王小峰

(上海市隧道工程軌道交通設(shè)計(jì)研究院, 200235, 上海)

隨著國(guó)家“新基建”戰(zhàn)略規(guī)劃的啟動(dòng)和城市軌道交通的快速發(fā)展,國(guó)內(nèi)已建成運(yùn)營(yíng)和正在規(guī)劃及籌建的城市軌道交通線路越來(lái)越多。上海城市軌道交通崇明線(以下簡(jiǎn)稱“崇明線”)是連接中心城和崇明兩島(長(zhǎng)興島、崇明島)的市域軌道交通,其線路全長(zhǎng)約44.69 km,共設(shè)車站8座,其中地下站7座、高架站1座,車站及配線示意圖如圖1所示。該線車輛采用DC 1 500 V市域A型車,列車為6輛編組,最高運(yùn)行速度為120 km/h;初、近、遠(yuǎn)期單一交路開(kāi)行列車數(shù)量分別為13對(duì)/h、18對(duì)/h和20對(duì)/h,供電能力為24對(duì)/h。就牽引供電系統(tǒng)而言,崇明線必須解決兩個(gè)問(wèn)題:一是如何避免雜散電流對(duì)本工程沿線并行或交叉穿越的供油管、高壓天然氣管、原水管等重大管線的腐蝕;二是如何確保南港越江隧道(位于凌空北路站—長(zhǎng)興島站區(qū)間,長(zhǎng)約7.7 km)和北港越江隧道(位于長(zhǎng)興島站—陳家鎮(zhèn)站區(qū)間,長(zhǎng)約9.2 km)長(zhǎng)距離直流供電的能力。

a) 越江段大盾構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)斷面

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外城市軌道交通既有牽引供電制式特點(diǎn)及應(yīng)用情況進(jìn)行分析,結(jié)合崇明線工程的特點(diǎn)及客觀情況,提出采用DC 1 500 V架空接觸網(wǎng)+負(fù)極專用回流軌的牽引供電方式,同時(shí)提出在越江區(qū)段中部設(shè)或不設(shè)牽引變電所兩種方案,并分別給出相應(yīng)技術(shù)措施。這不僅從根本上杜絕了雜散電流的產(chǎn)生及其對(duì)周邊管線的腐蝕問(wèn)題,而且解決了越江段長(zhǎng)距離牽引供電系統(tǒng)供電能力受限問(wèn)題。

1 現(xiàn)有牽引供電制式分析

1.1 適用性分析

牽引供電制式是指供電系統(tǒng)向電動(dòng)車輛或電力機(jī)車供電所采用的電流制式、電壓等級(jí)和供電方式。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,城市軌道交通車輛的供電制式為DC 750 V和DC 1 500 V兩種,城市軌道交通市域快線的供電制式為DC 1 500 V(列車最高運(yùn)行速度120～140 km/h)及AC 25 kV/50 Hz(列車最高運(yùn)行速度120～160 km/h)。

AC 25 kV/50 Hz制式一般適用于運(yùn)量大、負(fù)荷重、速度高、運(yùn)輸距離長(zhǎng)的干線電氣化鐵路,部分國(guó)家或地區(qū)的城郊快線鐵路或機(jī)場(chǎng)線也采用AC 25 kV/50 Hz制式;直流牽引供電制式適用于列車功率不大、供電半徑較小、列車密度高且起動(dòng)頻繁的城市軌道交通線路,絕大部分城市軌道交通線路均采用DC 750 V或DC 1 500 V的牽引供電制式,DC3 000 V牽引供電制式目前在意大利等西歐國(guó)家、前蘇聯(lián)加盟共和國(guó)等國(guó)家的一些國(guó)家干線電氣化鐵路,以及格魯吉亞、巴西圣保羅地鐵有應(yīng)用,但國(guó)內(nèi)針對(duì)DC 3 000 V供電制式體系化、標(biāo)準(zhǔn)化的研究及運(yùn)營(yíng)尚無(wú)案例可循。

雙制式/多制式指不同線路區(qū)段采用不同的牽引供電制式。為適應(yīng)行車組織決定的跨線列車運(yùn)行和直通需要,或在既有線路必須與新建線路直接銜接又迫于既有線改造費(fèi)用過(guò)大時(shí),對(duì)具備雙制式或多制式受電功能的同一車輛采用雙制式/多制式供電,如通行在多個(gè)國(guó)家的歐洲之星高速列車,其能夠適應(yīng)AC 25 kV、DC 3 000 V和DC 1 500 V三種牽引供電制式,國(guó)內(nèi)目前尚無(wú)雙制式/多制式供電的運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)。

我國(guó)干線電氣化鐵路、城市軌道交通、市域線發(fā)展至今,采用單相工頻25 kV交流制和DC 750 V、 DC 1 500 V兩種牽引供電制式。國(guó)內(nèi)絕大多數(shù)城市軌道交通采用的是DC 1 500 V接觸網(wǎng)(接觸軌)供電、走行軌(鋼軌)回流的牽引供電方式。國(guó)內(nèi)外主要市域線牽引供電制式的應(yīng)用如表1所示。

表1 國(guó)內(nèi)外主要市域線牽引供電制式應(yīng)用情況

1.2 主要技術(shù)特點(diǎn)

交、直流供電制式的主要技術(shù)特點(diǎn)如表2所示。

表2 交、直流供電制式主要技術(shù)特點(diǎn)

綜上分析,可將列車最高設(shè)計(jì)速度120 km/h作為選擇牽引供電制式的參考分界點(diǎn):當(dāng)列車最高設(shè)計(jì)速度≤120 km/h時(shí),采用DC1 500 V牽引供電制式;當(dāng)列車最高設(shè)計(jì)速度>120 km/h時(shí),優(yōu)先考慮采用AC 25 kV/50 Hz牽引供電制式。

2 影響牽引供電制式選擇的因素

影響牽引供電制式選擇的因素如表3所示。速度目標(biāo)值、車輛選型及隧道斷面對(duì)牽引供電制式的選擇起著決定性作用,是確定整個(gè)項(xiàng)目的工程規(guī)模、系統(tǒng)制式、設(shè)備配置以及工程投資的重要基礎(chǔ)和依據(jù)。

表3 影響牽引供電制式選擇的主要因素

由表3可知,崇明線列車速度目標(biāo)值為120 km/h,在線網(wǎng)中不存在列車跨線運(yùn)營(yíng)的運(yùn)輸組織形式;除凌空北路站—長(zhǎng)興島站—陳家鎮(zhèn)站三站兩區(qū)間因?yàn)榇┰介L(zhǎng)江而采用單洞雙線圓形隧道外,其余區(qū)段均采用傳統(tǒng)單洞單線圓形隧道。在滿足線路功能的前提下,考慮到整個(gè)工程的經(jīng)濟(jì)性,本項(xiàng)目車輛選型最終選用DC 1 500 V市域A型車,列車為6輛編組。

3 崇明線牽引供電系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

3.1 DC 1 500 V專用回流軌設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外直流牽引供電系統(tǒng)進(jìn)一步調(diào)研發(fā)現(xiàn),“四軌”供電系統(tǒng)可作為解決本工程長(zhǎng)距離直流供電能力不足和雜散電流腐蝕問(wèn)題[1-2]的技術(shù)方案。所謂“四軌”供電系統(tǒng),就是負(fù)極專設(shè)回流軌的供電系統(tǒng),即牽引變電所通過(guò)第三軌供電、第四軌回流[3]的供電方式。受車輛結(jié)構(gòu)及制造、接觸軌布置、靴軌關(guān)系、最高運(yùn)行速度下靴軌受流穩(wěn)定性等其他一系列未經(jīng)技術(shù)驗(yàn)證因素的制約,國(guó)內(nèi)外目前均無(wú)DC 1 500 V電壓等級(jí)“四軌”供電系統(tǒng)的先例。

但是,國(guó)內(nèi)如上海浦江線工程、重慶跨座式單軌工程、長(zhǎng)沙磁浮線工程等的供電方式有值得借鑒的地方,其供電軌的結(jié)構(gòu)形式雖各有不同,但供電原理本質(zhì)上與“四軌”一致,即采用負(fù)極均獨(dú)立于鋼軌之外的專用供電回路。因此,可將架空剛性接觸網(wǎng)與接觸軌進(jìn)行組合,即正極采用架空接觸網(wǎng)供電,負(fù)極采用專用回流軌回流的組合供電方式。車輛同時(shí)配備集電靴和受電弓,無(wú)論從車輛還是從牽引網(wǎng)方面來(lái)看,都不存在技術(shù)困難。該方案在已開(kāi)通運(yùn)營(yíng)的寧波地鐵4號(hào)線工程上得到論證,其列車最高運(yùn)行速度僅為80 km/h。但是架空剛性接觸網(wǎng)、接觸軌(第三軌)在國(guó)內(nèi)最高運(yùn)行速度120 km/h城市軌道交通線路上均有成熟應(yīng)用(如表1所示)?；诖?本工程提出采用DC 1 500 V架空接觸網(wǎng)+負(fù)極專用回流軌的牽引供電技術(shù)方案,牽引網(wǎng)正極采用已成熟應(yīng)用的架空剛性懸掛(地下段)和架空柔性懸掛(地面段);負(fù)極采用專用回流軌(下部接觸方式),其相關(guān)指標(biāo)與既有接觸軌(第三軌)保持一致,此處不再贅述。崇明線越江盾構(gòu)段供電系統(tǒng)設(shè)備布置斷面如圖1所示。

3.2 牽引變電所設(shè)置方案

采用DC 1 500 V架空接觸網(wǎng)+負(fù)極專用回流軌的牽引供電技術(shù)方案,避免了雜散電流腐蝕及防護(hù)和鋼軌電位的問(wèn)題,理論上只要牽引網(wǎng)最低電壓大于國(guó)標(biāo)規(guī)定1 000 V的要求、牽引變電所的設(shè)備選型滿足成熟可靠的要求即可。針對(duì)在越江段隧道內(nèi)是否設(shè)置牽引變電所,設(shè)計(jì)了兩種供電方案。

方案一:沿崇明線由金吉路站至裕安站除高寶路站和長(zhǎng)興島站外,在其余車站及轉(zhuǎn)換井設(shè)置牽引變電所,在越江段中部不設(shè)置區(qū)間牽引變電所。轉(zhuǎn)換井內(nèi)牽引變電所直流設(shè)備采取“雙套配置”。為了解決當(dāng)越江段兩端大小盾構(gòu)轉(zhuǎn)換井內(nèi)的牽引變電所退出/解列時(shí),直流大雙邊供電距離超過(guò)10 km(如崇明島轉(zhuǎn)換井牽引變電所解列退出時(shí),長(zhǎng)興島北轉(zhuǎn)換井至陳家鎮(zhèn)站直流大雙邊供電距離達(dá)11.575 km),導(dǎo)致整流機(jī)組容量配置過(guò)大、牽引網(wǎng)電壓過(guò)低等問(wèn)題,浦東轉(zhuǎn)換井、長(zhǎng)興島南轉(zhuǎn)換井、長(zhǎng)興島北轉(zhuǎn)換井和崇明島轉(zhuǎn)換井內(nèi)牽引變電所直流設(shè)備采取“雙套配置”,即:在傳統(tǒng)2套整流機(jī)組的基礎(chǔ)上在另一段35 kV母線再配置2套整流機(jī)組,確保轉(zhuǎn)換井內(nèi)牽引變電所不退出。在本文仿真中,默認(rèn)4座轉(zhuǎn)換井內(nèi)牽引變電所不退出。

方案二:全線車站及轉(zhuǎn)換井牽引變電所設(shè)置同方案一,在越江段中部增設(shè)區(qū)間牽引變電所(在浦東轉(zhuǎn)換井至長(zhǎng)興島南轉(zhuǎn)換井之間設(shè)置南港區(qū)間牽引變電所,在長(zhǎng)興島北轉(zhuǎn)換井至崇明島轉(zhuǎn)換井之間設(shè)置北港區(qū)間牽引變電所)。通過(guò)環(huán)控系統(tǒng)對(duì)隧道排煙方案進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化,進(jìn)而優(yōu)化越江段隧道斷面形式,將越江隧道中部區(qū)段的下部空腔高度由標(biāo)準(zhǔn)斷面的2 400 mm提高到3 550 mm,實(shí)現(xiàn)下部空腔設(shè)置區(qū)間牽引變電所的要求。該方案下,轉(zhuǎn)換井內(nèi)牽引變電所不再采用“雙套配置”,全線各牽引變電所均為常規(guī)配置,同一時(shí)刻允許任一個(gè)牽引變電所解列退出運(yùn)行。越江段大盾構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)斷面示意圖如圖1 a)所示,越江段中部區(qū)段優(yōu)化后的隧道斷面示意圖如圖1 b)所示。

3.3 供電能力仿真測(cè)試

通過(guò)系統(tǒng)建模,對(duì)上述兩種牽引變電所設(shè)置方案的供電能力進(jìn)行仿真測(cè)試。分別計(jì)算兩種方案下供電能力達(dá)到24對(duì)/h時(shí)的牽引網(wǎng)最低電壓、整流機(jī)組功率和牽引變電所有效電流等指標(biāo)。在牽引變電所均正常供電及相鄰牽引變電所解列供電條件下,兩種方案對(duì)比分別如圖2和圖3所示。

圖2 牽引變電所兩種設(shè)置方案供電能力對(duì)比(牽引變電所均正常供電)

圖3 牽引變電所兩種設(shè)置方案供電能力對(duì)比(相鄰牽引變電所解列供電)

由圖2和圖3可知,方案二牽引網(wǎng)最低電壓在牽引變電所正常情況下均大于1 400 V,當(dāng)牽引變電所解列時(shí)均大于1 200 V,特別是整流機(jī)組的功率在牽引變電所正常情況下降低了24.4%,指標(biāo)同比均優(yōu)于方案一;同時(shí)避免了方案一4座轉(zhuǎn)換井內(nèi)供電設(shè)備冗余配置、長(zhǎng)期承受長(zhǎng)距離供電、運(yùn)行方式復(fù)雜、故障倒閘操作時(shí)間較長(zhǎng)、長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)能耗高等問(wèn)題,也將直流供電能力由高峰時(shí)24對(duì)/h提升到30對(duì)/h,供電可靠性和供電質(zhì)量也得到進(jìn)一步提升。

鑒于南港區(qū)間牽引變電所和北港區(qū)間牽引變電所設(shè)于越江隧道軌道板下位置及環(huán)境的特殊性,牽引變電所在無(wú)人值班設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,增加35 kV斷路器和1 500 V斷路器故障錄波、所內(nèi)溫濕度及環(huán)境監(jiān)測(cè)、開(kāi)關(guān)柜局放監(jiān)測(cè)、視頻監(jiān)控(自動(dòng)巡檢設(shè)備或云臺(tái)高清攝像頭)等功能,結(jié)合在線監(jiān)測(cè)、互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和人工智能等先進(jìn)技術(shù),實(shí)現(xiàn)運(yùn)維人員遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)了解牽引變電所內(nèi)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài),提前制定相應(yīng)的維修策略或應(yīng)急預(yù)案,確保供電系統(tǒng)安全運(yùn)行。

4 結(jié)語(yǔ)

本文借鑒“四軌”供電系統(tǒng)可解決長(zhǎng)距離直流供電能力不足和雜散電流腐蝕的技術(shù)優(yōu)勢(shì),針對(duì)崇明線特點(diǎn),提出DC 1 500 V架空接觸網(wǎng)+負(fù)極專用回流軌牽引供電方式,從根本上杜絕了雜散電流的產(chǎn)生及其對(duì)周邊管線的腐蝕,確保了隧道和橋梁等的使用壽命;針對(duì)在越江區(qū)段中部是否設(shè)置牽引變電所,設(shè)計(jì)了兩種供電方案;系統(tǒng)供電能力仿真測(cè)試結(jié)果表明,兩種技術(shù)方案下?tīng)恳╇娤到y(tǒng)均可滿足相應(yīng)行車組織的要求,雖然設(shè)置區(qū)間牽引變電所在工程建設(shè)投資方面有所增加,但是可從根本上解決本工程越江段長(zhǎng)距離直流牽引供電能力受限的問(wèn)題,可為未來(lái)崇明線運(yùn)能的進(jìn)一步提升提供空間。