“雙流制”供電系統在軌道交通交直流轉換區的探討和應用

廖建榮

一、國內外應用情況

“雙流制”起于法國，隨著第二次世界大戰后歐洲各國發展需要，跨域間軌道交通線路之間的貫通聯接需求日趨強烈。但是，在歐洲大多數國家或地區沒有對軌道交通線路的供電系統牽引電源電壓進行統一，出現了DC600V、DC750V、DC1500V等直流牽引電源，以及AC15kV、AC25kV等交流牽引電源，而要想在兩個不同電壓等級的牽引電源系統中正常運行，就必須將單一電源的牽引電力機車進行替換并對電源轉換區的供電系統進行重新設計，隨后“雙流制”牽引電力機車被研制出來并推廣應用。

在中國，首條“雙流制”軌道交通線路重慶軌道江跳線于2022年8月6日開通運營。為響應節能提速增效要求，江跳線牽引電源僅在與中心城區聯接區段使用與城區軌道線路匹配的DC1500V電源，其他線路全部采用更加經濟增效的AC25kV電源。江跳線，是江津至中心城區的便捷快速通道，能夠有效緩解周邊交通擁堵情況，帶動沿線經濟社會發展轉型升級。

二、主要設計原理

（一）交直流轉換區的接觸網設計

重慶軌道江跳線交流段接觸網采用AC25kV牽引電源，JTM-120（15kN）+CTA150（15kN）全補償簡單鏈形懸掛，直供加回流供電方式；直流段接觸網采用DC1500V牽引電源，2×JT-150（12kN）+2×CTA-120（12kN）+2×JT-150（輔助饋線）全補償簡單鏈型懸掛，架空接觸網受流和軌回流供電方式。交直流轉換區因兩端牽引電源電壓不同，接觸網懸掛安裝方式全部按照電壓較高的交流段進行設計。

交直流轉換區，結合本線“雙流制”電力機車運行需求，接觸網隔離轉換區總長設計為78米，由4臺分相絕緣器（也可采用關節分相形式）隔離而成，分為ab、bc、cd三部分（如圖1），其中bc為常接地區，長度為20米，通過一臺常閉隔離開關G2接地，ab和cd為中性區，長度均為29米，通過兩臺常開隔離G1、G3開關分別與直流段接觸網和交流段接觸網連接。

考慮交流段或直流段單邊故障情況，即當電力機車牽引單元完好落入轉換區的任何位置時，可通過接觸網隔離轉換區聯絡隔離開關的倒閘作業配合車輛升降弓操作實現自救駛離轉換區。

（二）交直流轉換區鋼軌無電區設計

考慮電力機車在經過交直流轉換區不同運行方式下的回流特性，為避免電力機車從交流區段向直流區段、直流區段向交流區段行車經過轉換區過程中鋼軌回流區域重疊沖突問題，需要設置一段鋼軌無電區對交流區段和直流區段的鋼軌回流進行隔離。結合電力機車整列長度、受電弓和軌道輪排布、排列取流和現場實際行車情況，江跳線交直流轉換段鋼軌無電區的長度按8米短軌方案進行設計。電力機車從交流區段向直流區段、直流區段向交流區段運行時，自經過第一個分相絕緣器至鋼軌無電區的距離分別為（21+X）、（35+X）米，X值可根據實際需要進行優化調整。

（三）“雙流制”供電系統牽引電源設計

重慶軌道江跳線“雙流制”供電系統牽引電源由AC25kV和DC1500V兩部分組成，全線交流牽引供電系統采用110/27.5kV兩級電壓供電方式，直流牽引供電系統的中壓供電網絡采用110/35kV兩級電壓供電方式，35kV中壓經整流系統后形成DC1500V直流電源。重慶軌道江跳線將牽引變電站與電力主變電站合建主變電站，以便更好地整合配置供電系統資源。

三、“雙流制”供電系統的應用對比

（一）交直流轉換區接觸網分相形式設置對比

交直流轉換區接觸網分相形式可采用器件式、關節式兩種，器件式分相因裝置結構相對簡單，搶修維護難度較低，但在運行過程中容易形成硬點，并引起打弓和拉弧，不利于電力機車的高速行車；關節式分相因減少了器件式分相對機車受電弓的沖擊，能夠使電力機車快速平穩通過，利于高速行車，但結構復雜，搶修維護難度較大。

綜合國內外既有軌道交通線路運營情況，接觸網分相區在合理檢修維護的情況下發生故障概率極低，乘客對高速出行和減少換乘的需求卻極高，行車密度大且要求高速行車的線路中交直流轉換區接觸網分相形式宜采用關節式分相，行車密度小且對行車速度要求不高的線路中交直流轉換區接觸網分相形式可根據實際情況選用器件式分相和關節式分相。

（二）交直流轉換區兩端的牽引電壓選擇和對比

AC25kV是國內軌道交通常規標準的交流制電壓，相關設備產品、售后技術、維護經驗成熟，滿足客運、貨運各種需求，因此是交流區段牽引電壓可供選擇的首選。國內城市軌道交通直流牽引電壓有DC1500V和DC750V兩種，DC1500V通常采用架空接觸網供電方式，DC750V通常采用三軌供電方式。為使交直流轉換區兩端供電安裝方式更好的銜接，避免三軌引起線路空間的二次增加，直流區段牽引電壓宜選擇DC1500V。

（三）交直流轉換區有、無保護措施對比

電力機車運行經過交直流轉換區時，機車內部需要從一種牽引電源切換至另外一種牽引電源，為避免切換過程中既有電源殘留的影響，在交直流轉換區設置常接地區對受電弓進行放電是非常必要的；這也是保護設備安全的必要措施。

交直流轉換區接觸網由4臺分相絕緣器（也可采用電氣分相形式）隔離而成，當隔離單元出現故障時，設置常接地區可以引起變電所內的保護單元啟動進而跳閘斷電，在保護供電設備的同時還能有效避免轉換區兩端牽引電源的直接碰撞沖突。

交直流轉換區未設置常接地區時，電力機車、供電系統設備的安全受到影響，為盡可能降低這些影響，電力機車經過交直流轉換區時相關操作更加復雜。

四、應用前景

在我國“雙流制”軌道交通的研究和實施相對國外較晚，依托已開通的重慶軌道江跳線，研究跨域間軌道交通線路的聯接，實現高速運輸、不下車、不換乘。采用“雙流制”供電系統為軌道交通提供安全、穩定、可靠的電力，也是早期“雙流制”系統的理論研究。此外，北京、廣州、成都等地正在積極探索“雙流制”軌道交通線路的深度融合問題，這也是未來大城市向小城市拓展發展的必然選擇。

五、結語

“雙流制”供電系統在國內軌道交通交直流轉換區的應用尚處于起步階段，而“雙流制”軌道交通在舒適度上具有明顯的優越性。隨著我國各大城市的軌道網絡日趨完善，各大城市逐步向城郊延伸，將形成一種都市群效應。

作者單位：中鐵十六局集團電氣化工程有限公司