單邊供電系統(tǒng)斷電區(qū)的地鐵車輛通過策略

延娓娓　劉　帥

（中車長春軌道客車股份有限公司電氣研發(fā)部，130062，長春∥第一作者，工程師）

目前，我國城市軌道交通系統(tǒng)主要以直流供電形式為主。即：牽引供電所從高壓電網(wǎng)獲取電能，經(jīng)過降壓變換和整流之后，將最終的直流電輸送至線路上的牽引供電設(shè)備。直流供電的電壓規(guī)格一般為750 V或1 500 V［1］。車輛受流方式一般分為兩種，即第三軌受流和接觸網(wǎng)受流，但不管使用何種受流方式，均要設(shè)置斷電區(qū)［2-3］，即供電不連續(xù)區(qū)域。其目的主要是解決單個(gè)牽引供電所的供電能力有限和供電臂不能夠無限長問題；此外，設(shè)置斷電區(qū)可方便供電線路的檢修，并可用于故障線路隔離［4］。

1　斷電區(qū)分類

由于斷電區(qū)的存在，牽引供電網(wǎng)絡(luò)也衍生出了多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，尤其以單邊供電方式和雙邊供電方式應(yīng)用最為廣泛［5］。

單邊供電形式如圖1所示，其每一個(gè)供電臂只由單一牽引變電所供電，接線方式較為簡單，建造成本相對較低。由于單邊供電的每段線路相互獨(dú)立，當(dāng)某供電臂發(fā)生短路時(shí)，故障不會(huì)擴(kuò)散，但冗余性較差，且還需要保證不同供電臂的電壓不能夠相差過大，以免對車輛的高壓系統(tǒng)造成影響［6］。

圖1　單邊供電系統(tǒng)斷電區(qū)分布示意圖

雙邊供電形式如圖2所示，其每一個(gè)供電臂均由兩個(gè)供電站同時(shí)供電，整個(gè)牽引供電系統(tǒng)的所有變電站通過供電設(shè)備形成并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，提高系統(tǒng)的冗余度和車輛再生制動(dòng)的能量利用率；且供電網(wǎng)內(nèi)不同區(qū)間的電壓基本相同，也就避免了車輛通過斷電區(qū)時(shí)因兩供電臂電壓差對列車牽引系統(tǒng)的沖擊。但此種供電形式的建造成本較高，并且當(dāng)出現(xiàn)局部短路時(shí)，故障可能會(huì)擴(kuò)散，甚至引起系統(tǒng)的崩潰。

2　單邊供電與車輛電路不匹配問題

經(jīng)過長期的理論研究和生產(chǎn)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，單邊供電系統(tǒng)較為適合于線路長度較短、正線運(yùn)行車輛較少的地鐵線路［7］。上海浦東國際機(jī)場捷運(yùn)系統(tǒng)的線路特點(diǎn)恰好與此相吻合，所以該項(xiàng)目采用了雙電源互為冗余的單邊供電方式。具體供電拓?fù)淙鐖D3所示。

圖2　雙邊供電系統(tǒng)斷電區(qū)分布示意圖

該線路正線采用第三軌供電，線路共分為2部分，即 T1-S1-T4線（西線）和 T2-S2-T4線（東線）。東西線又分別包括左線和右線，其中東線由S2牽引變電所單邊供電，西線由S1牽引變電所單邊供電。正線上的斷電區(qū)長度約為12 m，交叉渡線部分?jǐn)嚯妳^(qū)長度約為38 m。

該線路車輛采用4輛編組形式的A型鋁合金車，車輛單側(cè)共設(shè)置6臺受流器。受流器布置方式如圖4所示。全列車兩端受流器之間的距離約為53 m，半組車的兩端受流器距離為22.8 m。

為了讓車輛的各牽引逆變器均衡工作，并保證車輛在通過正線和交叉渡線的斷電區(qū)時(shí)依然具有足夠的牽引力，車輛設(shè)置了1條貫穿全車的高壓母線，此線纜與車輛的所有受流器相連。通過這種連接方式，即使當(dāng)全列車僅有1臺受流器與第三軌接觸，車輛全部的牽引逆變器均能夠具有高壓輸入而正常工作［8-9］。

圖3　浦東國際機(jī)場捷運(yùn)系統(tǒng)供電拓?fù)鋱D

圖4　浦東國際機(jī)場捷運(yùn)系統(tǒng)車輛受流器布置

正常情況下，車輛在各自所屬的4條線路上往返運(yùn)行。若因運(yùn)營需求，左線或右線上的車輛可以通過S1或S2衛(wèi)星廳后的交叉渡線來轉(zhuǎn)換軌道。由于車輛在換軌過程中僅有1個(gè)電源供電，所以能夠順利通過斷電區(qū)。但是當(dāng)車輛通過T3航站樓前的交叉渡線時(shí)，由于頭車的2個(gè)受流器間的距離大于斷電區(qū)長度，在某一時(shí)刻會(huì)出現(xiàn)車輛通過自身的高壓母線和受流器將分屬于不同供電所的第三軌短接（如圖5所示）。

該線路要求牽引網(wǎng)壓額定值為1 500 V，波動(dòng)范圍為1 000～1 800 V。假設(shè)牽引供電網(wǎng)絡(luò)的供電電能質(zhì)量較高，在所有線上車輛同時(shí)牽引時(shí)，網(wǎng)壓仍然能夠保持在1 500 V［10］。如果其中一個(gè)供電臂的網(wǎng)壓為1 500 V，另一個(gè)供電臂上的車輛在進(jìn)行電制動(dòng)且該供電臂的再生制動(dòng)吸收能力較弱時(shí)，該供電臂的網(wǎng)壓將會(huì)在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到1 800 V。如果此時(shí)有一列車經(jīng)過T3航站樓的交叉渡線，車輛將短接兩個(gè)供電臂，300 V的壓差全部落在車輛的高壓母線上。車輛選用的高壓母線為2×95 mm2的電纜（符合EN50306標(biāo)準(zhǔn)）。此電纜的電阻特性為0.21 Ω/km，車輛的長度為94 m，粗略估算高壓母線的電阻為0.010 5 Ω，則穩(wěn)態(tài)時(shí)流過高壓母線電流約為：

圖5　車輛短接兩個(gè)牽引供電所

由于線路和車輛母線上存在雜散電感（電感值與具體的車下線纜排布方式有關(guān)，具體數(shù)值難以確定，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)初步估計(jì)為毫亨級），則車輛分布參數(shù)電路可抽象為集中參數(shù)的RL等效電路模型（如圖6所示）。

圖6　車輛電路集中參數(shù)等效模型

該電路為典型的一階線性電路，電流i的解析式為：

該電路的時(shí)間常數(shù) 為：

車輛高壓母線的電流響應(yīng)曲線如圖7所示。由圖可知，經(jīng)過3時(shí)間后電路基本達(dá)到穩(wěn)態(tài)，即30 ms后車輛高壓母線電流約為28 kA。運(yùn)營規(guī)則限制車輛要以不高于20 km/h的速度經(jīng)過斷電區(qū)，則車輛高壓母線短接兩供電臂的時(shí)間約為2.7 s。這段時(shí)間內(nèi)，電路已經(jīng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，若不采取任何措施，車輛高壓母線會(huì)因過電流而損壞，且牽引供電所的斷路器也可能因此而跳斷，造成大面積的牽引網(wǎng)停電。

圖7　車輛高壓母線電流響應(yīng)曲線

3　兩側(cè)具有壓差的斷電區(qū)通過策略

為避免列車通過具有壓差的斷電區(qū)時(shí)產(chǎn)生過電流，上海浦東國際機(jī)場捷運(yùn)系統(tǒng)車輛設(shè)置了高壓母線斷路器，即在兩中間車之間設(shè)置1臺高速斷路器（見圖8）。當(dāng)列車即將進(jìn)入斷電區(qū)時(shí)，司機(jī)通過按鈕發(fā)出高壓母線斷路器分?jǐn)嘀噶睿藭r(shí)列車的高壓母線被分為兩段，由于斷電區(qū)的長度大于半組車兩端受流靴的距離，則分?jǐn)嗪蟮膬啥文妇€均不會(huì)短接兩供電臂，而當(dāng)列車運(yùn)行至兩端受電靴分屬于不用供電臂時(shí)，因高速斷路器切斷了兩段母線的電氣連接，從而避免了過電流的產(chǎn)生。

為了保證系統(tǒng)的可靠性，防止高壓母線斷路器因機(jī)械故障等原因引起無法及時(shí)分段，另設(shè)置1臺熔斷器與高速斷路器串聯(lián)，作為斷路器的后備保護(hù)。此外，除了能夠在列車經(jīng)過斷電區(qū)時(shí)將高壓母線分段外，高壓母線斷路器還能夠隔離車輛的部分短路故障。如某半組車的牽引逆變器保護(hù)斷路器前端出現(xiàn)對地短路時(shí)，高速斷路器因過電流而斷開，以保證無故障的半組列車正常工作，充分保障列車的可用性。

4　結(jié)語

圖8　車輛高壓母線中高速斷路器設(shè)置

以上海浦東國際機(jī)場捷運(yùn)系統(tǒng)為例，針對單邊供電的牽引網(wǎng)與車輛電路的不匹配問題進(jìn)行了深入分析，提出了設(shè)置高壓母線高速斷路器的解決方案。該方案在保證車輛能順利通過兩側(cè)供電臂具有電壓差的斷電區(qū)的同時(shí)，可最大限度地提高車輛可用性。

提出的解決方案雖然能夠避免了因車輛短接不同供電臂而產(chǎn)生的過電流故障，但由于車輛通過斷電區(qū)的時(shí)間較短，兩側(cè)供電臂的電壓差可能會(huì)對列車的牽引和輔助系統(tǒng)造成一定的沖擊。當(dāng)壓差超過系統(tǒng)額定電壓的10%時(shí)，車上的部分電氣部件將承受因電壓突變而損壞的風(fēng)險(xiǎn)。此問題需待線路建成后，通過現(xiàn)場調(diào)試試驗(yàn)加以解決。

［1］董曉冬，趙國偉，袁志宏.城市軌道交通工程直流牽引供電系統(tǒng)運(yùn)行方式分析［C］∥2012中國城市軌道交通關(guān)鍵技術(shù)論壇暨第三屆中國（長春）國際軌道交通論壇論文集.長春：中國土木工程學(xué)會(huì)，2012.

［2］戰(zhàn)克強(qiáng).城市軌道交通接觸軌供電分段方式的探討［J］.電氣化鐵道，2008（5）：38.

［3］胡懿洲.城市軌道交通接觸軌電分段設(shè)置方式與改進(jìn)建議［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2014，34（6）：124.

［4］賴聲鋼.接觸軌系統(tǒng)在道岔區(qū)可能存在列車失電問題的原因分析及解決方案［J］.城市軌道交通研究，2015，18（5）：115.

［5］段術(shù)波.廣州地鐵X號線二期斷電區(qū)問題分析［J］.中小企業(yè)管理與科技，2016（6）：222.

［6］桑艷艷.北京地鐵直流牽引供電系統(tǒng)主接線及運(yùn)行方式分析［J］.數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2010（8）：180.

［7］傅曉鋒，康積濤，劉文.新型城市軌道直流牽引供電系統(tǒng)研究［J］.電氣化鐵道，2016，27（3）：42.

［8］程永誼，鈕海彥.無錫地鐵1號線列車母線高壓電路設(shè)計(jì)與探討［J］.現(xiàn)代城市軌道交通，2013（1）：14.

［9］李科，雷張文，朱偉健.五編組地鐵車輛受流器配置方式分析［J］.技術(shù)與市場，2017，24（3）：42.

［10］姚升.地鐵再生制動(dòng)能量回饋裝置設(shè)計(jì)［J］.中國科技信息，2016（22）：67.