交直流轉換場牽引供電系統(tǒng)技術研究

晉 鈺，楊振龍

0 引言

新建水廠礦區(qū)至曹妃甸港區(qū)專用鐵路從既有卑水線木廠口站引出，南與曹妃甸港相連，將剝巖土、尾礦砂等發(fā)送到曹妃甸地區(qū)填海[1]。既有卑水線為直流1 650 V 制式[2]，而水曹鐵路擬采用干線鐵路電氣化交流25 kV 制式[3～6]，交、直流2 種制式的電氣化接觸網(wǎng)在接軌站如何實現(xiàn)安全可靠的轉換是牽引供電系統(tǒng)設計的難點，該種設計在國內尚無商業(yè)運行的先例可借鑒，需進行相關研究。

1 國外運行經驗

根據(jù)國外經驗，實現(xiàn)相鄰不同牽引供電制式接觸網(wǎng)的電氣分離，并保證2 個系統(tǒng)都能安全、有效地向機車供電，一般采用以下2 種方式[7]。

1.1 設供電系統(tǒng)轉換車站方式

在系統(tǒng)區(qū)兩側的電氣化鐵道線路上或運輸繁忙的交通系統(tǒng)中，為保證列車運行不受限制就需要大量的多流制牽引車輛。而多流制牽引車輛比單流制牽引車輛（單系統(tǒng)牽引車輛）的造價高。在這種情況下，采用同時配有雙流制牽引車輛（適應相鄰2 種牽引供電系統(tǒng)）和單流制牽引車輛的轉換站會更為經濟。

該種系統(tǒng)分離轉換車站能夠在同一線路上讓進站的列車由一種供電制式的牽引車輛牽引，而出站的列車由相鄰的另一種供電制式的牽引車輛牽引。系統(tǒng)轉換車站牽引供電系統(tǒng)的設計和電路布置具備多樣性。有的轉換車站建有橫向縱向分離的接觸網(wǎng)，而不需要切換接觸網(wǎng)；也有的轉換車站若干股道的接觸網(wǎng)可以由2 個供電系統(tǒng)供電。

裝備有可切換接觸網(wǎng)裝置的系統(tǒng)轉換車站，接觸網(wǎng)可以分別由2 個供電系統(tǒng)供電，其所需切換的股道數(shù)量取決于股道的布局和運行需要。在軌道隔離區(qū)之上架設的分段絕緣器將接觸網(wǎng)分成獨立的供電分段，每個分段由專用的開關站供電。圖1 為該種系統(tǒng)轉換車站的原理圖。接觸網(wǎng)的絕緣等級要與具有較高標稱電壓的系統(tǒng)相匹配，還需進行車站的雜散電流防護[8～9]。

圖1 設置系統(tǒng)轉換車站方式示意圖

由2 種牽引供電系統(tǒng)供電的轉換車站可進行單流制牽引車輛和雙流制牽引車輛的混合運行。慢車可以使用單流制牽引車輛，通過調車實現(xiàn)牽引車輛轉換；快車可以采用雙流制牽引車輛，從而節(jié)省調車更換牽引車輛的時間。目前在俄羅斯和德國、荷蘭交界處的電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)隔離采用的是該種方式。

1.2 設置系統(tǒng)分離區(qū)方式

設置系統(tǒng)分離區(qū)方式要求電力機車采用造價更高的雙流制牽引，即機車同時配備交、直流受電弓。這是由于在同樣功率下直流系統(tǒng)需要更大的電流[8]，也需要相應設計特殊的受電弓，與交流供電線路相比，直流供電線路需要增加受電弓的質量和接觸壓力。電力機車需要降弓通過該系統(tǒng)分離區(qū)，類似于干線電氣化鐵路的無電區(qū)，兩側不同區(qū)段接觸網(wǎng)之間采用合成材料制成的分段絕緣器進行絕緣，機車離開該區(qū)域后，升起與系統(tǒng)配套的受電弓繼續(xù)運行。

西班牙馬德里—塞維利亞高速鐵路牽引供電系統(tǒng)需要AC 25 kV 和DC 3 kV 2 種供電制式的過渡轉換，目前采用的是在區(qū)間線路設系統(tǒng)分離區(qū)方式，如圖2 所示。

圖2 設置系統(tǒng)分離區(qū)方式示意圖

2 水曹鐵路交直流轉換方式

上述第2 種“系統(tǒng)分離區(qū)”方式需要配備雙流制牽引的機車才能實現(xiàn)，國內尚無該類機車，而且淘汰既有卑水線運行直流機車的成本和代價都太大，業(yè)主不希望采用該方案。第1 種“系統(tǒng)轉換車站方式”可利用國內成熟的交、直流機車運行，但需要對木廠口車站進行特殊設計。

在木廠口車站設置交直流系統(tǒng)轉換場，可分別由交、直流系統(tǒng)供電，通過換掛機車來實現(xiàn)制式匹配。2 種制式的系統(tǒng)不能同時接通，否則會燒毀不同供電制式的供電設備、機車，造成較大的損失。因此該車場每個工作束同時只能運行與工作供電制式相同的機車，與工作供電制式不同的機車不允許升弓，更不能受電。

工作原理：木廠口轉換場根據(jù)運輸能力分為若干個工作束，每束能獨立接受交流或直流供電，直流（交流）開閉所內每路饋線均設置直流（交流）自動投切裝置，設置關聯(lián)閉鎖使交、直流不能同時向同一個工作束供電。要求每個工作束有獨立的進、出場的走行線，可設置電分段與正線隔離，保證在某束場內發(fā)生電氣故障時，不會影響到相鄰正線、場束的運行，詳見圖3 所示。

圖3 木廠口交直流轉換場供電示意圖

以第1 束為例，操作流程：直流機車牽引列車進入第1 束轉換場后停車摘鉤，直流機車經岔線折回卑水線，待駛出第1 束轉換場的直流側電分段，自動投切裝置動作，切斷直流開關，接通交流側開關，交流機車駛入轉換場，掛上列車，向曹妃甸方向運行。反方向同理。

另一種方案是將交、直流開閉所合建在一起，各工作束交、直流供電線合用，交、直流關聯(lián)閉鎖甚至可以用機械形式，可靠性更高，詳見圖4 所示。

圖4 木廠口轉換場供電合建交直流開閉所方案示意圖

3 特殊設計

國內尚無商業(yè)運行先例可循，交直流轉換場牽引供電設計是特殊設計。下面分析交、直流2 種系統(tǒng)的特性，以便選擇更安全、可靠的供電設備。

3.1 開關設備

木廠口交直流轉換場的束與束之間電氣相互獨立，且每束車場又要根據(jù)機車類型準確切換供電制式，對分段開關準確而頻繁的投切能力要求很高，可參考國內鐵路、城軌車輛制造廠試驗線及鐵道科學研究院環(huán)形試驗線經驗，選擇成熟設備。

3.2 絕緣性能

交流系統(tǒng)為25 kV 制式，直流系統(tǒng)為1 650 V，絕緣等級與電壓等級相對應，轉換場的接觸網(wǎng)絕緣等級要與具有較高標稱電壓的系統(tǒng)相匹配，即與交流系統(tǒng)匹配，按交流27.5 kV 耐壓等級考慮。

3.3 載流能力

機車功率恒定的前提下，電壓等級較低的線路機車帶電電流大，因此，木廠口轉換場的接觸網(wǎng)載流能力需比較2 種系統(tǒng)，選擇較大電流來配置，接觸線截面需按直流系統(tǒng)最大電流配置。

該線開行5 000 t 列車，交流SS4 型機車額定牽引功率6 400 kW，機車電流250 A 左右，而直流系統(tǒng)下機車帶電電流達到3 000 A 左右，遠大于交流系統(tǒng)，因此接觸網(wǎng)導線需按直流系統(tǒng)最大電流配置，區(qū)間正線采用規(guī)格為CTA-150 的雙接觸線+規(guī)格為JT-150 的雙承力索+規(guī)格為JT-150 的雙加強線線材組合方能滿足要求，轉換場各工作束增設股道間電連接，可按規(guī)格為CTA-150 的雙接觸線+規(guī)格為JT-150 的單加強線組合配置。但該導線配置在國內罕見，需要提高接觸網(wǎng)支柱和基礎容量。

3.4 雜散電流防護

直流系統(tǒng)電流較大，由于運營環(huán)境、經濟及其它方面因素的限制，鋼軌不可能完全絕緣于道床結構，不可避免地向軌道外部泄漏電流，形成雜散電流。雜散電流對周圍鋼筋結構、金屬管線有腐蝕，影響其使用壽命和安全性，增加運營成本，因此，站內還需進行雜散電流防護：與網(wǎng)上分段配合設置鋼軌絕緣和軌回流開關（接觸器），軌回流開關（接觸器）與網(wǎng)開關聯(lián)動，加入閉鎖。

3.5 對廠區(qū)布置要求

電氣化專業(yè)作為項目的配套專業(yè)，為滿足站場、線路和運輸組織而設置供電設施，而交直流轉換場因為其供電制式的特殊要求，要求轉換場每個工作束都相對獨立，因此，需要在站場方案設計前對站場專業(yè)提特殊要求，對每個工作束設置獨立的進出場線、機車折返岔線，以滿足設備安裝及正常運行的需求。

4 結論

交直流轉換場供變電開關、刀閘設備需要滿足2 種制式下頻繁投切和耐受電壓的能力，同時接觸網(wǎng)既要滿足直流大電流，又要滿足交流高電壓。還要注意與網(wǎng)上分段配合設置鋼軌絕緣和軌回流開關，與網(wǎng)開關聯(lián)動。從便于確認的角度考慮，建議采用交、直流開閉所合建在一起的方案。為保證安全、可靠，可在開閉所內設置饋線電壓在線監(jiān)測裝置跟蹤監(jiān)測各工作束的電壓制式，作為投切不同制式電源的閉鎖充要條件。為消除靜電荷的危害，在每次轉換電源時按“交（直）流電源停電—合接地開關放電—打開接地開關—合閘直（交）流電源”順序操作。

工程設計尚須仔細研究解決諸多具體問題，希望本文對交直流轉換牽引供電系統(tǒng)技術的研究和工程設計有一定指導作用。

[1] 新建水廠礦區(qū)至曹妃甸港區(qū)專用鐵路預可研全一冊文件[R].鐵道第三勘察設計院集團有限公司，2011.

[2] GB50157-2003 地鐵設計規(guī)范[S].

[3] TB10009-2005 鐵路電力牽引供電設計規(guī)范[S].

[4] 電氣化鐵道設計手冊 牽引供電系統(tǒng)[Z].北京：中國鐵道出版社，1988.

[5] 曹建猷.電氣化鐵道供電系統(tǒng)[M].北京：中國鐵道出版社，1987.

[6] 李群湛，賀建閩.牽引供電系統(tǒng)分析[M].成都：西南交通大學出版社，2007.

[7] Kie?ling, Puschmann, Schmieder.電氣化鐵道接觸網(wǎng)[M].中鐵電氣化局集團譯.北京：中國電力出版社，2004.

[8] CJJ49-92 地鐵雜散電流腐蝕防護技術規(guī)程[S].

[9] 于松偉，楊興山，韓連祥，等.城市軌道交通供電系統(tǒng)設計原理與應用[M].成都：西南交通大學出版社.

[10] TB/T 2809-2005 電氣化鐵道用銅及銅合金接觸線[S].

[11] TB/T 3111-2005 電氣化鐵道用銅及銅合金絞線[S].