市域鐵路網供電制式研究

文/鄭聃

1 前言

城市規模和形態伴隨城市化率的提升在擴大與多樣化，新出現的多中心城市群具有城內人口集中、城間人口較少等特點，需要運量巨大、效率較高的公共交通設施加快人員的通勤。

市域鐵路是一種提供快速較大容量，且為解決多城市中心城區便捷通勤的新型軌道交通系統。其特點為運量集中、效率要求高、線路長度較大、站間距長、地面高架段多等，國內軌道交通行業發展至今，市域鐵路還未有其明確的供電制式以及匹配市域鐵路的發展定位。

2 不同供電制式特點及比較

市域鐵路源于軌道交通，在軌道交通領域，城際鐵路采用工頻AC25kV 單相交流牽引供電系統的標準制式；城市地鐵線路早期采用DC750V 直流牽引系統制式，現如今普遍采用DC1500V 直流牽引系統制式[1]。

2.1 不同制式牽引供電系統特點比較

軌道交通行業由于采用的牽引供電制式不同，所呈現的技術特點也有其明顯優缺點。交流制式和直流制式兩者技術特點比較如表1 所示。

表1 不同牽引供電制式技術特點比較

2.2 牽引供電系統特點分析

直流供電制式適用于人員密集、機車啟停率高、運營距離短的城市軌道應用場合；交流供電制式適用于線路較長、速度較快的城際干線鐵路。

2.2.1 可靠性上，直流供電制式系統可以進行雙邊供電、大雙邊供電。因此，在停電倒閘效率及供電可靠性上，直流供電制式系統明顯優于交流供電制式系統。

2.2.2 交流供電制式中的牽引整流機組等結構安裝于結構狹小的機車空間處，受限于機車牽引容量所限，機車啟停時，對諧波抑制率較低。交流機車牽引系統中的牽引變為不平衡變壓器，牽引變壓器引起的三相不平衡率和產生的高次諧波普遍大于平衡變壓器，加劇交流制式鐵路功率因素的劣化。

2.2.3 采用直流供電制式的機車因沒有車載整流機組等裝置，同等速度下，直流制式機車比交流制式機車可利用車內空間更大，電能損耗、鋼軌磨耗更小、軸重更輕。

由上述分析可知，市域鐵路建設中直流供電制式相對于交流供電制式具有較大的優勢，但因目前采用的DC1500V 或者DC750V 直流供電系統在供電臂范圍、雜散電流防護方面等的劣勢，無法完全匹配市域鐵路建設的需求，因此提出采用基于直流供電系統并且具備更高電壓等級的DC3000V 牽引供電系統作為市域鐵路的供電制式。

3 市域鐵路供電系統DC3000V 研究

3.1 DC3000V 與DC1500V 直流牽引制式特性比較

DC3000V 供電制式鐵路系統目前已成熟應用于意大利、波蘭、西班牙等歐盟國家[2]。DC3000V 牽引供電系統具備的供電臂范圍可達8～10km，在大雙邊供電情況下，供電臂可伸展到15km。采用DC3000V 電壓等級供電制式的牽引供電系統相較于傳統的DC750/1500電壓等級供電制式的牽引系統，可在保證鋼軌電位、牽引網網壓等相關牽引供電參數的前提下，有效減小牽引變電所數量，減小直流電流，優化直流饋線電纜根數，減小接觸網電氣磨耗，改善接觸網壽命[3]。

3.2 DC3000V 對變電所設備影響分析

變電所對土建的影響主要體現在牽引所牽引設備安裝尺寸上，變電所牽引設備主要包括整流機組（整流變壓器和整流器）、直流開關柜等。

3.2.1 整流機組的影響

DC3000V 牽引供電系統變壓整流形式與DC1500V 牽引供電系統相同，在同等功率輸出要求下，只需調整整流變壓器線圈匝數變比，即可降壓至AC2360V，整流器不需進行結構變化即可輸出DC3000V 等級電壓。因此，既有常用整流機組不需過多改造，即可輸出DC3000V直流牽引供電。

3.2.2 直流開關柜設備的影響

DC3000V 直流開關柜設備屬于中壓DC3000V～DC10000V 直流配電網系統。中壓直流系統已應用于國防艦船的綜合電力系統中[4]。

目前由西安交通大學、海軍工程大學等科研院所具備研發5kV、30kA 開斷能力等級的直流真空斷路器已投入實驗應用階段，得益于國內國防科技的發展，更多高壓開斷等級直流真空斷路器或空氣絕緣斷路器將快速面市[5]。

應用于船舶工業DC3000V 直流開關柜產品其外形尺寸受到嚴格限制，根據目前市面上出現的DC3000V～DC5000V 直流開關柜產品調查，其外形尺寸不超過1800×1000×2300（長×寬×高mm），因此此尺寸直流空氣/真空絕緣開關柜并不會占用變電所過多空間。

同時，DC3000V 機車牽引供電系統在部分歐盟國家已經采用成熟，因此若無法開發出適合國內機車牽引直流開關柜，可直接從國外引進相關配套技術。

3.2.3 雜散電流防護的影響

直流牽引供電系統為不接地對地絕緣安裝系統，機車從接觸網或接觸軌取流，再通過電氣連接的鋼軌回流到鄰近牽引所。“鋼軌絕緣安裝”為相對概念，運營后軌磨蹭在金屬碎屑、空氣污染物、雨水侵蝕等條件下的影響，使鋼軌對道床的絕緣水平逐漸下降，且通過鋼軌回流的電流會進入建筑物鋼筋、油氣管道等金屬設施，造成嚴重的電化學腐蝕[6]。同時，殘留于走形軌上的相對于“地”的電位會對人體造成損害。根據GB50157 規范規定，走行軌對“地”電位不可超過120V，但受制于鋼軌焊接質量、軌縫連接電阻等安裝工藝的影響，直流牽引供電系統中此項指標經常容易超標[7]。

DC3000V 直流牽引系統電壓等級高于傳統直流牽引系統。因此，若使用傳統的雜散電流防護方案，則可能使雜散電流問題更加惡化。

解決雜散電流系統的根本性方案為增設專用回流軌或回流網方案[8]。增設專用回流軌方案雖然會增加直流供電系統投資，但是可減少全線如道床鋼筋焊接、鋼軌絕緣防護、軌旁設備、站臺門等雜散電流防護等投資。目前，寧波地鐵4 號線工程“回流軌”已投入運營，較好地避免了雜散電流對結構、軌旁設備、鐵路沿線管道的侵害[9]。

3.2.4 對車輛系統的影響

DC3000V 為歐盟部分國家采用的城市軌道交通電氣化鐵路供電制式。國內中車浦鎮車輛有限公司、中車株洲電力機車有限公司等都通過市場化競爭向國外出口過此電壓等級車輛，因此國內的機車制造廠具備完整的DC3000V 機車生產能力，對于車輛的負極由連接車輛改造為連接集電靴的技術也非常成熟。

4 結語

本文通過對不同制式市域供電制式的研究可知，使用DC3000V 牽引供電制式的系統在變電所布點、減少電能損耗上都優于傳統DC1500/DC750 直流供電系統；相較于交流供電牽引供電系統，直流供電系統有可靠性高、無過分相、諧波含量少等的技術優勢。

得益于國內科技水平的發展，DC3000V 設備也日益成熟，我們可通過借鑒船舶等行業使用的DC3000～DC10000V 中壓直流供電設備，補充完善國內軌道DC3000V 關鍵設備的研發空白。針對可能出現的DC3000V 系統中出現的雜散電流劣化的問題，提出相應的采用回流軌或回流網解決的方案。

在市域鐵路建設上，DC3000V 供電系統非常契合市域鐵路變電所布點、降低能耗、高可靠性、對城市電網沖擊小等需求，在新一輪市域鐵路建設中，我們優先考慮并采用DC3000V牽引供電系統；另外，還需時刻了解國內外市域鐵路供電制式建設的動態，以此為下一輪國內市域鐵路建設高潮的到來提供前瞻性研究工作。