長大坡道區(qū)間牽引網(wǎng)上下行并聯(lián)供電探討

張開波

( 中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司 成都 610031)

長大坡道區(qū)間牽引網(wǎng)上下行并聯(lián)供電探討

張開波

( 中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司 成都 610031)

針對(duì)城市軌道交通的長大坡道區(qū)間，利用列車勢(shì)能與動(dòng)能的轉(zhuǎn)換，從節(jié)能和改善牽引網(wǎng)電壓降指標(biāo)的角度，提出在該牽引供電分區(qū)內(nèi)的合適位置將上下行線路牽引網(wǎng)并聯(lián)供電的具體實(shí)施方案，同時(shí)提出實(shí)現(xiàn)配套多邊聯(lián)跳保護(hù)的設(shè)置方案，并對(duì)其安全性及節(jié)能效果進(jìn)行分析。結(jié)果表明：利用列車勢(shì)能與動(dòng)能的轉(zhuǎn)換，對(duì)于工程長期運(yùn)營的綜合節(jié)能效果較為顯著，具有巨大的經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益。

城市軌道交通；長大坡道區(qū)間；節(jié)能；牽引網(wǎng)電壓降指標(biāo)；牽引網(wǎng)并聯(lián)；多邊聯(lián)跳保護(hù)

1 城軌交通牽引網(wǎng)供電方式現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)絕大部分城市軌道交通工程牽引供電系統(tǒng)均采用了DC 1 500 V(或DC 750 V)架空牽引網(wǎng)(或接觸軌)授流、走行軌回流的牽引網(wǎng)供電方式，僅很少部分采用DC 1 500 V接觸軌授流、專用第四軌回流的牽引網(wǎng)供電方式。正常運(yùn)行時(shí)，正線牽引網(wǎng)由相鄰的牽引變電所雙邊供電。當(dāng)正線任意一座牽引變電所發(fā)生故障退出運(yùn)行時(shí)，由相鄰的牽引變電所越區(qū)供電；根據(jù)故障退出運(yùn)行牽引變電所位置的不同，越區(qū)供電又分為越區(qū)大雙邊供電和越區(qū)單邊供電兩種。

在通常情況下，無論城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)采用何種牽引網(wǎng)供電方式，除了在每座牽引變電所通過直流母線將上下行牽引網(wǎng)并聯(lián)外，還在線路正線各直流供電分區(qū)，使全線范圍內(nèi)的上下行線 路 牽 引 網(wǎng) 均為獨(dú)立運(yùn)行，參見圖1。

《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)于直流牽引供電系統(tǒng)電壓及其波動(dòng)范圍的規(guī)定參見表1。

圖1 上下行線路牽引網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行

標(biāo)稱值最高值最低值750900500150018001000

2 區(qū)間牽引網(wǎng)并聯(lián)供電需求的提出

在國內(nèi)大多數(shù)城市軌道交通工程建設(shè)中，由于線路的坡度起伏不大，或者有坡度線路的距離較短，因此，列車的勢(shì)能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能的優(yōu)勢(shì)不明顯，同時(shí)上下行線路牽引網(wǎng)在運(yùn)行過程中的電壓降指標(biāo)差異不大，因此在該區(qū)段內(nèi)將上下行線路牽引網(wǎng)并聯(lián)供電的必要性相對(duì)不大。

近年來，隨著國內(nèi)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大，地處丘陵、山區(qū)的二三線城市也陸續(xù)開始進(jìn)行城市軌道交通工程的建設(shè)，由于該類城市的地形起伏較大，線路出現(xiàn)了一些具有典型特征的長大坡道區(qū)間。

在該類長大坡道區(qū)間內(nèi)行車，對(duì)于按常規(guī)思路設(shè)計(jì)的上下行線路牽引網(wǎng)來說，有以下特點(diǎn)：

1) 對(duì)于上坡線路來說，在列車啟動(dòng)和行車過程中，列車持續(xù)取流，牽引網(wǎng)電流大，電能消耗大，導(dǎo)致牽引網(wǎng)的電壓降過大。

2) 對(duì)于下坡線路來說，在列車行車過程中，牽引網(wǎng)電流很小，電能消耗小，牽引網(wǎng)的電壓降很小。由于坡度很大、加之該區(qū)段內(nèi)的列車在絕大部分時(shí)間內(nèi)都不牽引取流，列車再生制動(dòng)產(chǎn)生的電能不能被其他車輛吸收，列車制動(dòng)只能采用電阻制動(dòng)或閘瓦制動(dòng)，不僅導(dǎo)致列車發(fā)熱和閘瓦磨耗嚴(yán)重、污染隧道環(huán)境，而且導(dǎo)致下坡線路的牽引網(wǎng)載流能力和列車再生制動(dòng)產(chǎn)生的能量均未得到充分利用。

例如，針對(duì)貴陽軌道交通1號(hào)線工程，線路為穿越黔靈山，在貴陽北站—蠻坡站區(qū)間設(shè)計(jì)了一個(gè)連續(xù)的長大坡道，線路坡度為28‰，區(qū)間長度為5.031 km(上行線路為上坡，下行線路為下坡)，兩端的高差約為125 m，按一列定員滿載的B型車6輛編組(4動(dòng)2拖)的列車計(jì)算，該區(qū)間僅單列車單次運(yùn)行具備的勢(shì)能約為34.3×107J，折算電能約為95 kWh。該區(qū)間上下行列車運(yùn)行牽引能耗計(jì)算參見表2。

表2 貴陽北站—蠻坡站區(qū)間牽引計(jì)算

表中牽引能耗為列車從牽引網(wǎng)取電運(yùn)行所消耗的能量；制動(dòng)能耗為列車制動(dòng)時(shí)反饋的能量，該能量可部分被相鄰車輛吸收，未吸收部分則被制動(dòng)電阻或閘瓦摩擦以熱能的形式消耗。如果考慮制動(dòng)能耗未被其他列車吸收，該區(qū)間的牽引能耗約為249.613 kWh；而如果考慮制動(dòng)能耗被其他列車完全利用，該區(qū)間的牽引能耗約為154.208 kWh。

在該區(qū)間上下行牽引網(wǎng)沒有并聯(lián)的情況下，下坡線路由于列車取流極小，牽引網(wǎng)的電壓較高，導(dǎo)致列車再生制動(dòng)產(chǎn)生的能量不能被其他列車吸收，列車只能采取車載電阻將該部分能量消耗，單列車在該區(qū)間每運(yùn)行一次，則浪費(fèi)了約95 kWh的勢(shì)能；當(dāng)該區(qū)間上下行牽引網(wǎng)并聯(lián)后，如果行車組織實(shí)現(xiàn)在該區(qū)間內(nèi)上下行線路均有列車同時(shí)運(yùn)行，即使不考慮下坡列車的制動(dòng)能耗完全被其他列車吸收的極端情況，僅考慮上下行列車對(duì)該區(qū)間內(nèi)勢(shì)能綜合利用的效率,并按50%考慮，則每運(yùn)行一對(duì)列車，在該區(qū)間內(nèi)可節(jié)省的電能約為47.5 kWh。按照全線開通后初期行車184對(duì)/d、近期行車271對(duì)/d、遠(yuǎn)期行車328對(duì)/d考慮，則每天可節(jié)省電能約為：初期8 740 kWh/d、近期12 873 kWh/d、遠(yuǎn)期15 580 kWh/d，按照電費(fèi)0.60元/kWh考慮，在不計(jì)入車輛閘瓦設(shè)備維護(hù)可節(jié)省的費(fèi)用情況下，累積下來每年能節(jié)省的運(yùn)營電費(fèi)約為：初期191.4萬元/年、近期281.9萬元/年、遠(yuǎn)期341.2萬元/年，也是很可觀的。

針對(duì)該類長大坡道區(qū)間，下面僅從節(jié)能和改善牽引網(wǎng)電壓指標(biāo)等方面，提出在該牽引供電分區(qū)內(nèi)的電壓降指標(biāo)最嚴(yán)重的位置實(shí)行“上下行線路牽引網(wǎng)并聯(lián)供電”的方案，具體見圖2。

圖2 上下行線路牽引網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行

對(duì)于在該長大坡道區(qū)間兩端的牽引變電所來說，其同時(shí)對(duì)該區(qū)間的上下行線路牽引網(wǎng)供電，由于列車運(yùn)行工況的差異，會(huì)出現(xiàn)在運(yùn)行過程中上下行線路牽引網(wǎng)電壓指標(biāo)的嚴(yán)重差異。如按常規(guī)設(shè)計(jì)思路，即按上坡線路牽引網(wǎng)的電壓指標(biāo)來考慮牽引變電所布點(diǎn)，可能會(huì)出現(xiàn)需要在該區(qū)間隧道內(nèi)設(shè)置牽引變電所的情況。

如對(duì)于該特殊的長大坡道區(qū)間的牽引供電分區(qū)，采用圖2所示的上下行線路牽引網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行方案，不僅可以均衡上下行線路牽引網(wǎng)的電壓降指標(biāo)，而且可以充分發(fā)揮列車的再生制動(dòng)功能，節(jié)約電能消耗，甚至可以避免在該區(qū)間隧道內(nèi)設(shè)置牽引變電所。

3 區(qū)間牽引網(wǎng)并聯(lián)的實(shí)施及運(yùn)行方案

3.1 區(qū)間牽引網(wǎng)并聯(lián)供電的實(shí)施方案

方案1：采用直流快速斷路器。在該供電分區(qū)的適當(dāng)位置，采用直流快速斷路器將上下行線路牽引網(wǎng)并聯(lián)。

該方案由于不受相鄰牽引變電所斷路器的閉鎖限制，運(yùn)行方式靈活，調(diào)度簡單，但其對(duì)設(shè)備的安裝運(yùn)行環(huán)境要求較高，需設(shè)置專門的設(shè)備房間，且相關(guān)的配套設(shè)施復(fù)雜，工程難度和投資較大。

方案2：采用電動(dòng)隔離開關(guān)。在該供電分區(qū)的適當(dāng)位置，采用電動(dòng)隔離開關(guān)將上下行線路牽引網(wǎng)并聯(lián)。

該方案電動(dòng)隔離開關(guān)的分、合閘需受相鄰牽引變電所斷路器的閉鎖限制，運(yùn)行方式和調(diào)度相對(duì)復(fù)雜，但其對(duì)設(shè)備的安裝運(yùn)行環(huán)境要求較低，無需設(shè)置專門的設(shè)備房間，可以直接安裝在區(qū)間隧道內(nèi)或接觸網(wǎng)立柱上，施工難度低且工程投資小。

3.2 區(qū)間牽引網(wǎng)并聯(lián)供電的運(yùn)行方案

在常規(guī)設(shè)計(jì)思路下，每個(gè)供電分區(qū)內(nèi)上下行線路牽引網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行，供電分區(qū)內(nèi)上行(或下行)線路牽引網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，僅上行(或下行)線路牽引網(wǎng)停電，即上行線路牽引網(wǎng)的故障不會(huì)影響下行線路的行車，同理，下行線路牽引網(wǎng)的故障不會(huì)影響上行線路的行車。

供電分區(qū)采用上下行線路牽引網(wǎng)并聯(lián)供電后，在正常運(yùn)行時(shí)，其運(yùn)行方式與常規(guī)設(shè)計(jì)思路下供電分區(qū)基本一致，但當(dāng)該供電分區(qū)內(nèi)的牽引網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，由于同時(shí)涉及上下行線路牽引網(wǎng)供電，因此其運(yùn)行方案不同。根據(jù)采用的不同并聯(lián)開關(guān)設(shè)備，其運(yùn)行方案如下。

方案1：采用直流斷路器實(shí)現(xiàn)上下行牽引網(wǎng)并聯(lián)供電。在上下行牽引網(wǎng)并聯(lián)供電時(shí)，如果該供電分區(qū)的上行或下行線路牽引網(wǎng)發(fā)生故障，需同時(shí)斷開上下行線路牽引網(wǎng)兩端和中間并聯(lián)的共5臺(tái)直流斷路器；斷開后，對(duì)應(yīng)牽引變電所內(nèi)的上下行直流饋線斷路器的自動(dòng)重合閘功能啟動(dòng)，分別對(duì)上下行線路牽引網(wǎng)進(jìn)行測(cè)試，確認(rèn)后將沒有故障的上行或下行線路牽引網(wǎng)恢復(fù)供電。在開關(guān)切換期間，上下行線路牽引網(wǎng)均會(huì)出現(xiàn)短時(shí)中斷供電的情況。

在牽引網(wǎng)故障消除后，可擇機(jī)直接合閘該直流斷路器，將該供電分區(qū)上下牽引網(wǎng)恢復(fù)至并聯(lián)供電。

方案2：采用電動(dòng)隔離開關(guān)實(shí)現(xiàn)上下行牽引網(wǎng)并聯(lián)供電。與方案1相同，如果該供電分區(qū)的上行或下行線路牽引網(wǎng)發(fā)生故障，需同時(shí)斷開上下行線路牽引網(wǎng)兩端的4臺(tái)直流斷路器，當(dāng)通過線路測(cè)試，無法實(shí)現(xiàn)重合閘且確認(rèn)兩端的4臺(tái)直流斷路器均處于分閘狀態(tài)時(shí)，將該上下行線路牽引網(wǎng)并聯(lián)的電動(dòng)隔離開關(guān)斷開；在確認(rèn)該并聯(lián)隔離開關(guān)斷開后，再分別對(duì)上下行線路牽引網(wǎng)進(jìn)行測(cè)試，對(duì)非故障的上行或下行線路牽引網(wǎng)人工恢復(fù)供電。在開關(guān)切換期間，上下行線路牽引網(wǎng)均會(huì)出現(xiàn)短時(shí)中斷供電的情況。與方案1相比，該方案中斷供電的時(shí)間稍長，可達(dá)幾分鐘的時(shí)間。

在常規(guī)城市軌道交通工程的運(yùn)營組織中，無論上下行牽引網(wǎng)是否并聯(lián)運(yùn)行，如同一供電分區(qū)內(nèi)的上行或下行接觸網(wǎng)出現(xiàn)故障，一般是該區(qū)段內(nèi)的上下行均不再考慮正常行車，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)折返條件組織小交路臨時(shí)折返運(yùn)行。因此，當(dāng)同一供電分區(qū)內(nèi)的上行(或下行)接觸網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，要求下行(或上行)接觸網(wǎng)帶電正常運(yùn)行的意義不大。

在牽引網(wǎng)故障消除后，控制中心電力調(diào)度可根據(jù)運(yùn)營情況，擇機(jī)將上下行線路牽引網(wǎng)恢復(fù)至并聯(lián)供電。

4 配套保護(hù)設(shè)置方案

采用直流斷路器或者電動(dòng)隔離開關(guān)實(shí)現(xiàn)上下行線路牽引網(wǎng)并聯(lián)供電，其配套的保護(hù)設(shè)置方案基本一致。以下僅以采用電動(dòng)隔離開關(guān)實(shí)現(xiàn)上下行線路牽引網(wǎng)的并聯(lián)供電方案為例進(jìn)行說明。

4.1 直流多邊聯(lián)跳保護(hù)設(shè)置方案

在上下行線路牽引網(wǎng)并聯(lián)處設(shè)置一套直流多邊聯(lián)跳保護(hù)接口箱，其接線原理如圖3所示。

4.2 直流多邊聯(lián)跳保護(hù)功能分析

對(duì)應(yīng)上下行線路牽引網(wǎng)并聯(lián)方案，配套的多邊聯(lián)跳保護(hù)設(shè)置方案應(yīng)能完成以下功能。

1) 上下行線路牽引網(wǎng)直流斷路器可以同時(shí)聯(lián)跳。上下行線路牽引網(wǎng)并聯(lián)后，在該供電分區(qū)內(nèi)如發(fā)生牽引網(wǎng)故障，能同時(shí)將上下行線路牽引網(wǎng)供電的直流斷路器全部斷開。

2) 配套的直流多邊聯(lián)跳保護(hù)裝置可以不帶電運(yùn)行。為保證配套的直流多邊聯(lián)跳保護(hù)的可靠運(yùn)行，該多邊聯(lián)跳保護(hù)裝置相關(guān)二次回路運(yùn)行無需外部電源供電，直接通過上下行線路原有的聯(lián)跳回路取電，避免由于相關(guān)的電源回路故障導(dǎo)致該多邊聯(lián)跳保護(hù)功能的失效。

3) 不影響原有上行或下行線路牽引網(wǎng)各自的雙邊聯(lián)跳保護(hù)功能。無論該上下行線路牽引網(wǎng)并聯(lián)開關(guān)是否投入，該直流多邊聯(lián)跳保護(hù)的相關(guān)二次回路元器件設(shè)備是否發(fā)生故障，上下行線路直流饋線斷路器原有的雙邊聯(lián)跳保護(hù)功能均不受影響。

4) 多邊聯(lián)跳保護(hù)功能的自動(dòng)投入與退出。可根據(jù)該上下行并聯(lián)開關(guān)的投入與退出，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)該供電分區(qū)上下行線路牽引網(wǎng)直流饋線斷路器多邊聯(lián)跳保護(hù)功能的投入與退出。當(dāng)上下行并聯(lián)開關(guān)退出時(shí)，自動(dòng)恢復(fù)為常規(guī)的上行或下行線路牽引網(wǎng)獨(dú)立的雙邊聯(lián)跳保護(hù)功能。

圖3 并聯(lián)供電處直流多邊聯(lián)跳保護(hù)原理

5) 與兩端牽引變電所的運(yùn)行方式無關(guān)。無論是正常運(yùn)行還是兩端某一座牽引變電所故障解列大雙邊運(yùn)行時(shí)，該直流多邊聯(lián)跳保護(hù)裝置各項(xiàng)功能均可不受影響，其多邊聯(lián)跳保護(hù)功能的投入與退出，僅與上下行并聯(lián)開關(guān)是否投入有關(guān)。

圖3所示的上下行線路牽引網(wǎng)并聯(lián)處直流多邊聯(lián)跳保護(hù)方案，可以完全實(shí)現(xiàn)上述功能需求。

4.3 區(qū)間牽引網(wǎng)并聯(lián)開關(guān)的控制回路該并聯(lián)開關(guān)的分、合閘控制回路、閉鎖回路與常規(guī)方式一致，此處不再贅述。

5 方案優(yōu)缺點(diǎn)分析

1) 方案優(yōu)點(diǎn)。在類似的長大坡道區(qū)間供電分區(qū)的合適位置，將上下行線路牽引網(wǎng)并聯(lián)后，上坡線路的列車可以充分吸收利用下坡線路列車再生制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的電能，不僅使得上坡線路牽引網(wǎng)的電壓降指標(biāo)得到改善，牽引能耗大幅降低，同時(shí)可在一定程度上延長列車制動(dòng)系統(tǒng)的使用壽命。

2) 方案缺點(diǎn)。在上下行線路牽引網(wǎng)并聯(lián)的供電分區(qū)內(nèi)，當(dāng)上下行線路牽引網(wǎng)的任何一處發(fā)生故障時(shí)，需同時(shí)跳開上下行線路牽引網(wǎng)兩端的全部直流斷路器，在斷開故障線路牽引網(wǎng)，恢復(fù)上行或下行線路牽引網(wǎng)供電前，上下行線路牽引網(wǎng)均失電，盡管時(shí)間較短(幾分鐘內(nèi))，但上下行線路運(yùn)營均會(huì)受到一定影響。

3) 方案風(fēng)險(xiǎn)分析。該供電分區(qū)上下行牽引網(wǎng)并聯(lián)后，對(duì)于供電系統(tǒng)與機(jī)車車輛并沒有其他新的故障類型出現(xiàn)。從運(yùn)營的角度來說，同樣仍只是停電后重新送電的操作過程。即使該供電分區(qū)范圍內(nèi)牽引網(wǎng)出現(xiàn)故障，導(dǎo)致上下行牽引網(wǎng)同時(shí)失電，仍可以通過保護(hù)裝置及倒閘操作，在很短的時(shí)間內(nèi)恢復(fù)為上下行牽引網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行的模式，在故障解除后，將該供電分區(qū)恢復(fù)為上下行牽引網(wǎng)并聯(lián)的運(yùn)行模式。因此，對(duì)運(yùn)營有一定影響，但并沒有增加新的安全風(fēng)險(xiǎn)。

6 結(jié)語

針對(duì)類似貴陽軌道交通1號(hào)線這類長大坡道區(qū)間，在該牽引供電分區(qū)內(nèi)的合適位置將上下行線路牽引網(wǎng)并聯(lián)供電。無論是正常運(yùn)行還是某一座牽引變電所故障解列大雙邊運(yùn)行時(shí)，只要在該牽引供電分區(qū)內(nèi)的牽引網(wǎng)沒有發(fā)生故障，均可長期將該供電分區(qū)上下行線路牽引網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行，利用列車勢(shì)能與動(dòng)能的轉(zhuǎn)換，對(duì)于工程長期運(yùn)營的綜合節(jié)能效果較為顯著，具有巨大的經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益。

[3] GB 50157―2013地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社,2013.

[4] 中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司.貴陽市軌道交通1號(hào)線工程可行性研究長大連續(xù)坡道及運(yùn)營安全研究[G].成都，2011.

[5] 中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司.貴陽市軌道交通1號(hào)線初步設(shè)計(jì):第十篇 供電[G].成都，2012.

[10] 于松偉，楊興山，韓連祥，等.城市軌道交通供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理與應(yīng)用[M].成都：西南交通大學(xué)出版社，2008.

(編輯：郝京紅)

Discussion of Parallel Traction Power Supply Line on the Long Rampway Section

Zhang Kaibo

(China Railway Eryuan Engineering Group Co., Ltd.(CREEC),Chengdu 610031)

For a long rampway section of urban rail transit, a detailed scheme of parallel traction power supply line is put forward at the suitable position by using the conversion between potential energy and kinetic energy, from the perspectives of saving energy and improving traction network voltage drop index, and the setting program to realize supporting multilateral inter-tripping protection is also presented. The safety and energy saving effect of the scheme are analyzed, and it is shown that the comprehensive energy saving effect of long-term operation is remarkable with huge economic and social benefits by conversion of potential energy and kinetic energy of train.

urban rail transit; long rampway section; energy saving; traction network voltage drop index; parallel traction power supply line; multilateral inter-tripping protection

張開波，男，電氣化高級(jí)工程師，從事地鐵供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究， zkb 008@126.com

U231.8

A