160 km/h城市軌道交通區間無線設備供電技術應用研究

吳觀華

(中鐵十一局集團電務工程有限公司 湖北武漢 430071)

1 前言

無線通信系統為軌道交通內部固定工作人員與流動工作人員之間以及流動工作人員之間提供移動語音和數據通信服務[1]，通信系統的穩定運行是列車穩定運行的重要保障。

隨著移動通信技術的發展，無線通信系統采用1.8 GHz TD-LTE寬帶數字集群系統，主要由無線中心設備、無線基站設備(含車站、區間、段場)、手持臺、車載臺、車站固定臺及天饋系統等組成。

其中區間設備包含區間RRU射頻拉遠單元、光電箱、合路器及漏泄同軸電纜，為區間通信提供有效保障，實現列車員、車站值班員、OCC調度員三方通信，是無線通信系統的重要組成部分。

作為第四代移動通信系統LTE技術，以其高寬帶、高速率、高可靠等特性[2]，奠定了LTE技術高承載能力，一張網可同時承載區間多業務需求，而多業務承載則需要其具備可靠性更高的供電系統。

2 工程概況

廣州市軌道交通18和22號線為串聯廣州海陸空重要交通樞紐、連接廣州市中心城區和南沙自貿區的高速大動脈。22號線起始于番禺區番禺廣場，終止于荔灣區白鵝潭，線路全長30.8 km，均為地下線。設站8座，換乘站4座，平均站間距4.2 km，最大站間距7.2 km，為祈福至廣州南站區間；最小站間距2.1 km，為西三至東沙工業園區間。該項目整體區間長度較大，若采用傳統220 VAC交流供電存在末端壓降大、電化干擾嚴重、造價過高、供電不穩定、故障面積易擴大、后期不易維護的特點[3]。為了保證區間設備供電穩定性，廣州18和22號線采用交流供電、直流供電方式相結合的區間通信系統設備供電方案。

3 區間傳統交流供電技術

3.1 交流供電原理

城市軌道交通專用通信系統為了充分考慮系統的可靠性，各系統獨立設計、獨立供電、獨立運行。其中交流供電系統(見圖1)從兩端車站機房采用交流220 V獨立電纜拉遠供電，通過在3芯供電線纜上并聯接一串用電設備。

圖1 傳統交流供電系統

3.2 交流供電方案分析

日常通信系統設備采用低壓交流系統供電，這種供電系統組網邏輯簡單明了。但存在以下缺點:(1)難以實現大功率遠距離的電能傳輸且末端壓降大；(2)區間傳輸線纜或設備短路、開路故障易造成大面積停電；(3)故障定位、排除耗時較多；(4)未預留接口，擴容區間設備需要重新敷設線纜[4－6]。

隨著用電負荷加大及距離延長，常規銅導線的線損將逐漸加大，其導致的壓降難以保證設備正常運行；另一方面因為區間安全性及經濟性問題，為降低線損又不能無限制地加大線徑[7]，一般弱電系統采用的供電電纜不宜大于10 mm2。

供電電纜采用10 mm2線徑時末端設備供電電壓處于設備工作電壓范圍內的供電距離最大在3.5 km左右，采用6 mm2線徑電纜時供電半徑約為2.5 km左右，超過此距離末端設備壓降可能過大、供電電壓不穩定導致設備不能正常工作。考慮到隧道設備的實際運行環境，在保留足夠余量的前提下，采用常規電纜的供電半徑不宜大于3 km。

3.3 交流供電方案應用實例

以22號線“西塱－白鵝潭”區間為例，采用3×6 mm2電纜供電，本文對區間電纜供電進行實際電纜規格計算。

西塱－白鵝潭區間距離為4 187 m，設置4臺RRU設備，每臺功率540 W，按間距900 m分布。其中白鵝潭站供電2臺RRU，以白鵝潭供電點位置為零點，2臺RRU位于距離787 m、1 687 m處。電纜波形系數:電纜考慮布置彎曲度及接引線時，其長度大于物理距離，取物理距離1.05倍；銅材電阻率:考慮電纜溫升，按40℃考慮，溫升修正后電阻率取0.018 6(Ω˙mm2/m)；功率因數:RRU設備采用高頻開關電源，負載功率因素不低于0.99，計算時主要考慮UPS輸出功率因數影響，按受電端不低于0.95計算；壓降:根據eRRU3232技術指標，設備可長期正常運行允許壓降為50%，低至110 VAC，考慮一定的工程余量，按末端允許40%壓降計算，末端設備供電電壓不低于132 VAC[8]，本計算示例按此值計算。

(1)將分布式功率負載計算為最遠點等效功率

式中:P為等效最遠距離單點功率(W)；P0為最遠供電點功率(W)；L0為最遠供電點距離(m)；L1～Ln為各分布供電點距離(m)；P1～Pn為各分布供電點功率(W)。

(2)工作電流

(3)允許最大回路阻抗

Ud為允許壓降，取40%即88 V。

此阻抗為雙芯線回路電阻，單芯線電阻為:

(4)最小電纜截面積

其中電纜長度考慮波形系數后從1 687 m增加到1 771 m。

考慮電纜規格梯級，實際采用電纜規格為3×6 mm2。

根據上述算法，計算得出22號線從車站引出需供電2臺RRU的電纜采用3×6 mm2規格即可滿足區間設備供電需求。

漏泄同軸電纜(LSC)有兩個重要指標，即傳輸衰減和耦合損耗。漏泄同軸電纜的系統損耗是傳輸衰減和耦合損耗的總和。在狹長系統如隧道或地鐵內，隧道或地鐵本身能幫助提高漏泄同軸電纜的耦合性能，因此耦合損耗設計一般為75～85 dB，1－5/8同軸電纜的最大傳輸距離一般不超500 m。

供電電纜采用10 mm2線徑時末端設備供電電壓處于設備工作電壓范圍內的供電距離最大在3.5 km左右，則:

本項目考慮到適用于160 km/h車速的大盾構區間無線信號強度衰減，每相鄰RRU設備間距按900 m進行設計，即:

車站站臺區域無線信號由弱電電纜引入間內RRU設備覆蓋，則:

n＝4時，信號覆蓋范圍最大至3.5 km(RRU布局可適當調整)。

同理，采用6 mm2線徑電纜時供電半徑約為2.5 km，則:

車站站臺區域無線信號由弱電電纜引入間內RRU設備覆蓋，則:

n＝3時，信號覆蓋范圍最大至2.5 km(RRU布局可適當調整)。

4 區間直流供電技術

廣州18和22號線作為國內首條160 km/h地鐵供電項目，其中18號線萬頃沙－南村萬博段各區間、沙石區間、22號線番禺廣場－廣州南站段各區間長度均超過5 km，屬于城市軌道交通罕見的大長區間。根據設備具體布點情況，區間設備最小供電半徑均大于3 000 m。傳統供電系統無法滿足遠距離穩定供電需求，因此廣州18和22號線選擇在大于5 km的大長區間引入直流遠供供電系統，解決末端電壓不穩定情況，提高供電可靠性、安全性。

4.1 直流系統供電原理

直流遠供系統通過設置在兩個車站機房的局端設備分別接取220 V或380 V交流電，轉換升壓為400～800 V直流電，通過區間直流總線連通，遠端逆變設備設置在區間用電負荷旁，將直流電逆變成220 VAC為RRU供電[9]。

車站局端設備雙向同時向區間電纜供電，構建區間一級負荷母線。區間用電點的遠端設備將直流線路上的220 V或380 V交流電逆變為用電設備所需的電源類型，為區間設備供電(見圖2)。

圖2 直流遠供系統

4.2 直流供電系統性能分析

直流遠供系統中局端及區間遠端設備具有自動配網、逐級啟動、冗余保障等功能，詳細性能分析如下:

(1)滿足一級負荷供電等級要求。直流交流供電系統按照雙局端并網供電設計，只需兩端機房的任何一路電源能夠供電，均可保障區間供電來源，實現外電源冗余保障[10]。

(2)保障區間設備運行穩定。局端、遠端設備對外電源、鐵路電氣化干擾等需實施針對性凈化，更加凈化的電源供電可降低區間設備運行意外死機概率，區間設備使用壽命可得以更好地保障或延長[11]。

(3)降低維護勞動強度的技術手段。供電系統有故障不停電，實時上報監控系統報警，絕大部分故障可延后處理，無需應急處理[12]。區間設備運行死機時，可通過監控系統操作遙控重啟，不需去現場重啟。遠端設備具有自動重合閘(自復式保險)功能設計，當區間設備意外情況需斷開供電時，遠端先斷電，待自動檢測符合供電條件后自動恢復供電，避免人工去現場合閘或更換保險。

4.3 直流供電系統應用實例

直流遠供設備供電系統主要針對地鐵通信信號設備供電，主要由局端設備、遠端設備、供電電纜、監控設備等組成。以廣州18和22號線為例，供電系統設備配置如下:

(1)局端設備

輸入電壓:220 VAC。

輸出電壓:400 VDC至800 VDC可調。

最大功率:1 500～30 000 W(組合)。

安裝方式:嵌入式通信機房機柜安裝。

(2)遠端設備

輸出電壓:220 VAC。

輸出功率:200 VA、500 VA、1 000 VA。

安裝方式:遠端設備采用區間壁掛式。

根據直流遠供所需線纜截面積的計算公式:

式中:R為電纜環阻(Ω)；ΔUmax為系統最大許可壓降(V)；Umin為遠端最小許可輸入電壓(V)；P為等效負載功率(W)；η為遠端電源轉換效率(參照廠家指標)；L為遠供距離(m)；S為橫截面積(mm2)；ρ為電阻系數(Ω˙mm2/m)；I為供電電流(A)[13]。

可見，直流供電所需線纜的截面積S與遠供距離、傳輸材質、負載功率、線纜壓降等有關。

以橫瀝－應急救援點1為例，已知局端設備輸入電壓AC220 V，輸出電壓提升為DC400 V～800 V，連續可調；遠端輸出電壓為AC220 V，遠端轉換效率95%；遠端設備負載功耗為1 000 W(區間無線RRU設備的額定功耗為540 W)。橫瀝－應急救援點1(DK8＋823～DK19＋509)間距為10 686 m，為滿足區間信號強度覆蓋，該區間RRU設備布置10臺，以橫瀝站左線電纜引入間RRU安裝位置為零點，則最遠處RRU距離為L0＝9 800 m。

根據區間負荷計算，遠端負載距局端設備間距≤6 742 m時，采用2×6 mm2電纜，其他直流遠供區間均采用2×10 mm2低煙無鹵阻燃鎧裝電纜。

5 區間無線通信供電方案

廣州18和22號線充分考慮交流供電、直流供電系統的優缺點及性能分析，決定在18號線萬頃沙－南村萬博段各區間及沙石區間、22號線番禺廣場－廣州南站段各區間大于5 km的大長區間采用直流遠供供電，采用R-UPS供電系統，在RRU位置設置1 000 W遠端；其余區間采用交流遠供供電，區間設備供電直接來自鄰近車站220 VAC電源電纜，具體見表1。

表1 廣州18和22號線無線通信供電分布

6 結論

廣州地鐵18和22號線項目采用基于LTE技術的寬帶數字集群通信系統，通過小區間采用傳統交流供電系統、大長區間(超5 km)采用直流供電系統的冗余供電方案，保證區間無線設備供電穩定性，解決了長大區間采用傳統交流供電方式末端壓降大、造價高、供電不穩定等問題，為后續的類似城市軌道施工提供了寶貴經驗，提高區間無線設備的可靠性、安全性，最終實現城市軌道交通安全穩定運行。