理，無(wú)需應(yīng)急處理[12]。區(qū)間設(shè)備運(yùn)行死機(jī)時(shí)，可通過(guò)監(jiān)控系統(tǒng)操作遙控重啟，不需去現(xiàn)場(chǎng)重啟。遠(yuǎn)端設(shè)備具有自動(dòng)重合閘(自復(fù)式保險(xiǎn))功能設(shè)計(jì)，當(dāng)區(qū)間設(shè)備意外情況需斷開(kāi)供電時(shí)，遠(yuǎn)端先斷電，待自動(dòng)檢測(cè)符合供電條件后自動(dòng)恢復(fù)供電，避免人工去現(xiàn)場(chǎng)合閘或更換保險(xiǎn)。

4.3 直流供電系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例

直流遠(yuǎn)供設(shè)備供電系統(tǒng)主要針對(duì)地鐵通信信號(hào)設(shè)備供電，主要由局端設(shè)備、遠(yuǎn)端設(shè)備、供電電纜、監(jiān)控設(shè)備等組成。以廣州18和22號(hào)線(xiàn)為例，供電系統(tǒng)設(shè)備配置如下:

(1)局端設(shè)備

輸入電壓:220 VAC。

輸出電壓:400 VDC至800 VDC可調(diào)。

最大功率:1 500～30 000 W(組合)。

安裝方式:嵌入式通信機(jī)房機(jī)柜安裝。

(2)遠(yuǎn)端設(shè)備

輸出電壓:220 VAC。

輸出功率:200 VA、500 VA、1 000 VA。

安裝方式:遠(yuǎn)端設(shè)備采用區(qū)間壁掛式。

根據(jù)直流遠(yuǎn)供所需線(xiàn)纜截面積的計(jì)算公式:

式中:R為電纜環(huán)阻(Ω)；ΔUmax為系統(tǒng)最大許可壓降(V)；Umin為遠(yuǎn)端最小許可輸入電壓(V)；P為等效負(fù)載功率(W)；η為遠(yuǎn)端電源轉(zhuǎn)換效率(參照廠家指標(biāo))；L為遠(yuǎn)供距離(m)；S為橫截面積(mm2)；ρ為電阻系數(shù)(Ω˙mm2/m)；I為供電電流(A)[13]。

可見(jiàn)，直流供電所需線(xiàn)纜的截面積S與遠(yuǎn)供距離、傳輸材質(zhì)、負(fù)載功率、線(xiàn)纜壓降等有關(guān)。

以橫瀝－應(yīng)急救援點(diǎn)1為例，已知局端設(shè)備輸入電壓AC220 V，輸出電壓提升為DC400 V～800 V，連續(xù)可調(diào)；遠(yuǎn)端輸出電壓為AC220 V，遠(yuǎn)端轉(zhuǎn)換效率95%；遠(yuǎn)端設(shè)備負(fù)載功耗為1 000 W(區(qū)間無(wú)線(xiàn)RRU設(shè)備的額定功耗為540 W)。橫瀝－應(yīng)急救援點(diǎn)1(DK8＋823～DK19＋509)間距為10 686 m，為滿(mǎn)足區(qū)間信號(hào)強(qiáng)度覆蓋，該區(qū)間RRU設(shè)備布置10臺(tái)，以橫瀝站左線(xiàn)電纜引入間RRU安裝位置為零點(diǎn)，則最遠(yuǎn)處RRU距離為L(zhǎng)0＝9 800 m。

根據(jù)區(qū)間負(fù)荷計(jì)算，遠(yuǎn)端負(fù)載距局端設(shè)備間距≤6 742 m時(shí)，采用2×6 mm2電纜，其他直流遠(yuǎn)供區(qū)間均采用2×10 mm2低煙無(wú)鹵阻燃鎧裝電纜。

5 區(qū)間無(wú)線(xiàn)通信供電方案

廣州18和22號(hào)線(xiàn)充分考慮交流供電、直流供電系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)及性能分析，決定在18號(hào)線(xiàn)萬(wàn)頃沙－南村萬(wàn)博段各區(qū)間及沙石區(qū)間、22號(hào)線(xiàn)番禺廣場(chǎng)－廣州南站段各區(qū)間大于5 km的大長(zhǎng)區(qū)間采用直流遠(yuǎn)供供電，采用R-UPS供電系統(tǒng)，在RRU位置設(shè)置1 000 W遠(yuǎn)端；其余區(qū)間采用交流遠(yuǎn)供供電，區(qū)間設(shè)備供電直接來(lái)自鄰近車(chē)站220 VAC電源電纜，具體見(jiàn)表1。

表1 廣州18和22號(hào)線(xiàn)無(wú)線(xiàn)通信供電分布

6 結(jié)論

廣州地鐵18和22號(hào)線(xiàn)項(xiàng)目采用基于LTE技術(shù)的寬帶數(shù)字集群通信系統(tǒng)，通過(guò)小區(qū)間采用傳統(tǒng)交流供電系統(tǒng)、大長(zhǎng)區(qū)間(超5 km)采用直流供電系統(tǒng)的冗余供電方案，保證區(qū)間無(wú)線(xiàn)設(shè)備供電穩(wěn)定性，解決了長(zhǎng)大區(qū)間采用傳統(tǒng)交流供電方式末端壓降大、造價(jià)高、供電不穩(wěn)定等問(wèn)題，為后續(xù)的類(lèi)似城市軌道施工提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)，提高區(qū)間無(wú)線(xiàn)設(shè)備的可靠性、安全性，最終實(shí)現(xiàn)城市軌道交通安全穩(wěn)定運(yùn)行。