軌道交通采用25 kV交流制的電分相影響分析及處理對策

黃足平

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，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策

黃足平

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，武漢 430063)

供電制式選擇是軌道交通考慮的重要因素之一。回顧總結相關研究、文獻的論述和結論，模擬列車在不同速度、不同坡道情況下斷電通過電分相的工況。通過模擬結果，論述交流供電電分相對設站、站間距和列車運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”期間我國軌道交通獲得了極大發展，其中干線國家鐵路完成投資3.58萬億元(新線投產3.05萬km)，城市軌道交通完成投資1.1萬億元。2016年3月國家發布“十三五”國民經濟計劃綱要，軌道交通仍是發展重點，要建設“互連互通的現代基礎設施網絡，更好發揮對經濟社會發展的支撐引領作用”。未來我國軌道交通將由干線高鐵、城際鐵路、城市地鐵(含輕軌)向市域、郊區鐵路延伸發展。

我國干線鐵路采用統一的工頻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。在未來的市域、市郊鐵路建設中，供電制式的選擇仍是須要認真考量的主要技術標準之一。由于采用工頻25 kV交流制的牽引供電系統相較直流750 V或1 500 V制式不僅牽引供電本體投資節省，而且運營損耗也低，符合國家節能政策，對從事牽引供電的技術人員來講極具吸引力，當然是首選。因此，在城市軌道交通，市域、郊區鐵路建設中，采用何種牽引供電制式，必須將比選考慮的因素進行全面、綜合比較。

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

近年有一些專家和學者從不同角度對采用工頻交流25 kV供電制式進行了分析。

朱俐琴從與干線電氣化鐵路兼容考慮，建議關注交流25 kV供電制[4]。

為合理選擇牽引供電制式，文獻[5-11]從線網規劃及跨線運營、一次建設綜合投資(尤其隧道凈空開挖投資)、運營成本(包含再生制動能量利用)、迷流防護、供電能力、運營速度等方面進行了分析和比較，其基本觀點如下所述。

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

(2)供電制式的選擇與線路功能定位在線網中的作用相關，應統籌考慮。線網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區間土建投資比采用直流供電制式高(約2 500萬元/km)。當地下線路超過一定比例時(如29%)，采用直流制式供電方式節省投資；在以高架敷設為主的線路，交流制式節省投資。

如前面敘述之外，由于交流牽引供電系統存在電分相，在某些條件下對運營存在不良影響。一條線路決定是否采用交流工頻25 kV牽引供電，需對交流牽引供電系統電分相在一些條件下進行評估，以決定是否采用交流工頻制或選擇合適技術措施來處理這種不適。

2 交流電分相對設站和運輸的影響

由于地鐵采用直流牽引供電的牽引網在電氣上是貫通的，列車負荷由多個電源按供電電源對負荷的阻抗按反比例分擔負荷，直流牽引供電系統滿足連續供電是沒有問題的。所以，一條線路采用直流供電的不同牽引所的布點方案差異只是體現在數量和規模上的差異，只存在經濟因素，不會構成技術障礙。

然而，交流供電在牽引網上形成分相轉換區，軌道交通若采用交流25 kV制式，這個不足之處在某些條件下可能構成技術缺陷，導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(視列車編組、速度、追蹤間隔等形成的牽引網線負荷密度不同有差異)。若一條線路過短，則供電能力利用不充分，經濟性下降，影響交流供電方式優勢發揮。

站間距是考慮是否采用交流供電的必要因素，這在以往的設計中考慮不夠。分相技術實現方式也對交流25 kV制式適應軌道交通具有影響。器件式電分相的斷電距離較少(可做到小于100 m)，適應運營速度小于80 km/h，但對弓網不利，增加維修量。關節式電分相的斷電距離較大(一般不小于300 m)，關節式電分相本身適應高速運行，但設站距離較小、運營速度較低時，列車通過電分相困難，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用。

表1為采用鋼車體的溫州市域動車組在不同坡道、不同初始速度情況下無動力惰行模擬列車斷電通過電分相的距離和時間。

表1 溫州市域軌道交通不同初始速度列車

模擬計算中，線路條件為地面線路。由表1所列數據可看出，在列車速度低于15 km/h時，在大于6‰的坡道上自然通過任何結構的電分相均存在問題；列車速度40 km/h且坡道大于20‰時，可以自然通過器件式分相，但難以通過關節式分相。

從表1還可以看到，如果僅滿足于列車低速自然通過電分相，會影響列車運行時間進而影響運營能力。這在運輸能力富余的線路中影響不大，但在運輸能力需求較大的線路則必須加以考慮，畢竟國內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，當線路坡度較小、通過速度較高時，對運營影響不大。

當線路坡度較大，采用較小的設站距離(如小于1 000 m)、較低的運營速度時，必須要對列車通過電分相進行仔細研究，考慮自然通過分相對運營的能力影響。如果交流制對運營時的正常行車造成影響，則應在技術上采取額外措施。原來單一目標選擇的節能坡必須綜合考慮，設站也要重新優化。如果改變這些站前工程影響太大，那么從供電系統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，接觸網電分相結構目前有器件式和關節式兩種。為了有利于列車運行，應盡可能縮短無電區長度。工程設計中分相應盡量避開出站和大坡道地段。

如果能夠接受器件式分相的缺點，這種分相的無電區是最短的。

若不接受器件式分相轉而采用關節式分相，那么在列車運行速度不高(小于120 km/h)的情況下，降低接觸網線索張力而采用小跨距的關節式分相是可選的技術方案。

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

(1)不同形式的自動過分相[12-13]

但目前自動過分相技術在我國得到成熟持久應用的案例不夠多，而日本新干線的地面過分相應用較成熟。

(2)徹底解決過分相的同相供電[14-15]

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

但鑒于目前的設備和器件技術發展水平，采用同相供電會增加投資并帶來額外的功率損耗。選擇時一定要進行經濟技術對比。

4 結語

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中的主要技術標準之一。制式的選用因線網規劃及跨線運營、一次建設綜合投資、運營成本(包含再生制動能量利用)、迷流防護、供電能力、運營速度等多種因素綜合而定，不能一概而論，仍要結合具體工程具體情況進行綜合比選。列車低速運行和大坡道均不適應自然通過交流供電電分相，應結合具體情況研究處理措施。

本文特別強調了采用交流供電電分相缺陷對設站問題、列車運行引起的問題及解決措施。這個影響仍要結合具體工程具體情況進行分析。設計者在進行技術比選時，應該在項目前期綜合考慮到這個因素并做出科學合理決策，以避免工程出現重大設計缺陷。

[1] 方鳴.城市軌道交通的供電制式及饋電方式[J].中國鐵路，2003(4)：49-53.

[2] 吳樹強.城市軌道交通牽引供電方式的比較[J].城市軌道交通研究， 1998(3)：30-34.

[3] 郭其一.城市軌道車輛供電制式的分析研究[J].城市軌道交通研究，2011(8)：1-4.

[4] 朱俐琴.城市軌道交通系統供電制式與受流方式分析[J].電力機車與城軌車輛，2003(3)：29-31.

[5] 吳江濤.關于城際軌道交通牽引供電制式選擇的探討[J].世界軌道交通(技術與裝備)，2009(8):42-45.

[6] 周宇冠.兩種城際鐵路設計思路的對比分析[J].城市軌道交通研究， 2012(6)：4-6.

[7] 孫莉.不同供電制式對軌道交通線路隧道斷面的影響[J].城市軌道交通研究，2012(12)：74-77.

[8] 曾志長.市域鐵路兩種牽引供電制式工程投資對比分析[J].鐵路工程造價管理，2013(5)：9-13.

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[10]周求定.城市軌道交通線網規劃與牽引供電制式的選擇[J].都市快軌交通，2004(2)：42-45.

[11]閔國水.關于市域鐵路系統制式選擇的探討[J].中國鐵路，2014(12)：27-31.

[12]嚴云升.電力機車和電動車組自動過分相方案的發展方向[J].機車電傳動，2004(6)：7-10.

[13]羅星，羅文驥.高速、高坡、重載電氣化鐵路地面控制自動過分相工程設計的應用研究[J].鐵道標準設計，2013(7)：101-105.

[14]李群湛，賀建閩.電氣化鐵路的同相供電系統與對稱補償技術[J].電力系統自動化，1996(4)：9-12.

[15]張剛毅，李群湛.電氣化鐵道異相供電方式向同相供電方式的轉換[J].電力系統自動化，2012(11)：142-145.

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，教授級高級工程師，1987年畢業于西

南交通大學鐵道電氣化專業，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