雙制式牽引機車制式轉換區柔性接觸網方案研究

李乾　陳善樂　秦建偉

摘 要：針對國內現已運營成熟的AC25 kV、DC1 500 V和DC750 V三種供電制式的柔性接觸網授流系統，本文介紹了區間式和車站式兩種制式分離的方式，以及共用受電弓和專用受電弓兩種機車傳動系統配置及切換方式，并對其方式的選擇進行分析。在此基礎之上，以某工程為例，對雙制式牽引機車制式轉換區柔性接觸網方案進行研究分析。

關鍵詞：雙制式牽引;制式轉換;接觸網;中性段

中圖分類號：U225 文獻標識碼：A

1 概述

我國牽引供電制式的現狀為鐵路采用的交流25 kV與城市軌道交通采用的直流1 500/750 V制式并存。在經歷了區域長大干線鐵路和城市軌道交通的迅猛發展后，填補二者之間空白的市域市郊線路的建設得到國家的大力推動。借鑒歐洲鐵路互通連接的方式，銜接交、直流制式的雙制式牽引車輛有潛在的大量需求，制式轉換區接觸網的設置方案需要重新探討。

2 制式分離方案

制式轉換區為車輛進行傳動系統轉換動作的區域，制式分離是設置制式轉換區的前提。不同制式系統分離方案有區間制式分離和車站制式分離兩種方式，都能夠在安全地將相鄰的不同牽引供電制式的接觸網實現電氣分離的同時，保證兩個制式下牽引供電的順利進行。

2.1 區間制式分離

國際上，在日本、西班牙和法國等地均有區間制式分離方式的應用，不同供電制式的接觸網之間采用分段絕緣器進行絕緣。

2.2 車站制式分離

車站制式分離方式指不同供電制式在車站處銜接過渡。有些轉換車站的某些股道的接觸網可以由兩個供電制式供電，可根據機車轉動系統的需要切換網壓制式，而有些設有

橫向、縱向都分離接觸網的轉換車站不需要切換具體股道的電源。

裝備有可切換接觸網裝置的股道上架設分段絕緣器將接觸網分成獨立的供電分段，每個供電分段僅受其專用的隔離開關操控。接觸網的絕緣等級應與較高標稱電壓的制式匹配，載流能力應與較低標稱電壓的制式匹配。當行車路線被選定之后供電制式隨之轉換。

2.3 制式分離方式的選擇

兩種制式分離方式的特性見表1。

通過分析上表可知，兩種方式均有國外經驗可借鑒，車站制式分離方式雖然實施條件苛刻且投資成本高，但實現的功能多樣，可滿足多種運行工況的需求。因此，制式分離方式的選擇應根據具體工程需求來確定。

3 機車傳動系統配置及切換方式

3.1 雙制式牽引變流器配置專用受電弓

交流和直流兩種牽引運行工況時公用逆變環節和牽引電機，傳動系統方式的電路原理圖如圖1。

考慮不停車通過區間制式分離區及在制式轉換車站停車轉換兩種方式，傳動系統切換過程如圖2，機車工作在A制式時，首先觸發控制器控制A制式牽引變流器封鎖脈沖，并斷開主斷路器。隨后觸發控制器控制A制式受電弓降下，同時B制式受電弓升起。最后觸發控制器控制B制式傳動主電路斷路器閉合，并產生牽引變流器觸發脈沖投入牽引工作，完成牽引傳動系統的切換。

3.2 雙制式牽引變流器配置共用受電弓

這種方式共用了取流受電弓，電路原理如圖3。

考慮不停車通過區間制式分離區及在制式轉換車站停車轉換兩種方式，傳動系統切換過程如圖4，首先觸發控制器控制A制式牽引變流器封鎖脈沖，并斷開主斷路器。傳動系統斷路器斷開后，切換當前受電弓工作模式以適應B制式工作狀態。最后觸發控制器控制B制傳動系統主電路斷路器閉合，牽引變流器產生脈沖投入牽引運行，完成不同制式的傳動系統切換。

3.3 機車傳動系統配置的選擇

上述兩種雙制式牽引列車的傳動系統配置方案的差異點集中在受電弓的使用上，兩種方案各有優劣。

與交流供電制式線路相比，直流供電制式線路需要增加其受電弓的質量和接觸壓力用以抑制弓網燃弧的發生。若交流側線路運行速度有一定要求，弓頭加重的手電弓跟隨性下降，將嚴重影響受流質量。因此專用受電弓方式保留了兩種制式的受電弓，對于交、直流區間制式分離方式十分適用。

共用受電弓的方式減少了車輛過制式分離區的流程步驟，控制電路的設計更為簡單，且減小了列車自重和在傳動設備上的投資。但由于DC1 500 V牽引供電制式的特性，將導致雙制式受電弓的歸算質量增加，這將降低弓網受流的穩定性。

機車傳動系統配置選擇應充分考慮線路的運輸性質和設備的客觀條件等工程制約因素。

4 制式轉換區接觸網方案

本小節以某試車線工程為例，對區間制式分離的轉換區接觸網方案的設置進行詳細研究。

4.1 中性段接觸網的設置

中性段的設置是為了保證機車通過時受電弓不會將兩側接觸網短接，進而在真正意義上實現制式分離。從絕緣方式的角度出發，中性段可分為“關節式”和“器件式”兩種。關節式一般由連續的絕緣錨段關節構成，需要7至8跨，長度約300 m。器件式中性段的結構簡單，但由于硬點突出，常用于非正線的運行速度較低區段。考慮試車線長度有限且運行速度低，采用器件式中性段方案，如圖5，中性段由兩組絕緣器件隔離出來，兩側分別為交流和直流制式接觸網。

4.2 車輛過制式轉換區

試車線快軌車輛近期采用5M1T的6輛編組，車長組合21 m+4x20 m+21 m。直流和交流段均采用雙弓運行，受電弓分別位于2號車廂和5號車廂，最遠弓間距離為75 m。中性段無電區長度應大于雙弓間距，避免出現雙弓將中性段兩側短接。參考之前介紹的配置共用受電弓的機車傳動系統切換方式，車輛過制式轉換區方案如圖6。

車輛經過地面磁鐵1處，斷開A制式電路高速斷路器執行惰行指令;經過磁鐵2處開始執行轉換命令，完成一系列機車內部傳動系統切換動作，隨后系統確認轉換狀態，若狀態沒有完成則提示司機進行手動切換操作;經過磁鐵3處時再次判斷轉換狀態是否完成，若沒有完成將進行強制降弓;經過磁鐵4處觸發車載控制信號，提示司機安全通過無電區，真空斷路器閉合，B制式牽引系統開始啟動。

5 結論

文章提出了一雙制式甚至多制式牽引車輛通過柔性接觸網轉換制式的研究思路，先根據工程項目的功能定位和運營需求進行制式分離和機車傳動系統配置的選擇，再進行制式轉換區接觸網方案研究。區間制式分離的方式容易實施，是制式分離的首選方案，也是車站分離方式的技術基礎。車站分離的方式具備多制式和多工況運行的基礎條件，在未來將會是更智慧的方案。多制式牽引變流器是制式轉換區設置的設備基礎，而多制式共用受電弓并不是。對于中性段接觸網的設置，器件式適用于低速通過的區間分離和車站分離方式;若交流制式的運行速度標準較高，則關節式方案更優，且專用受電弓有條件配合相應的接觸網張力。

參考文獻：

[1]KieBling.Puschmann，Schmieder.電氣化鐵道接觸網：規劃 設計 施工[M].中國電力出版社，2004.

[2]于萬聚.高速電氣化鐵路接觸網[M].西南交通大學出版社，2003.

[3]Peroutka Z，Blahník V，Zak J，et al.Compensation of low-frequency disturbances for traction converter with medium-frequency transformer for multi-system suburban units[C].Power Electronics and Motion Control Conference （EPE/PEMC），2010 14th International.IEEE，2010：T9-44-T9-51.

[4]何海華，王炳寬，蘇亮，等.軌道交通CC750MS 型雙流制牽引輔助集成變流器[J].城市軌道交通研究，2014，17（09）：116-118.

[5]歐陽瑞璟.市域快軌雙制式供電的牽引主回路及高壓設備研究[J].都市快軌交通，2017，30（06）：84-88.