同相供電技術在溫州市域鐵路S1線變電所出口電分相中的應用

蔡端陽

(浙江省軌道交通運營管理集團有限公司， 310005， 杭州∥高級工程師)

與長距離的干線電氣化鐵路不同，城市軌道交通主要在城市之中穿行，其站間距較短，列車需要頻繁地起動與制動，傳統的交流牽引供電系統電分相對列車運行的影響較大。為適應城市軌道交通站間距短、列車起停頻繁的特點，溫州市域鐵路S1線(以下簡為“S1線”)在采用傳統的交流牽引供電系統的基礎上，引進了同相供電技術，實現了以負序為主的電能質量治理。同相供電技術在S1線運用后，變電所出口處的4臺電分相隔離開關有2臺處于常閉狀態，上、下行線路各形成2個絕緣錨段關節(見圖1)。如若出現緊急情況，列車在絕緣錨段關節區域迫停，再次起動時將可能出現接觸網設備燒傷、甚至斷線的事故。針對變電所出口絕緣錨段關節的研究，以減小列車迫停于禁停區域的概率為目標，避免不必要的救援對城市軌道交通運輸秩序產生影響；提出了列車迫停于禁停區域的自主救援方案，為同相供電技術應用后的行車和供電設備提供了一定的理論依據。

1 S1線牽引供電系統概況

S1線線路全長53.45 km，全線共設置車站18座，平均站間距為2.73 km。牽引供電系統采用交流制式，共設兩座110 kV牽引變電所。牽引變電所出口電壓為27.5 kV，接觸網額定電壓為25 kV[1]。

S1線的設計速度為120 km/h。動車組采用2個受電弓，正常運行時，采用單弓受流；另一臺備用，處于折疊狀態。2個受電弓的間距為38.45 m。

與電氣化干線鐵路相比， S1線具有站間距短、列車起停頻繁的特點；與傳統地鐵相比， S1線具有行車速度快、列車容量大的特點。

為了解決“站間距短、列車起停頻繁”與“行車速度快、列車容量大”之間存在的矛盾， S1線在采用傳統的交流牽引供電系統的基礎上，引進了同相供電技術，實現了以負序為主的電能質量治理。

S1線牽引供電系統示意如圖1所示。

注：① 牽引變壓器1#B和2#B互為備用，隔離開關2011、6011、2021、6021處于閉合狀態；1#B主用時，斷路器201、601處于閉合狀態，斷路器202、602處于斷開狀態；2#B主用時，斷路器202、602處于閉合狀態，斷路器201、601處于斷開狀態。② 同相供電裝置1#、3#與2#、4#互為備用。③ 母聯開關2001、2002處于閉合狀態。④ 饋線隔離開關2111、2121、2131、2141，饋線斷路器211、212、213、214，上網隔離開關Z01、Z02、Z03、Z04均處于閉合狀態。⑤ 上下行并聯開關1A203、1A129處于斷開狀態。⑥ 分相開關1B131、1B130處于閉合狀態；分相開關1B202、1A201處于斷開狀態。

2 列車在絕緣錨段關節區域內迫停的危害

同相供電技術的應用，解決了電能質量的問題，提高了電源適應性，同時也提升了列車的運力，具有較好的節能效果。但由于同相供電技術的應用，變電所出口電分相區域無電區域消失，取而代之的是絕緣錨段關節。文獻[2]規定，站場、區間接觸網中不同供電臂的電分段兩端為列車禁停區域，因此認為該規定對于變電所出口絕緣錨段關節區域同樣適用。

列車在絕緣錨段關節區域迫停(見圖2)分為如下兩種情況：

一是列車迫停于絕緣錨段關節過渡段。列車受電弓處于絕緣錨段關節過渡段時，受電弓與接觸網工作支接觸良好，但與非工作支接觸不良。當接觸網工作支與非工作支的間距小于75 mm[3]，列車再次起動時，由于起動電流較大，將會導致工作支的接觸網電壓瞬時下降，此時非工作支的電壓維持不變，從而在工作支和非工作支之間瞬時形成較大的電位差，導致非工作支與列車受電弓之間出現嚴重的拉弧、放電現象。由于列車起動初速度低，無法迅速熄弧，弧光產生的能量將迅速積聚，在接觸網補償張力的作用下，輕則燒傷接觸網，重則出現斷線事故[4]。

二是列車迫停于絕緣錨段關節等高段區域。列車受電弓處于絕緣錨段關節等高段區域時，理論上列車起動不會導致拉弧、放電的現象；但由于等高段區域較短，列車起動后初速度低，加速過程受電弓取流較大，列車在等高段區域內起動后進入其過渡段時，仍有可能出現較為嚴重的拉弧、放電現象。

注：市城鐵路動車組為4節編組;單節車廂長度約為26 m;兩弓間距為38.45 m。圖2 列車在絕緣錨段關節區域迫停示意圖Fig.2 Schematic diagram of forced stop of train in insulated anchor section

由此可知，列車迫停后，如若受電弓處于絕緣錨段關節等高段區域，以及受電弓處于工作支與非工作支的間距小于75 mm[3]的過渡段區域時，列車再次起動運行都會給接觸網設備運行帶來極大的安全風險。

因此，在列車正常運行過程中，應嚴禁在絕緣錨段關節等高段區域及工作支與非工作支的間距小于75 mm[3]的過渡段區域內停車。

3 列車在絕緣錨段關節區域的禁停范圍

S1線牽引變電所出口設置有四跨式電分相，由于上、下行線路各有1把電分相開關(小里程方向)處于閉合狀態，故電分相部位不存在無電區，上、下行線路各形成了兩個絕緣錨段關節。S1線小里程方向的絕緣錨段關節等高段兩側的過渡段工作支與非工作支的供電取自同一供電臂，不存在第2節闡述的危害問題；S1線大里程方向的絕緣錨段關節等高段兩側的過渡段工作支與非工作支的供電取自不同供電臂，列車如果迫停于第2節闡述的禁停范圍內，列車重新起動將會給接觸網設備造成較大的風險。

中鐵第四勘察設計院集團有限公司制定了“預留接觸網電分相處設置禁停標的說明”[5],該說明將整個電分相范圍全部劃入列車禁停區域，但該四跨式電分相總長度為123 m(線路小里程方向絕緣錨段關節長51 m、無電區長22 m，大里程方向絕緣錨段關節長50 m)。S1線動車組兩弓間距為38.45 m，遠遠小于設計方給出的禁停區域長度。如若列車在設計方給出的禁停區域內迫停，司機無法確認受電弓的實際位置，更無法確定重新啟動列車是否會導致接觸網放電、拉弧現象。為避免該事故，需出動救援列車或采用其中1個供電臂停電的方式進行救援，救援時間將會較長，影響范圍很大，將嚴重影響軌道交通正常運營秩序。

通過深入分析可知，并非列車在整個電分相區域內迫停都會對接觸網設備造成危害，因此可對設計方給出的禁停范圍進行優化。

由于S1線小里程方向的絕緣錨段關節工作支和非工作支為同一供電臂取電，不存在列車重新起動危害問題，因此可將小里程方向的絕緣錨段關節排除在禁停區域以外，只考慮大里程方向的絕緣錨段關節。

S1線大里程方向的絕緣錨段關節總長度為50 m，等高段長度為5～10 m(視現場工藝而定)，中心柱等高點兩側過渡段長度分別為20 m 和22.5 m(等高段長度為10 m時，其兩側過渡段的長度為20 m；等高段長度為5 m時，其兩側過渡段的長度為22.5 m)。通過本文第2節的分析可知，只有在非工作支與工作支間距小于75 mm時，重新起動列車才會對接觸網設備造成損害。

在絕緣錨段關節處，在接觸網工作支至轉換柱一跨的距離內，將導線升高500 mm成為非工作支，并將其拉至錨柱處下錨。因此，本文按照非工作支距工作支的最大距離500 mm來計算非工作支與工作支間距小于75 mm的過渡段長度，如圖3所示。等高段長度為5 m時，兩側過渡段長度為22.5 m，則非工作支與工作支間距小于75 mm時的過渡段長度為3.375 m；等高段長度為10 m時，兩側過渡段長度為20 m，則非工作支與工作支間距小于75 mm時的過渡段長度為3 m。通過計算可知，列車重新啟動真正會有危險的過渡段長度為3.000～3.375 m。

圖3 絕緣錨段關節禁停區域核算示意圖Fig.3 Calculation diagram of joint prohibited parking area of insulated anchor section

為了安全起見，絕緣錨段關節等高段長度取最大限度10 m，兩側非工作支與工作支間距小于75 mm的過渡段長度取最大限值3.375 m，故列車重新起動真正會影響到的接觸網設備造成危害的區域長度為16.75 m。

為了進一步確保安全，應避免列車低速起動直接進入禁停區域，在列車行車方向接近禁停過渡段的區域，再考慮15 m的列車提速距離，通過計算得出列車在絕緣錨段關節處的禁停區域長度為32 m。

綜上所述，將設計方給出的禁停區域由整個電分相長度123 m優化縮短至32 m，將極大地減小列車迫停于禁停區域的概率，以避免不必要的救援給軌道交通線路正常運營造成影響。

4 列車在絕緣錨段關節禁停區域迫停后的處置措施

列車運行過程中，倘若因緊急狀況迫停于禁停區域時，緊急狀況解除后不可直接起動列車。禁停區域的長度僅為32 m，動車組兩弓間距為38.45 m。司機可以通過對照判斷受電弓的位置，實現自主救援。具體措施如下：

一是列車前弓處于工作狀態，并落入禁停區域時，應降前弓、升后弓后再起動列車運行；二是列車后弓處于工作狀態，并落入禁停區域時，應降后弓、升前弓后再起動列車運行，如圖4所示。

圖4 動車組列車升、降弓示意圖Fig.4 Schematic diagram of pantograph bow raising and lowering of EMU train

動車組列車受電弓間距要比禁停區域的長度至少長6.45 m，該余量保證了兩個受電弓不可能同時落入禁停區域，彌補了司機的觀測誤差，確保了行車安全。

5 列車受電弓位置標志的設置

列車迫停后，為便于司機準確判斷受電弓的所處位置，可采取如下措施：

1) 結合禁停區域的長度和動車組受電弓的實際位置，在適當位置設置醒目標志(見圖5)。列車迫停后，司機可通過對照標志來判斷受電弓的所處位置。

2) 結合禁停區域的長度和動車組受電弓的實際位置，對相鄰防護欄的相應范圍噴涂醒目顏色(見圖5)。列車迫停后，司機可通過對照顏色來判斷受電弓的所處位置。

圖5 列車受電弓所處位置標志設置示意圖Fig.5 Schematic diagram of location mark setting of train pantograph

在設置輔助標志或顏色的基礎上，再給司機配發應急處置提示卡，卡片上注明標志或顏色與列車受電弓的對應關系。當列車在禁停區出現迫停狀況后，司機可以借助提示卡準確地對受電弓位置進行判斷，從而避免誤判的情況發生。

6 結論

1) S1線采用交流牽引供電系統，并引進了同相供電技術，解決了列車設計速度高、容量大與站間距小、列車起停頻繁之間的矛盾。

2) 應視變電所出口電分相處的絕緣錨段關節為供電和行車的關鍵部位，一方面，可以盡量避免列車在絕緣關節禁停區域內停車；另一方面，列車出現緊急迫停之后應能正確處置，以最大程度地降低對城市軌道交通線路正常運營的影響。

3) 本文闡述的絕緣錨段關節部位禁停區域，列車迫停于禁停區域后的處置措施，以及便于司機判斷列車受電弓位置的措施，理論上能夠保證列車緊急迫停后的起動安全，可以避免接觸網設備燒傷或斷線事故，以及避免不必要的救援對軌道交通線路正常運營造成影響，同時也為城市軌道交通的發展和同相供電技術的廣泛應用提供了一定的技術支撐。