突發災害下城市軌道交通牽引供電系統的適用性分析

林 珊 王洪杰

(廣州地鐵設計研究院股份有限公司， 510010， 廣州∥第一作者， 正高級工程師)

城市軌道交通作為大容量的公共交通工具，在突發災害下其供電系統的適用性關系到列車的運行、人員的疏散和環境的安全等關鍵問題。目前,對城市軌道交通供電系統正常方式下的供電可靠性的研究相對較多，如文獻[1]通過仿真計算的方法對配電網進行可靠性評估，文獻[2-3]給出了提高配電網可靠性的方法和措施。以上研究多關注城市軌道交通供電系統在正常運行方式下的可靠性分析，較少涉及在突發災害下的適用性研究。

本文以廣州地鐵13號線為例，分析了“5.22”特大暴雨災害對個別變電所牽引供電設備造成極其嚴重損壞情況下的供電系統供電能力和適用性，并結合后續恢復運營及搶險救災的過程，對城市軌道交通運營牽引供電系統抗災救災給出相應的建議。

1 廣州地鐵13號線牽引供電系統概況

廣州地鐵13號線(首期工程)線路全長約27.03 km，共設置11座地下車站。其在官湖站南側設置1座車輛段(含運營控制中心)，設置2座主變電所(墩美和官湖)；采用A型車8輛編組，最高運行速度為100 km/h。當前開通試運營期,行車對數為8對/h。供電系統采用110/33 kV兩級電壓制的集中供電方式，牽引供電系統采用直流1 500 V供電;全線所有車站及車輛段設置牽引降壓混合變電所，采用架空接觸網供電。

2 突發災害下廣州地鐵13號線牽引供電系統的適用性分析

2.1 突發洪水災害概況

2020年5月21日，廣州市突降特大暴雨，新塘鎮3 h最大降雨量達 297 mm。大量水體聚集形成局部地區洪水，致地鐵車站周邊路面水深最大達 1.85 m。受此影響，廣州地鐵13號線官湖站和新沙站等車站外出現區域性水淹，導致洪水倒灌至官湖站、新沙站及新塘站—官湖站、官湖站—新沙站區間隧道，短時間內淹沒了官湖站、新沙站及部分區間隧道。廣州地鐵13號線自5月22日起全線暫停運營。5月29日起，魚珠—沙村段恢復對外單一交路運營;6月13日起，官湖—新沙段全線恢復對外運營。

2.2 受損牽引供電系統供電能力分析

由于廣州地鐵13號線客流量較大，在完成車站及區間抽水后應盡快恢復對外運營，以減小社會影響。鑒于官湖站、新沙站兩站變電所供電設備受損嚴重，短時間內難以修復或更換，在對接觸網完成清潔檢修之后，暫不具備雙邊供電條件，僅存在大單邊運行可能性，故按此方式對其供電能力進行核算并做適用性分析。

2.2.1 牽引供電能力核算原則

1) 直流牽引供電系統的電壓及其波動范圍應符合表1的規定[4]。

表1 直流牽引供電系統的電壓及其波動范圍

2) 正常雙邊供電運行時，站臺處走行軌對地電位不應大于120 V，車輛基地庫線走行軌對地電位不應大于60 V。當走行軌對地電壓超標時，應采取短時接地措施。

3) 非故障區段(魚珠站—新塘站)，按正常運行速度及發車間隔(高峰期8對/h)正常運行。

4) 故障區段(新塘站(不含)—新沙站)按以下臨時供電運行方式分別進行核算：①新塘車輛段牽引變電所向線路末端大單邊支援供電；②官湖車輛段牽引變電所向正線支援供電(出入線正線接入點位于官湖站)，與新塘牽引變電所構成雙邊供電，同時向新沙站方向單邊支援供電。

5) 在上述供電運行方式下，故障區段(新塘站(不含)—新沙站)按以下列車運行方式分別進行核算：①在無法滿足水淹前正常運行高峰期8對/h的行車間隔時，行車對數從8對/h起逐級核減；②在無法滿足正常運行列車最高運行速度100 km/h時，最高運行速度從100 km/h起逐級核減。

2.2.2 牽引供電能力核算結果

1) 廣州地鐵13號線列車采用8節A型車編組，最高運行速度為100 km/h。根據車輛參數，單列車最大起動電流約為5 700 A。新塘站—新沙站區段若按最高速度100 km/h運行，當該區段內只有1列車運行，并考慮該列車在最遠端的新沙站起動且新塘站向新沙站單邊(約5 km)供電時，剛性接觸網及鋼軌上造成的電壓損失約為660 V。新塘車輛段牽引變電所整流機組的空載電壓實際值為1 630 V，即使以該電壓值壓降核算，亦無法滿足列車在新沙站末端啟動的需求;同時新塘站—白江站方向的牽引負荷將進一步壓低新塘車輛段牽引變電所直流母線的電壓,即新塘車輛段牽引變電所向線路末端單邊支援供電無法支撐1列車以最高運行速度100 km/h運行。故列車運行只能采取從100 km/h起逐級核減最高運行速度的方式核算。

2) 為減小列車起動時的最大起動電流，應避免列車達到最大起動電流速度值。經與車輛廠家溝通得知，廣州地鐵13號線8A編組列車的最大起動電流出現在列車加速到約45 km/h時,在新塘向新沙大單邊供電的工況下，車輛應限速在45 km/h以下。同時，由于新塘站—新沙站區段長約5 km，為避免此區段內同時出現2列車在此供電臂內運行而導致牽引網網壓進一步被拉低，應加大行車間隔使此區段在同一時刻內僅有1列車運行。按照最高限速值為40 km/h粗略估算，1列車由新塘站勻速運行至新沙站并折返至新塘站約用時15 min，因此核算此區段行車對數最大為4對/h，最高行車速度應不高于40 km/h。

(1) 新塘站—新沙站區段按4對/h的發車間隔并限速運行，仿真核算結果顯示其末端牽引網網壓可以得到大幅改觀(具體結果見表2)。由計算結果可知:限速40 km/h時，末端最低網壓已跌至接近1 000 V;同時考慮新塘站—白江站方向牽引負荷波動，限速40 km/h運行時存在牽引網網壓跌至1 000 V以下的風險。通過以上計算分析，新塘車輛段牽引變電所向線路末端采用大單邊支援供電時，在新塘站—新沙站區段車輛限速35 km/h的情況下,可保證4對/h的行車需求。但此時鋼軌電位高達180 V，存在一定運行風險。

表2 不考慮列車限功限流的計算結果

圖1為列車限流示意圖。由圖1可知,列車在牽引網網壓偏低時將自動限流或限功以降低加速度。結合車輛廠家有關數據可知，廣州地鐵13號線列車限流或限功的牽引網網壓范圍為1 000～1 350 V。

注：Imax——列車牽引電流最大值;I輔助——列車輔助負荷電流;Umin——牽引網最低非持續電壓;Un——系統拐點電壓;Umax——牽引網最高非持續電壓。

(2) 新塘站—新沙站區段按4對/h發車間隔并限速運行，同時考慮列車在牽引網網壓偏低時自動限流或限功。經進一步仿真計算，其結果如表3所示。由表3可知，采取降速措施后，牽引網網壓得到了一定改善，基本可滿足列車正常運行的要求。但在車輛限速40 km/h工況下，新沙站鋼軌電位仍高達139 V。考慮到官湖站和新沙站的鋼軌電位泡水后無法正常工作，為保證乘客安全，列車運行最高速度宜取35 km/h。廣州地鐵根據13號線區間搶險完成后動車試驗結果顯示，按照以上限速和行車對數測試時，牽引網壓基本維持在1 300～1 400 V，基本與仿真結果一致。

表3 考慮列車低壓限功限流的計算結果

3) 官湖車輛段接入正線官湖站，當該車輛段向正線支援供電時，可在一定程度上改善牽引網電壓及鋼軌電位;但由于經出入段線供電時供電距離長約2 km，對正線末端網壓改善效果有限，同時會引起車輛段咽喉區的軌電位升高。本線在設計之初，由于正線供電質量良好，未考慮車輛段向正線支援供電能力的需求，因此官湖車輛段出入段線的載流能力未考慮支援正線的工況。官湖站右線連接出段線，出段線接觸網為剛性接觸網連接雙承雙導接觸網，雙承雙導接觸網直接架設至試車線上網電纜處，支援正線時的電流通路不會受到接觸網載流量的限制；官湖站左線連接入段線，入段線接觸網為剛性接觸網連接雙承雙導接觸網，雙承雙導在咽喉區處即轉換為單接觸線;單接觸線連接上網電纜，車輛段支援正線工況下的接觸網載流量需求在650 A以上，單接觸線載流量無法滿足要求，則需將車輛段入段線路徑上的部分供電分區并聯(即短接咽喉區部分分段絕緣器)，以加大入段線至上網電纜處的接觸網載流截面。由于此方案存在實施難度較大及擴大事故范圍的問題，因此，不推薦采用官湖車輛段牽引變電所向正線支援供電的方式。

3 突發災害后廣州地鐵13號線供電系統的供電恢復

“5.22”特大暴雨災害發生后，廣州地鐵統籌各方物資及相關單位，秉承“先通后復”的原則，積極開展搶險恢復工作。供電專業根據運營恢復供電需求對供電設備按輕重緩急逐步恢復，主要搶險措施及方案如下。

3.1 變電設備恢復

根據各用電設備恢復供電的迫切性，結合備品備件和設備采購情況，排列出設備恢復優先等級：首先,組織完成恢復官湖站、新沙站0.4 kV供電系統，為車站內重要負荷(通信、信號、照明、風機等)供電，保障各專業搶險用電需求，保障第一階段運營恢復；其次,恢復新沙站直流牽引供電系統，實現新塘站—新沙站大雙邊供電，確保牽引供電可靠，盡早恢復水淹前正常運行圖的運營組織；最后,逐步實現各電壓等級剩余設備的正常供電。

受損供電設備在線網庫存有備品備件時，優先利用備件進行更換；對無備品備件的受損設備，則進行現場修復或采購新備件替換：新沙、官湖動力變壓器利用既有備件及新線備件完成更換，新沙整流變壓器使用備件替換，整流器使用掛網試驗整流器替換，其余無備件設備逐級進行現場修復或采購到貨后替換。

針對設備修復，根據廠家建議，若一次部分耐壓試驗合格，可不用更換，僅更換既有供電設備二次部分；一次高壓電纜本身就具有防水功能，不用更換，電纜頭清潔后進行耐壓試驗結果再確定是否更換；二次控制電纜及通信線纜全部更換。具體設備修復方案主要如下：

1) 33 kV GIS(氣體絕緣開關柜)修復：①二次室內損壞元器件申購備件更換；②繼保裝置申購新備件更換；③三工位操作機構驅動電機及二次端子重新更換，其余機械部分根據實際情況進行清理或更換零部件；④斷路器操作機構的驅動電機及二次端子重新更換，其余機械部分根據實際情況進行清理或更換零部件；⑤帶電顯示裝置使用新備件更換；⑥其余一次帶電部分無需更換。

2) 干式變壓器修復：①變壓器鐵芯現場清理；②現場更換鐵芯夾件絕緣部件；③現場更換高、低壓繞組。

3) DC 1 500 V開關柜修復：僅保留一次母排，其余部分全部更換。

4) 整流器修復：整套采購新設備更換。

3.2 接觸網設備恢復

接觸網恢復方案相對簡單：

1) 對上下行剛性接觸網匯流排、接觸線和絕緣部件等進行清掃、擦拭、烘干并進行絕緣測試；

2) 對隔離開關操作機構箱進行整體更換，隔離開關刀閘本體被水浸泡，先對其進行擦拭、烘干后,再進行絕緣測試；

3) 回流箱設備先進行擦拭、清掃和烘干,再做絕緣測試；

4) 雜散電流監測傳感器及監測裝置整體更換。

3.3 設備運維

供電設備恢復供電后，為保證設備安全可靠運行，應制定相應的加密檢修標準并執行。變電專業檢修周期由年檢變為半年檢，對電纜頭等關鍵部位采取加密熱成像監測等措施。接觸網專業檢修周期由半年檢變為季檢，對運行隱患較大的絕緣部件按要求進行絕緣性能抽樣送檢等。

4 結語

突發災害下城市軌道交通牽引供電系統的適用性是實現列車應急運行的保證。突發災害后快速的供電恢復是恢復運營能力、減小災害影響的重要措施。通過對廣州“5.22”突發暴雨災害后受損的廣州地鐵13號線牽引供電系統適用性進行相關計算和分析，為受損狀態下盡早恢復運營提出了降級運營及限速限流的應對方案。同時，針對供電系統及設備搶險恢復，本文介紹了在盡量短的時間內，供電專業充分調配既有設備資源，按照供電恢復優先級逐步進行設備恢復及修復的方案措施，為城市軌道交通在突發災害下的應急處理提供參考思路和應對經驗。