昆明地鐵4號線牽引供電制式和授電方式探討

李先敏，陶 磊

（昆明地鐵建設管理有限公司，云南昆明 610011）

0 引言

現(xiàn)階段我國眾多城市的地鐵線路工程、輕軌線路工程，主流牽引供電系統(tǒng)電壓等級主要采用DC 750 V和DC 1500 V的2種授電方式。授電方式也稱饋電方式，是指將電流從牽引變電所饋送到城市軌道交通列車的牽引網(wǎng)形式。城市軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)，GB/T 10411—2005第7.1.1條規(guī)定：“向城市軌道交通電動客車供給電能的接觸網(wǎng)，分為接觸軌和架空接觸網(wǎng)。架空接觸網(wǎng)又分柔性架空接觸網(wǎng)和剛性架空接觸網(wǎng)。”這2種授電方式均可滿足DC 750 V和DC 1500 V供電制式。架空接觸網(wǎng)分為柔性懸掛方式、剛性懸掛方式2種；接觸軌根據(jù)授電部位的情況也可以分成 3種方式，即上部授流方式、下部授流方式以及側部授流方式。

1 牽引供電制式方案的多角度對比

目前，昆明城市軌道交通首期工程1，2號線、1號線延長線、6號線一期工程、3號線工程均已建成開通，牽引供電制式均采用DC 750 V接觸軌供電，走行軌回流方式。在建的2號線二期工程、1號線西北延工程、6號線二期工程、9號線牽引供電制式亦采用DC 750 V接觸軌供電，走行軌回流方式。為此，從多個角度對比昆明地鐵4號線牽引供電制式選擇的技術經(jīng)濟性。

1.1 牽引變電所分布

引變電所的分布需根據(jù)所建工程的線路情況、車輛型式及列車編組、行車組織方案等資科相關，通過牽引供電計算，經(jīng)技術經(jīng)濟比選后確定。根據(jù)相關工程經(jīng)驗，對于同一條線路，與牽引網(wǎng)電壓等級采用DC 750 V相比，采用DC 1500 V時可以減少牽引變電所數(shù)量。由于兩種電壓等級下的牽引變電所單元投資差異較?。孔冸娝顿Y差異在30萬元人民幣以內(nèi)，設備用房面積也基本相同），因此，牽引網(wǎng)電壓等級采用DC 1500 V時不僅可以節(jié)省大量的牽引變電所設備投資，也能有效地降低土建投姿。

1.2 牽引變電所安裝容量

采用DC 750 V電壓等級時，牽引變電所設置數(shù)量較多，而牽引整流機組的容量選擇得考慮全線牽引整流機組容量等級不宜過多等因素，因此，一般情況下，DC 750 V全線牽引整流機組的總安裝容量比采用DC 1500 V電壓等級要大，牽引供電設備的利用率相對較低。

1.3 電能損耗

牽引供電系統(tǒng)的電能損耗包括電源系統(tǒng)損耗、牽引整流機組損耗和牽引網(wǎng)損耗3方面。淤DC 750 V和DC 1500 V這2種方案的電源系統(tǒng)的電能損耗可粗略地認為不變；于采用DC 750 V電壓等級時，由于全線牽引整流機組的總安裝容量大，因而牽引整流機組的空載損耗大；盂由于牽引網(wǎng)上流過的電流大，因而牽引網(wǎng)損耗大。由此可知，采用DC 1500 V電壓等級時的電能耗比采用DC 750 V電壓等級時小，相同電壓等級下采用接觸軌方式的電能損耗比采用架空接觸網(wǎng)方式小。

1.4 授流質(zhì)量及允許列車運行速度

（1）接觸軌系統(tǒng)。接觸軌系統(tǒng)在道岔區(qū)、人防門、防淹門、平交道口及需設置電分段的地方均須設設置斷軌，雖然在接觸軌的端部設置了具有適量縱向坡度的端部彎頭，但集電靴滑入接觸軌時仍會受到一定的沖擊，如果列車速度過快，則可能會損壞集電靴或接觸軌。此外，由于制造和安裝誤差，相鄰2根（段）接觸軌的滑動面會有細微的高差，列車高速通過時，可能會引起集電靴的跳躍，并在集電靴和接觸軌間產(chǎn)生電弧，電弧會對集電靴和接觸軌產(chǎn)生一定的損傷，并縮短集電靴的更換周期。因此，在采用接觸軌授流方式時，為確保授流質(zhì)量，通常允許的列車的最高運行速度會控制到相對較低的等級。目前城市軌道交通采用接觸軌系統(tǒng)時，列車的最高運行速度，國內(nèi)為120 km/h，國外為130 km/h。

（2）架空接觸網(wǎng)。對于柔性架空接觸網(wǎng)，如全補償簡單鏈形懸掛接觸網(wǎng)采用了張力自動補償裝置，并通過吊弦調(diào)節(jié)接觸導線高度，在某一特定溫度下，接觸導線處于無馳度狀態(tài)，在整個跨距內(nèi)接觸導線至軌面保持相等的高度，基本消除了接觸導線的硬點，可滿足列車較高運行速度的要求。目前，采用鏈形懸掛接觸網(wǎng)時，法國阿爾斯通公司的高速列車的最高試驗速度已達到560 km/h，國內(nèi)高鐵列車的運營時速已達到380 km/h。

（3）剛性架空接觸網(wǎng)。剛性架空接觸網(wǎng)沒有特殊硬點而且安裝精度高、穩(wěn)定性好、具有良好的弓網(wǎng)關系，授流質(zhì)量較好。國內(nèi)外的有關試驗及實際運營表明，在列車運行速度達到160 km/h時，授電弓的取流也是比較平穩(wěn)的，弓、網(wǎng)間的離線率極小。

1.5 安裝結構

（1）接觸軌系統(tǒng)主要由接觸軌、絕像支架、防護罩等組成，結構簡單。

（2）柔性空接觸網(wǎng)由接觸懸掛、支持裝置、定位裝置、支柱和基礎組成；為滿足城市軌道交通列車大電流的需要，柔性架空接觸網(wǎng)除接觸導線和承力索外，還需增設輔助饋線；并且接觸導線和承力索均需設置張力補償下錨裝置，結構復雜。

（3）剛性架空接觸網(wǎng)由接觸導線、匯流排和支持裝置組成，通過支持裝置的埋入螺栓固定在隧道頂部。由于匯流排載流能力大，除匯流排和一根接觸導線外，無須增設輔助饋線，并且接觸導線和匯流排均采用無張力架設，結構較簡單、緊湊。

1.6 工程實施

接觸軌裝位置低，安裝、調(diào)整方便，不需要配置大型施工機械。接觸軌發(fā)生扭曲變形后的矯正或按小曲線半徑要求進行的預都可以在材料車間完成。接觸軌的切割可以利用小型專用切割機具現(xiàn)場處理，工程實施容易。

架空接觸網(wǎng)安裝位置高，其道內(nèi)打孔、隧道外立桿、支持裝置裝配、放線、調(diào)整均需配置大型專用機械。其中，柔性架空接觸網(wǎng)號線呈柔性且?guī)в休^大張力，安裝調(diào)整工作量大；剛性架空接觸網(wǎng)的導線及型材剛性固定，調(diào)整工作量較柔性架空接觸網(wǎng)小，但安裝精度要求高。

1.7 城市景觀

各方案在地下區(qū)段對城市景觀均無影響，只是在地面和高架區(qū)段可能對城市景觀產(chǎn)生影響。

（1）接觸軌。接觸軌安裝位置低（距軌面高度臆0.5 m），對城市景觀無影響。接觸軌安裝時充分利用車體下方空間，對高架橋體量無影響。

（2）柔性架空接觸網(wǎng)。柔性架空接觸網(wǎng)的安裝位置高，接觸網(wǎng)距軌面高度應符合規(guī)定，一般為4.8 m，最低高度逸4.4 m，允許的誤差為±15 mm，導線坡度變化率臆2譯，困難時應約4譯，結構高度一般為1.1 m，支柱高度一般為（7～8）m，為了滿足列車大電流的需要，導線數(shù)量較多，一般需要1～2根接觸線、1根承力索、3～4根輔助饋線，另外還需設置1根架空地線，整個系統(tǒng)結構比較復雜。

1.8 車輛類型

昆明軌道交通4號線工程采用B型車，B型號車的授流方式具有一定的靈活性，既可采用架空接觸網(wǎng)授流方式，也可采用接觸軌授流方式，均滿足工程實施性要求。

從供電電壓采看，采用DC 750 V電壓等級時，車輛的IG-BT（Insulated Gate Bipolar Transistor，絕緣柵雙極型晶體管）靜止逆變器和110 V電源的價格較便宜，約為采用DC 1500 V電壓等級時的60豫～70豫。但采用DC 1500 V電壓等級時，車輛的牽引電機、逆變器等電氣設備的體積小、重量輕，易于安裝在有限的車體上、下部空間中，方便了設備布置，減輕了車體的重量。在相同電路電阻的情況下，車輛授電端的電壓降僅為采用DC 750 V電壓等級時的一半，這對車輛的啟動、功率的發(fā)揮等都有極大的好處，并且車輛主回路的電流小、節(jié)省銅材效果明顯，有利于車體輕量化。

表1 牽引供電方案技術經(jīng)濟比較

目前采用上述3種牽引供電制式的車輛，國內(nèi)生產(chǎn)技術均成熟、可靠，都具備成熟的運營維護經(jīng)驗。

2 關于牽引供電制式的選擇建議

根據(jù)昆明市軌道交通4號線工程的具體情況，3種可選方案的技術、經(jīng)濟綜合比較見表1。

從表1可知，當牽引電壓等級采用DC 1500 V供電時，有利于減少引變電所數(shù)量，減少工程投資，經(jīng)濟效益明顯。因此，4號線工程摩引供電電壓等級應選擇DC 1500 V。同時，采用DC 1500 V架空接觸網(wǎng)授流具有生產(chǎn)技術成熟、安全性好、初期投資小、允許運營速度高等優(yōu)點，但也存在地上區(qū)段維護工作量大、對沿線城市景觀有一定影響等缺點；而采用DC 1500 V接觸軌授流，則具有生產(chǎn)技術成熟、對沿線城市景觀無影響、維護工作量小等優(yōu)點，但也存在安全性稍差、初期投資稍高等缺點。

昆明市是國際著名旅游城市，采用接觸軌授流有利于維護高架區(qū)段沿錢城市景觀。并且昆明市已建成的1，2，3，6號線軌道交通線路，均采用了接觸軌授流，4號線工程采用接觸軌授流有利于運營管理與維護。另外，火車南站是1，4號線換乘車站，已與高鐵車站同步實施。呈貢站是1，4號線換乘車站，接乘節(jié)點部分已與1號線同步實施。上述車站4號線隧道限界已按接觸軌授流方式實施，隧道凈空不能滿足架空接觸網(wǎng)的安裝限界要求。

綜合考慮技術經(jīng)濟因素，推薦4號線工程牽引供電制式采用DC 1500 V接觸軌供電、走行軌回流方式。

3 結論

一個城市的軌道交通供電制式相對統(tǒng)一，采用哪種的牽引供電制式，涉及到供電、車輛、限界、建筑結構、標梁及隧道等多個專業(yè)，不僅會影響牽引供電系統(tǒng)和車輛設備的投資，還會影響車站、區(qū)間橋的土建規(guī)模和投資，甚至影響到城市軌道交通將來的運營成本。因此，結合一個市城市軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃以及當前線路工程的具體情況，專門開展針對該線路的專題研究非常有必要。