山區城市地鐵供電系統設計關鍵技術

曾之煜，敖娜娜

（1. 中鐵二院工程集團有限責任公司，成都 610031；2. 四川省建筑設計研究院，成都 610000）

1 線路情況

貴陽市以山地、丘陵為主，貴陽軌道交通1號線作為該城市建設的第一條軌道交通線路，土建工程較為復雜，地面段、地下段及高架站交替，個別地段還需穿越峽谷，施工工法更是多種多樣，同一個區間常出現明挖、暗挖等多種工法混用；個別地段還有連續長大坡道，坡度達28‰。1號線正線長34.464 km，其中地下線 29.022 km，高架線 2.997 km，地面線2.445 km；共設車站24座，其中地下車站20座，地面車站與高架車站各2座[1]。

供電系統設計作為整個地鐵工程設計的重要環節，其功能不僅滿足整個地鐵工程的特點，還應貼近城市特點，滿足用戶的需求。本工程供電系統采用110/35 kV兩級電壓集中供電方式，牽引供電系統和動力照明供電系統共用35 kV供電網絡[2-3]；共設置2座主變電所；牽引供電系統采用DC1 500V架空接觸網供電、走行軌回流方式；共設置13座牽引降壓混合變電所（其中正線11座，車輛段、停車場各1座），14座降壓變電所。

2 列車再生制動能量回饋方案

國內不少城市設置了列車再生制動能量吸收/回饋裝置，通過運營反饋，部分地區能量吸收/回饋取得了明顯效果。本線貴陽北站—蠻坡站有一連續長大坡道，長約5 km，高差達125 m，線路坡度28‰。通過理論分析及軟件仿真，列車在該區段制動時，釋放的再生能量可觀，但無法被相鄰列車較好吸收，故該地段有必要設置再生制動能量吸收裝置。同時經過比選論證，回饋至中壓的方案為當前的主流技術，因此設計方案為在貴陽北站、雅關站、蠻坡站及延安路站牽引變電所設置再生制動能量回饋裝置，將列車再生制動能量回饋至35 kV交流側。另外從理論分析及仿真結果看出，全線其他牽引變電所也應設置再生制動能量回饋裝置，但為節約初期建設成本，且在確定方案時（2013年）國內尚無回饋至35 kV側方案的運營數據，因此其余牽引變電所暫做土建預留，待后續條件成熟時增設。車站牽引變電所需要吸收的再生制動能量如表1所示。

表1 車站牽引變電所需要吸收的再生制動能量Tab. 1 Regenerative braking energy required by the station traction substation

3 牽引網上、下行并聯方案

由于前述貴陽北站—蠻坡站連續長大坡道的存在（貴陽北站牽引所距雅關站牽引所3 867 m，雅關站牽引所距蠻坡站牽引所2 802 m，這三個站均設再生制動能饋裝置），導致牽引網供電有如下問題：1）下坡線路列車制動釋放的再生能量無法有效吸收利用；2）對于上坡線路來說，在列車啟動和行車過程中，列車持續取流，牽引網電流大，電能消耗大，導致牽引網的電壓降大；對于下坡線路來說，在列車行車過程中，牽引網電流很小，電能消耗小，牽引網的電壓降很小。問題1基本上可由前述再生制動能量回饋裝置解決，為解決問題2，同時進一步使列車再生制動能量就近被相鄰列車吸收，提出在區間適當位置（距貴陽北站約2 km）將上、下行牽引網并聯[4]，方案示意圖見圖1。

圖1 牽引網上、下行并聯Fig. 1 Parallel supply connecting the upward and downward of the traction network

考慮運營倒閘操作的便利性，并聯開關采用電動隔離開關。將上、下行牽引網并聯后，原有的直流雙邊聯跳變成了多邊聯跳關系，即牽引網上、下行并聯處左右牽引網任一行發生故障，都應聯跳其他三個供電臂，本工程設置了專門的多邊聯跳保護裝置實現上述功能。

根據行車調度規則，貴陽北站—蠻坡站區間內的上行或下行接觸網出現故障時，該區段內的上、下行均不再考慮正常行車，根據設置的折返線組織小交路臨時折返運行。因此，將牽引網上、下行并聯后可能使故障范圍擴大而對運營帶來的影響可以忽略[5]。

4 特殊區段電纜敷設方案

全線35 kV環網電纜在高架、路基、地下隧道交替敷設，由于各種原因，個別設計方案在具體施工過程中需調整和優化，例如：1）路基段，原設計方案為電纜于線路兩側電纜槽內敷設，電纜槽尺寸為400 mm×400 mm，施工過程中發現土建施工完畢的電纜槽尺寸僅為250 mm×250 mm，難以滿足現場安裝的需要，同時，原設計方案中電纜槽內設置了泄水孔，但現場發現電纜槽內無排水措施，電纜長期浸泡于水中，安全存在極大隱患。因此現場調整為支架敷設方式，直接將支架固定在電纜槽旁已經硬化（C20以上混泥土）的地面上，同時需滿足與弱電電纜的間距要求。2）高架或路基區段岔區過軌，原設計方案為環網沿線路中間疏散平臺下方至岔區處，通過承軌臺之間約10 cm的縫隙穿越，施工過程中發現，部分地段因土建誤差導致縫隙只有6～7 cm而無法滿足電纜轉彎半徑的要求，部分地段因岔區采用整體道床導致整個岔區無結構縫，并且電纜提前過軌又和弱電電纜及接觸網立柱有沖突。該類問題現場解決辦法為將縫隙不足10 cm的縫隙，處理鑿寬以滿足電纜轉彎半徑要求，在沒有伸縮縫的地方直接在道床上開一個寬15 cm，深15 cm的淺槽。3）行政中心站—會展中心站區間有一條長約330 m的岔線，原設計方案為環網電纜均采用吊頂敷設，后為便于運營檢修，均改為穿軌道過軌，與弱電電纜同側敷設，同時滿足與弱電電纜的間距要求[6]。

通過本工程環網施工可以看出，山區地鐵環網電纜敷設對設計方案提出了更高的要求：首先山區土建工程復雜，土建施工誤差可能較大，后續因為工期的原因只能由機電系統專業自己消化這些誤差，因此供電系統設計需留有裕量；其次，山區地鐵土建工法較多，隧道、橋梁、軌道形式多種多樣，要求供電系統設計必須全面了解每種工法對本專業施工的影響，并提前做好預埋預留，寧多勿缺。

5 特殊區段接觸網方案

5.1 高架段剛性懸掛方案

本線接觸網懸掛類型為：正線隧道區段，接觸網采用架空“П”型剛性懸掛[7]。

地面及高架區段一般采用架空柔性懸掛，特殊區段（貴陽北站—雅關站）采用架空“П”型剛性懸掛。因貴陽北站—雅關站在數座山包中穿越，高架與穿山隧道來回交錯，其高架區段較短，不利于布置柔性接觸網錨段關節，因此高架段采用剛性懸掛貫通，接觸網立柱設于線路中間。特殊區段線路縱斷面及接觸網安裝方式分別見圖2、圖3。

圖2 特殊區段線路縱斷面Fig. 2 The line profile in the special section

圖3 特殊區段剛性懸掛安裝Fig. 3 The rigid suspension installation in the special section

5.2 地面及高架車站懸掛方案

在地面及高架車站，車站采用島式站臺，為節約成本及配合景觀協調，接觸網不再單獨設立柱，而利用既有車站結構鋼柱進行安裝。

5.3 過防淹門方案

圖4 地面站接觸網安裝Fig. 4 Installation of the ground station catenary

本線工程穿越南明河，防淹門采用上下平面滑動的閘刀式防淹門，在發生河水倒灌時，防淹門啟動，至上而下移動，直至封閉整個隧道。防淹門的這種操作方式對接觸網系統具有破壞性，為盡量減小防淹門啟動時對接觸網系統的破壞范圍，剛性懸掛通過防淹門時一般采用架設獨立小錨段的方案，即設置一段剛性懸掛小錨段，分別與防淹門兩側的剛性懸掛形成錨段關節并實現電氣連接。考慮到防淹門啟動時，匯流排無法斷開，將卡在防淹門閉合范圍內，造成防淹門與底板間存在較大間隙，密閉性差，故在防淹門兩側分別對匯流排進行錨固，防淹門處匯流排采用外包接頭連接。該方案在防淹門啟動時，匯流排自外包接頭處斷開，不會掉落在防淹門閉合范圍內，防淹門密閉性好，且對接觸網系統的破壞范圍小，在防淹門復位后架設恢復接觸網所需的時間短。

6 接地網

為滿足弱電系統的接地要求，綜合接地網接地電阻要求不大于1 Ω。貴陽地處山區，地質多為中風化泥質灰巖或夾泥巖，平均土壤電阻率達到320 Ω·m，例如竇官站甚至高達 1 404 Ω·m。照此推算若不采用其他措施，該車站接地電阻高達9.1 Ω，遠不能滿足接地電阻的要求。因此，對于土壤電阻率小于 500 Ω·m的車站，采用換土并填充降助劑，對于土壤電阻率大于500 Ω·m的車站，采用降助劑和離子接地極，水平接地體采用T2紫銅排，垂直接地體采用純銅棒和離子接地極交錯布置。采用降助劑和離子接地極后，竇官站接地電阻理論計算值為0.7 Ω。接地網施工方案見圖5。

7 結語

隨著二、三線城市的崛起，未來還有更多的山區城市建設多種形式的軌道交通。本文僅列舉了貴陽市軌道交通1號線工程的一些設計方案，目前首通段已試運營，設計方案已逐步實施，其設計功能也基本達到預期。但是文中提到的內容還需要進一步思考和總結，比如結合運營數據進一步優化后續線路再生制動能量回饋裝置的配置方案，牽引網上、下行并聯的實際效果，接地網能否在滿足接地電阻要求的前提下進一步降低成本和施工難度，離子接地體對環境的影響等。只有不斷思考和總結，地鐵供電系統設計才更能符合城市的特點，更貼近用戶的需求。

圖5 垂直接地體安裝Fig. 5 Vertical grounding installation