上海軌道交通崇明線牽引供電制式方案研究

王小峰

(上海市隧道工程軌道交通設計研究院, 200235, 上海)

隨著國家“新基建”戰略規劃的啟動和城市軌道交通的快速發展,國內已建成運營和正在規劃及籌建的城市軌道交通線路越來越多。上海城市軌道交通崇明線(以下簡稱“崇明線”)是連接中心城和崇明兩島(長興島、崇明島)的市域軌道交通,其線路全長約44.69 km,共設車站8座,其中地下站7座、高架站1座,車站及配線示意圖如圖1所示。該線車輛采用DC 1 500 V市域A型車,列車為6輛編組,最高運行速度為120 km/h;初、近、遠期單一交路開行列車數量分別為13對/h、18對/h和20對/h,供電能力為24對/h。就牽引供電系統而言,崇明線必須解決兩個問題:一是如何避免雜散電流對本工程沿線并行或交叉穿越的供油管、高壓天然氣管、原水管等重大管線的腐蝕;二是如何確保南港越江隧道(位于凌空北路站—長興島站區間,長約7.7 km)和北港越江隧道(位于長興島站—陳家鎮站區間,長約9.2 km)長距離直流供電的能力。

a) 越江段大盾構標準斷面

通過對國內外城市軌道交通既有牽引供電制式特點及應用情況進行分析,結合崇明線工程的特點及客觀情況,提出采用DC 1 500 V架空接觸網+負極專用回流軌的牽引供電方式,同時提出在越江區段中部設或不設牽引變電所兩種方案,并分別給出相應技術措施。這不僅從根本上杜絕了雜散電流的產生及其對周邊管線的腐蝕問題,而且解決了越江段長距離牽引供電系統供電能力受限問題。

1 現有牽引供電制式分析

1.1 適用性分析

牽引供電制式是指供電系統向電動車輛或電力機車供電所采用的電流制式、電壓等級和供電方式。根據相關標準規定,城市軌道交通車輛的供電制式為DC 750 V和DC 1 500 V兩種,城市軌道交通市域快線的供電制式為DC 1 500 V(列車最高運行速度120～140 km/h)及AC 25 kV/50 Hz(列車最高運行速度120～160 km/h)。

AC 25 kV/50 Hz制式一般適用于運量大、負荷重、速度高、運輸距離長的干線電氣化鐵路,部分國家或地區的城郊快線鐵路或機場線也采用AC 25 kV/50 Hz制式;直流牽引供電制式適用于列車功率不大、供電半徑較小、列車密度高且起動頻繁的城市軌道交通線路,絕大部分城市軌道交通線路均采用DC 750 V或DC 1 500 V的牽引供電制式,DC3 000 V牽引供電制式目前在意大利等西歐國家、前蘇聯加盟共和國等國家的一些國家干線電氣化鐵路,以及格魯吉亞、巴西圣保羅地鐵有應用,但國內針對DC 3 000 V供電制式體系化、標準化的研究及運營尚無案例可循。

雙制式/多制式指不同線路區段采用不同的牽引供電制式。為適應行車組織決定的跨線列車運行和直通需要,或在既有線路必須與新建線路直接銜接又迫于既有線改造費用過大時,對具備雙制式或多制式受電功能的同一車輛采用雙制式/多制式供電,如通行在多個國家的歐洲之星高速列車,其能夠適應AC 25 kV、DC 3 000 V和DC 1 500 V三種牽引供電制式,國內目前尚無雙制式/多制式供電的運營經驗。

我國干線電氣化鐵路、城市軌道交通、市域線發展至今,采用單相工頻25 kV交流制和DC 750 V、 DC 1 500 V兩種牽引供電制式。國內絕大多數城市軌道交通采用的是DC 1 500 V接觸網(接觸軌)供電、走行軌(鋼軌)回流的牽引供電方式。國內外主要市域線牽引供電制式的應用如表1所示。

表1 國內外主要市域線牽引供電制式應用情況

1.2 主要技術特點

交、直流供電制式的主要技術特點如表2所示。

表2 交、直流供電制式主要技術特點

綜上分析,可將列車最高設計速度120 km/h作為選擇牽引供電制式的參考分界點:當列車最高設計速度≤120 km/h時,采用DC1 500 V牽引供電制式;當列車最高設計速度>120 km/h時,優先考慮采用AC 25 kV/50 Hz牽引供電制式。

2 影響牽引供電制式選擇的因素

影響牽引供電制式選擇的因素如表3所示。速度目標值、車輛選型及隧道斷面對牽引供電制式的選擇起著決定性作用,是確定整個項目的工程規模、系統制式、設備配置以及工程投資的重要基礎和依據。

表3 影響牽引供電制式選擇的主要因素

由表3可知,崇明線列車速度目標值為120 km/h,在線網中不存在列車跨線運營的運輸組織形式;除凌空北路站—長興島站—陳家鎮站三站兩區間因為穿越長江而采用單洞雙線圓形隧道外,其余區段均采用傳統單洞單線圓形隧道。在滿足線路功能的前提下,考慮到整個工程的經濟性,本項目車輛選型最終選用DC 1 500 V市域A型車,列車為6輛編組。

3 崇明線牽引供電系統方案設計

3.1 DC 1 500 V專用回流軌設計

通過對國內外直流牽引供電系統進一步調研發現,“四軌”供電系統可作為解決本工程長距離直流供電能力不足和雜散電流腐蝕問題[1-2]的技術方案。所謂“四軌”供電系統,就是負極專設回流軌的供電系統,即牽引變電所通過第三軌供電、第四軌回流[3]的供電方式。受車輛結構及制造、接觸軌布置、靴軌關系、最高運行速度下靴軌受流穩定性等其他一系列未經技術驗證因素的制約,國內外目前均無DC 1 500 V電壓等級“四軌”供電系統的先例。

但是,國內如上海浦江線工程、重慶跨座式單軌工程、長沙磁浮線工程等的供電方式有值得借鑒的地方,其供電軌的結構形式雖各有不同,但供電原理本質上與“四軌”一致,即采用負極均獨立于鋼軌之外的專用供電回路。因此,可將架空剛性接觸網與接觸軌進行組合,即正極采用架空接觸網供電,負極采用專用回流軌回流的組合供電方式。車輛同時配備集電靴和受電弓,無論從車輛還是從牽引網方面來看,都不存在技術困難。該方案在已開通運營的寧波地鐵4號線工程上得到論證,其列車最高運行速度僅為80 km/h。但是架空剛性接觸網、接觸軌(第三軌)在國內最高運行速度120 km/h城市軌道交通線路上均有成熟應用(如表1所示)。基于此,本工程提出采用DC 1 500 V架空接觸網+負極專用回流軌的牽引供電技術方案,牽引網正極采用已成熟應用的架空剛性懸掛(地下段)和架空柔性懸掛(地面段);負極采用專用回流軌(下部接觸方式),其相關指標與既有接觸軌(第三軌)保持一致,此處不再贅述。崇明線越江盾構段供電系統設備布置斷面如圖1所示。

3.2 牽引變電所設置方案

采用DC 1 500 V架空接觸網+負極專用回流軌的牽引供電技術方案,避免了雜散電流腐蝕及防護和鋼軌電位的問題,理論上只要牽引網最低電壓大于國標規定1 000 V的要求、牽引變電所的設備選型滿足成熟可靠的要求即可。針對在越江段隧道內是否設置牽引變電所,設計了兩種供電方案。

方案一:沿崇明線由金吉路站至裕安站除高寶路站和長興島站外,在其余車站及轉換井設置牽引變電所,在越江段中部不設置區間牽引變電所。轉換井內牽引變電所直流設備采取“雙套配置”。為了解決當越江段兩端大小盾構轉換井內的牽引變電所退出/解列時,直流大雙邊供電距離超過10 km(如崇明島轉換井牽引變電所解列退出時,長興島北轉換井至陳家鎮站直流大雙邊供電距離達11.575 km),導致整流機組容量配置過大、牽引網電壓過低等問題,浦東轉換井、長興島南轉換井、長興島北轉換井和崇明島轉換井內牽引變電所直流設備采取“雙套配置”,即:在傳統2套整流機組的基礎上在另一段35 kV母線再配置2套整流機組,確保轉換井內牽引變電所不退出。在本文仿真中,默認4座轉換井內牽引變電所不退出。

方案二:全線車站及轉換井牽引變電所設置同方案一,在越江段中部增設區間牽引變電所(在浦東轉換井至長興島南轉換井之間設置南港區間牽引變電所,在長興島北轉換井至崇明島轉換井之間設置北港區間牽引變電所)。通過環控系統對隧道排煙方案進行調整和優化,進而優化越江段隧道斷面形式,將越江隧道中部區段的下部空腔高度由標準斷面的2 400 mm提高到3 550 mm,實現下部空腔設置區間牽引變電所的要求。該方案下,轉換井內牽引變電所不再采用“雙套配置”,全線各牽引變電所均為常規配置,同一時刻允許任一個牽引變電所解列退出運行。越江段大盾構標準斷面示意圖如圖1 a)所示,越江段中部區段優化后的隧道斷面示意圖如圖1 b)所示。

3.3 供電能力仿真測試

通過系統建模,對上述兩種牽引變電所設置方案的供電能力進行仿真測試。分別計算兩種方案下供電能力達到24對/h時的牽引網最低電壓、整流機組功率和牽引變電所有效電流等指標。在牽引變電所均正常供電及相鄰牽引變電所解列供電條件下,兩種方案對比分別如圖2和圖3所示。

圖2 牽引變電所兩種設置方案供電能力對比(牽引變電所均正常供電)

圖3 牽引變電所兩種設置方案供電能力對比(相鄰牽引變電所解列供電)

由圖2和圖3可知,方案二牽引網最低電壓在牽引變電所正常情況下均大于1 400 V,當牽引變電所解列時均大于1 200 V,特別是整流機組的功率在牽引變電所正常情況下降低了24.4%,指標同比均優于方案一;同時避免了方案一4座轉換井內供電設備冗余配置、長期承受長距離供電、運行方式復雜、故障倒閘操作時間較長、長期運營能耗高等問題,也將直流供電能力由高峰時24對/h提升到30對/h,供電可靠性和供電質量也得到進一步提升。

鑒于南港區間牽引變電所和北港區間牽引變電所設于越江隧道軌道板下位置及環境的特殊性,牽引變電所在無人值班設計的基礎上,增加35 kV斷路器和1 500 V斷路器故障錄波、所內溫濕度及環境監測、開關柜局放監測、視頻監控(自動巡檢設備或云臺高清攝像頭)等功能,結合在線監測、互聯網、大數據和人工智能等先進技術,實現運維人員遠程實時了解牽引變電所內設備的運行狀態,提前制定相應的維修策略或應急預案,確保供電系統安全運行。

4 結語

本文借鑒“四軌”供電系統可解決長距離直流供電能力不足和雜散電流腐蝕的技術優勢,針對崇明線特點,提出DC 1 500 V架空接觸網+負極專用回流軌牽引供電方式,從根本上杜絕了雜散電流的產生及其對周邊管線的腐蝕,確保了隧道和橋梁等的使用壽命;針對在越江區段中部是否設置牽引變電所,設計了兩種供電方案;系統供電能力仿真測試結果表明,兩種技術方案下牽引供電系統均可滿足相應行車組織的要求,雖然設置區間牽引變電所在工程建設投資方面有所增加,但是可從根本上解決本工程越江段長距離直流牽引供電能力受限的問題,可為未來崇明線運能的進一步提升提供空間。