雙流制列車過中性段供電切換方案

王志榮

(中鐵電氣化勘測設(shè)計研究院有限公司 天津 300250)

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雙流制列車過中性段供電切換方案

王志榮

(中鐵電氣化勘測設(shè)計研究院有限公司 天津 300250)

介紹德國、日本、西班牙等國家的軌道交通中性段供電切換方式，并對其技術(shù)方案進行對比。參考國內(nèi)電氣化鐵道接觸網(wǎng)電分相技術(shù)，對重慶銅梁試驗線中性段供電切換方案的主要技術(shù)條件、設(shè)置位置、過中性段切換方案、接觸網(wǎng)方案等進行研究，提出在線路條件允許的情況下，雙流制列車通過接觸網(wǎng)中性段的供電切換建議采用不停車、不降弓的車上切換方式，當列車通過中性段的惰行速度小于160 km/h時，建議采用器件式中性段方案。 關(guān)鍵詞 軌道交通；雙流制；中性段；供電切換

1 研究背景

采用雙流制列車的快速交通源于歐洲，是為滿足跨國、跨地區(qū)運輸及不同時期建設(shè)線路的互通運行要求而逐步發(fā)展起來的一種軌道交通運營模式。雙流制列車主要有可兼容AC 25 kV和DC 3 kV、AC 15 kV和DC 1.2 kV(750 V)、AC 25 kV和DC 1.5 kV等幾種供電模式。通過交直流系統(tǒng)間設(shè)置的中性段完成對列車的供電切換，以達到跨地區(qū)或主城區(qū)與郊區(qū)、衛(wèi)星城之間快速通行的目的。雙流制列車具有舒適性好，速度快的特性，同時還可以節(jié)省投資。

采用雙流制列車的軌道交通運行模式在我國還沒有成功的應(yīng)用先例。重慶銅梁試驗線是國內(nèi)正在開展研究的采用雙流制列車的快軌交通項目，可借鑒國外的運行經(jīng)驗，結(jié)合我國地鐵和鐵路的牽引供電模式，對雙流制列車過接觸網(wǎng)中性段的供電切換方案進行研究。

2 國外現(xiàn)狀及比較

國外雙流制列車通過中性段的供電切換方式一般有兩種，一種為地面開關(guān)切換方式，目前已基本不再采用；另一種為列車開關(guān)切換方式，包括列車降弓和不降弓通過中性段。筆者以德國“S-Bahn”系統(tǒng)、西班牙及日本鐵路的中性段切換方式為例進行介紹。

2.1 德國現(xiàn)狀

德國的“S-Bahn”系統(tǒng)起源于柏林。1924年柏林首條采用DC 800 V三軌系統(tǒng)的郊區(qū)鐵路投入運行，成功的運行經(jīng)驗帶動所有的郊區(qū)線網(wǎng)實現(xiàn)了電氣化。從1930年12月1日起將這種連接兩地的快速交通叫做“S-Bahn”[1]。

早期的“S-Bahn”系統(tǒng)多采用DC 750 V或DC 1 200 V的直流牽引系統(tǒng)，由于節(jié)能的要求，后來逐步采用AC 15 kV交流牽引系統(tǒng)。1992年9月，卡爾斯魯厄輕軌實現(xiàn)了與鐵路的共軌運行，成為世界上首次采用雙流制輕軌系統(tǒng)的先例[2]。

采用雙流制列車的“S-Bahn”系統(tǒng)在交直流系統(tǒng)間設(shè)置接觸網(wǎng)中性段，如圖1所示。接觸網(wǎng)中性段包括直流側(cè)的“a-b” 中性分段、“b-c”接地分段和“c-d”中性段，交流側(cè)的“d-e”接地分段和“e-f”中性分段。鋼軌對地絕緣安裝，中性段鋼軌通過絕緣節(jié)與直流側(cè)及交流側(cè)鋼軌隔離，地面設(shè)置計軸設(shè)備以確定列車的位置[3]。

圖1 德國“S-Bahn”系統(tǒng)中性段供電切換示意

在正常運行方式下，除jd1、jd2接地開關(guān)閉合外，其余開關(guān)均處于打開狀態(tài)。以列車從直流側(cè)駛向交流側(cè)通過中性段為例，列車除需切換車上的斷路器外，不需任何其他操作。

從直流側(cè)駛來的列車在第一個受電弓通過“a”位置的分段絕緣器前，自動切斷列車上DC系統(tǒng)的進線開關(guān)，列車依次滑行通過 “a-b” 中性分段、“b-c”接地分段、“c-d”中性分段、“d-e”接地分段和“e-f”中性分段，當列車完全通過“f”位置時，自動閉合列車上AC系統(tǒng)的進線開關(guān)。

若列車上DC系統(tǒng)的進線開關(guān)沒有及時打開，列車第一個受電弓通過分段絕緣器“a”時，出現(xiàn)拉弧現(xiàn)象，列車繼續(xù)滑行進入“b-c”接地分段時，出現(xiàn)接地故障，保護動作，接觸網(wǎng)失電。從AC側(cè)過來的列車通過中性段的供電切換方式同直流側(cè)。這樣列車不停車、不降弓直接通過中性段，完成交直流供電的轉(zhuǎn)換。

為了避免在正常運行模式下列車前弓通過分段絕緣器“b”或“e”時造成拉弧現(xiàn)象，及進入“b-c”和“d-e”接地分段時造成短路故障，“a-b”、“e-f”中性分段和“c-d”中性段的長度一般要大于一列車的長度。

2.2 日本現(xiàn)狀

日本由于戰(zhàn)爭的影響，直到1951年后，東京、大阪、名古屋等幾座大城市才開始大規(guī)模發(fā)展城市軌道交通[4]。二戰(zhàn)結(jié)束后，東京政府統(tǒng)一管理軌道交通系統(tǒng)的建設(shè)運營，地鐵與郊區(qū)鐵路的相互直通規(guī)劃建設(shè)才正式實施[5]。

目前日本的鐵路網(wǎng)絡(luò)中共有10處設(shè)置了交直流系統(tǒng)中性段，除JR線黒磯站內(nèi)有1處采用地面切換方式外，其余9處都采用車上切換方式。

以筑波線為例，筑波線是一條連接日本東京千代田區(qū)秋葉原站與茨城縣筑波市筑波站之間的通勤線路，列車最高運行速度130 km/h，于2005年8月投入運行，在守谷站至未來平站高架區(qū)間設(shè)置了AC 20 kV和DC 1.5 kV接觸網(wǎng)中性段。

以列車從直流側(cè)駛向交流側(cè)為例，供電切換方式如圖2所示。在距離接觸網(wǎng) “a-b” 中性段700 m附近通過聲音及顯示器通知駕駛員接近中性區(qū)段；500 m附近接受定速運行的指示信息，自動打開列車真空斷路器，進行車上電路的交直流切換；400 m附近駕駛員確認切換狀態(tài)。在自動切換不成功的情況下，通過聲音警告和切換開關(guān)的閃爍來督促駕駛員采用手動切換，當駕駛員手動切換完成后，切換開關(guān)停止閃爍，呈點亮狀態(tài)，列車以無負荷狀態(tài)惰行通過中性區(qū)段，待列車檢測到異電源后，投入真空斷路器。這樣列車不停車、不降弓通過中性段，完成交直流供電的轉(zhuǎn)換[6]。

圖2 筑波線中性段供電切換示意

由于列車在無電狀態(tài)下通過中性段，因此中性段的長度可小于一列車的長度。

日本都市快線上下行接觸網(wǎng)中性段分別設(shè)置。從直流側(cè)駛向交流側(cè)的中性段接觸網(wǎng)設(shè)置方案如圖3所示，中性區(qū)長度約為60 m。

圖3 直流—交流側(cè)接觸網(wǎng)中性段示意

從交流側(cè)駛向直流側(cè)的中性段接觸網(wǎng)設(shè)置方案如圖4所示，中性區(qū)長度約為20 m。

圖4 交流—直流側(cè)接觸網(wǎng)中性段示意

2.3 西班牙現(xiàn)狀

西班牙馬德里—塞維利亞的高速鐵路建于1992年，全長470 km[7]。在馬德里—塞維利亞的線路上設(shè)置有AC 25 kV與DC 3 kV接觸網(wǎng)中性段，交直流系統(tǒng)接觸網(wǎng)間采用分段絕緣器進行絕緣，如圖5所示。

圖5 馬德里—塞維利亞線中性段供電切換示意

列車通過接觸網(wǎng)中性段時，司機要進行連續(xù)的列車控制，并進行必要的轉(zhuǎn)換操作，降弓通過中性段。

在輔助接觸懸掛的中性段上安裝有電壓互感器，如果疏忽導(dǎo)致受電弓被升起，電壓互感器能觸發(fā)變電所的斷路器跳閘。如果該裝置失靈，受電弓一旦進入系統(tǒng)分離區(qū)的接地段就會造成短路，使得相鄰兩側(cè)變電所的線路保護裝置動作而導(dǎo)致斷路器跳閘[8]。

2.4 方案比較

在德國、西班牙的中性段方案中，都設(shè)置了接地的中性區(qū)段，防止列車自動切換失敗帶電進入中性段時對車輛和接觸網(wǎng)系統(tǒng)造成損壞。中性段長度均要大于一列車的長度，接觸網(wǎng)無電區(qū)較長，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。當列車停在中性區(qū)段時，調(diào)度員需根據(jù)列車的?？课恢?通過地面計軸設(shè)施確定)進行開關(guān)倒閘作業(yè)，完成故障狀態(tài)下列車通過中性段的交直流切換，事故處理程序較復(fù)雜，適用于列車中、高速通過中性段的運行工況。

日本的中性段設(shè)置方案，中性段長度不需要大于一列車的長度，接觸網(wǎng)無電區(qū)較短，只有幾十米，結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)置位置靈活，且不需要設(shè)置地面開關(guān)，造價相對也低。當列車在中性區(qū)前惰行期間，如果列車開關(guān)自行切換失敗，可通過駕駛員手動完成切換，列車不會停在中性段內(nèi)，適用于列車中、低速通過中性段的運行工況。

3 銅梁試驗線方案

根據(jù)重慶市城鄉(xiāng)總體規(guī)劃(2007—2020)及打造“一小時經(jīng)濟圈”的城市發(fā)展戰(zhàn)略，為了提高軌道交通服務(wù)水平，構(gòu)建多功能多層次的軌道交通服務(wù)體系，在重慶市軌道交通第二輪建設(shè)項目中，積極推行了互聯(lián)互通網(wǎng)絡(luò)化運營的理念[9]。在此背景下，重慶銅梁試驗線擬規(guī)劃建設(shè)成為新型的快軌交通，采用雙流制列車實現(xiàn)銅梁試驗線與軌道交通1號線的同車站換乘或貫通運行。

銅梁試驗線分為兩段，一段從軌道交通1號線終點尖頂坡站至璧山站,另一段從璧山站至銅梁站，需要在璧山站的站前或站后區(qū)間設(shè)置接觸網(wǎng)中性段。

3.1 主要技術(shù)條件

3.1.1 線路

尖頂坡站至璧山站：線路長約5.9 km，其中60%為地下線路。

璧山站至終點銅梁站：線路長約30.8 km，其中68%為地面和高架線路。

3.1.2 車輛

采用雙流制動車組列車，可同時兼容AC 25 kV和DC 1.5 kV兩種供電模式，6輛編組，最高運行速度130 km/h。

3.1.3 供電制式

尖頂坡站至璧山站：采用DC 1.5 kV架空接觸網(wǎng)供電制式。

璧山站至終點銅梁站：采用AC 25 kV架空接觸網(wǎng)供電制式。

3.1.4 信號

與軌道交通1號線信號系統(tǒng)兼容。

3.2 列車通過中性段供電切換方案

銅梁試驗線的技術(shù)條件與日本筑波線有頗多的相似之處，雙流制列車過中性段方案可以借鑒日本筑波線的經(jīng)驗，采用車上切換方式。以列車從直流側(cè)駛向交流側(cè)為例，列車通過中性段的速度定為100 km/h。

3.2.1 中性段的設(shè)置位置

3.2.1.1 確定列車加速段所需距離

根據(jù)行車專業(yè)提供的雙流制列車在不同線路條件下的加速度參數(shù)表，計算確定列車加速到100 km/h所需的距離，即加速段距離。根據(jù)銅梁試驗線行車資料及線路條件，加速段距離不宜小于800 m。

3.2.1.2 列車完成切換過程惰行距離

與信號、車輛專業(yè)確定列車以100 km/h的速度惰行時，列車接受信號、自動打開主斷路器、完成直流—交流回路切換所需時間及安全距離，得出該距離不小于700 m。

根據(jù)接觸網(wǎng)中性段設(shè)置方案確定中性段無電區(qū)的長度，參考日本筑波線的經(jīng)驗，中性段的長度不宜小于60 m。

與車輛專業(yè)確定列車檢測到交流電后，完成切換所需的距離約為120 m。

由此可計算出列車從直流側(cè)至交流側(cè)完成切換所需的最小惰行距離L為

L=700+60+120=880 m

3.2.1.3 中性段位置

參考電氣化鐵道接觸網(wǎng)分相裝置不宜設(shè)在大于6‰的大坡道的規(guī)定[10]，根據(jù)銅梁試驗線線路資料，接觸網(wǎng)中性段宜設(shè)置在璧山站后區(qū)間地面及高架段。根據(jù)加速段及列車完成切換過程惰行距離確定中性段的具體里程范圍。

3.2.1.4 計軸設(shè)備及警示標識位置

與信號、車輛專業(yè)配合確定計軸設(shè)備位置及警示標識位置。

3.2.2 列車通過中性段切換方案

如圖6所示。列車出璧山站后經(jīng)過約800 m的加速段，在A點處速度達到100 km/h。因此，在A點處設(shè)置標識，并與信號系統(tǒng)配合向列車發(fā)出指定信號，通知駕駛員已經(jīng)接近中性區(qū)，應(yīng)保持時速100 km/h勻速駕駛。當信號系統(tǒng)檢測到列車已到達B位置時，向列車發(fā)出信號，自動打開列車進線主斷路器開關(guān)，并進行車內(nèi)交直流回路的切換。經(jīng)過BC段時，駕駛員對受電弓開關(guān)狀態(tài)及車內(nèi)交直流回路切換狀態(tài)進行確認，自動操作不成功時，駕駛員應(yīng)手動操作切換。

圖6 銅梁試驗線中性段供電切換方案示意

若駕駛員確認列車主斷路器分閘、交直流回路切換成功后，列車惰性通過CD段，在接觸網(wǎng)中性段前跨D點處設(shè)置警示標識。

列車通過中性段DE段時不同受電弓會同時檢測到直流、交流兩種電源信號，列車需保持主斷路器處于分閘狀態(tài)。

當信號系統(tǒng)檢測到列車完全通過E點后，在EF段內(nèi)列車檢測到受電弓上全部為交流電源，在F點設(shè)置警示標識，此時通過信號確認，向列車發(fā)出投入主斷路器信號，列車正常前行。

至此，列車通過中性段完成。從交流側(cè)駛向直流側(cè)時其切換原理與此相同。

3.3 中性段接觸網(wǎng)方案

交直流系統(tǒng)間的接觸網(wǎng)中性段類似于電氣化鐵道的中性段(又稱電分相)，因此，可以借鑒電氣化鐵道電分相技術(shù)，設(shè)為關(guān)節(jié)式中性段或器件式中性段[11]。

采用關(guān)節(jié)式中性段方案時，可參考電氣化鐵道的錨段關(guān)節(jié)式電分相設(shè)置，常用的有七跨式、八跨式、九跨式和十二跨式等幾種電分相方案。該方案需要受電弓有足夠的工作寬度，以滿足關(guān)節(jié)處的空氣絕緣間隙要求。

采用器件式中性段方案時，可采用電氣化鐵道接觸網(wǎng)傳統(tǒng)的分相絕緣器[12]。分相絕緣器由3個絕緣棒組成，在導(dǎo)線上有6個接頭，如圖7所示。分相絕緣器總長約30 m，無電區(qū)長度可以通過增加絕緣棒數(shù)量調(diào)整。該方案對受電弓工作寬度無特殊要求。根據(jù)銅梁試驗線行車資料，列車最高運行速度為130 km/h，建議采用分相絕緣器設(shè)置接觸網(wǎng)中性段。直流至交流側(cè)的接觸網(wǎng)中性段可按圖8所示方案設(shè)置，交流至直流側(cè)的接觸網(wǎng)中性段可按圖9所示方案設(shè)置。

圖8 銅梁試驗線直流—交流側(cè)接觸網(wǎng)中性段方案

圖9 銅梁試驗線交流—直流側(cè)接觸網(wǎng)中性段方案

圖7 器件式中性段示意

列車通過中性段時，存在車內(nèi)交直流回路切換暫態(tài)過程及受電弓主斷路器分閘、合閘過程，由于車內(nèi)存在大量的儲能元件，電動機在惰行工況下作為發(fā)電機使用、整流器與逆變器之間進行能量交換等，使得其中的暫態(tài)過程非常復(fù)雜。通過建立仿真模型驗證，當列車從直流側(cè)至交流側(cè)運行時，由于直流回路穩(wěn)壓電容的放電效應(yīng)等因素，其暫態(tài)至穩(wěn)態(tài)的過程比從交流側(cè)至直流側(cè)運行時更復(fù)雜、需要的切換時間也更長[13]。因此，列車從直流側(cè)至交流側(cè)的中性段長度要大于其從交流側(cè)至直流側(cè)的長度。

4 結(jié)語

雙流制列車通過中性段的供電切換方案是需要多專業(yè)配合才能完成的系統(tǒng)性方案，需要供電、行車、車輛、線路、信號等專業(yè)的密切配合。

在線路條件允許的情況下，雙流制列車通過接觸網(wǎng)中性段的供電切換建議采用不停車、不降弓的車上切換方式，列車通過中性段的惰行速度小于160 km/h時，建議采用器件式中性段方案。

中性段無電區(qū)的長度與列車通過速度、受電弓參數(shù)、列車主斷路器分合閘時間、列車交直流回路切換時間、異電源檢測時間等特性有關(guān)，需與車輛專業(yè)配合計算確定。

接觸網(wǎng)中性段位置宜選擇在地面或高架區(qū)段，有利于地面信號設(shè)備的設(shè)置及司機對安全標識的確認，同時便于日常的運營維護管理。

上述銅梁試驗線的中性段方案是基于工可階段的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)確定的，對于其他地區(qū)的不同線路情況，可以參照上述的分析方法，但數(shù)據(jù)不能照搬。

[1] ROBERT SCHWANDL.Berlin：S-Bahn history [EB/OL].[2016-02-26].http://www.urban rail.net/eu/de/b/s-berlin.htm.[2] 閆小勇，張萬勝.關(guān)于我國發(fā)展輕軌與鐵路共軌運行系統(tǒng)的探討[J].石家莊鐵道學(xué)院學(xué)報，2003，16(4)：34-37.

[3] 德國ILF工程咨詢公司，德國漢堡咨詢公司，重慶市軌道交通(集團)有限公司.中德金融合作項目重慶“都市快軌”(S-Bahn)銅梁試驗線工程可行性研究報告[R].重慶：重慶市軌道交通(集團)有限公司，2012.

[4] 鄢巨平，譚仲平.日本大都市軌道線網(wǎng)構(gòu)架分析與思考[J].城市軌道交通研究，2002(1)：91-95.

[5] 明瑞利，葉霞飛.東京地鐵與郊區(qū)鐵路直通運營的相關(guān)問題研究[J].城市軌道交通研究，2009(1)：21-25.

[6] 中央復(fù)建工程咨詢株式會社(CFK)，日本地下鐵協(xié)會(JSA).日本的交直流切換運行及交直流兩用電車技術(shù)[R].重慶：重慶市軌道交通(集團)有限公司，2013.

[7] 劉瑞常.西班牙高速列車服務(wù)質(zhì)量高[EB/OL].(2001-10-25)[2016-2-26].http://news.xinhuanet.com/news/20011025/934064.htm.

[8] (德)Kieβling，Pusschman，Shmieder.電氣化鐵道接觸網(wǎng)[M].中鐵電氣化局集團有限公司，譯.北京：中國電力出版社，2004：316.

[9] 張乃基，呂莎，余鑫.重慶城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)化運行實踐[J].都市快軌交通，2015，28(5)：13-15.

[10] 中華人民共和國鐵道部.鐵路電力牽引供電設(shè)計規(guī)范：TB10009—2005[S].北京：中國鐵道出版社，2005：62.

[11] 吳積欽.受電弓與接觸網(wǎng)系統(tǒng)[M].成都：西南交通大學(xué)出版社，2010：114.

[12] 中華人民共和國鐵道部.25 kV電氣化鐵道接觸網(wǎng)用分相絕緣器：TB/T3037—2002[S].北京：中國鐵道出版社，2002：2.

[13] 徐愷.雙流制電力機車供電模式切換過程暫態(tài)特性研究[D/OL].湖南：湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，2014[2016-2-26].http://www.docin.com/p-986781948.html.

(編輯：王艷菊)

Power Supply Switching Scheme of Dual-Current Vehicle on Neutral Section

Wang Zhirong

(China Railway Electrification Survey Design & Research Institute Co., Ltd., Tianjin 300250)

The power supply switching mode in a neutral section in Germany, Japan and Spain is introduced and a comparison is made among their technical schemes. Referring to OHL phase breaking technology employed by domestic electrified railways, the power supply switching scheme for Chongqing Tongliang test line is studied in respect to technical conditions, locations, OHL laying scheme and switching scheme in the neutral section. It is suggested that the dual-current mode vehicle adopt the switching mode of no stopping and no lowering pantograph to pass the neutral section if the line conditions are permitted. Moreover, the device-type neutral section scheme is suggested if the train's inertia speed is less than 160 km/h in the neutral section.Key words: rail transit; dual-current system; neutral section; power supply switching

10.3969/j.issn.1672-6073.2016.06.025

2015-12-30

2016-03-06

王志榮，男，本科，高級工程師，從事軌道交通供電系統(tǒng)設(shè)計，wangzhirong@tjedi.com.cn

重慶市科技攻關(guān)項目(cstc2012ggC30001)

U231.8

A

1672-6073(2016)06-0125-05