單邊供電系統(tǒng)斷電區(qū)的地鐵車(chē)輛通過(guò)策略

延娓娓　劉　帥

（中車(chē)長(zhǎng)春軌道客車(chē)股份有限公司電氣研發(fā)部，130062，長(zhǎng)春∥第一作者，工程師）

目前，我國(guó)城市軌道交通系統(tǒng)主要以直流供電形式為主。即：牽引供電所從高壓電網(wǎng)獲取電能，經(jīng)過(guò)降壓變換和整流之后，將最終的直流電輸送至線(xiàn)路上的牽引供電設(shè)備。直流供電的電壓規(guī)格一般為750 V或1 500 V［1］。車(chē)輛受流方式一般分為兩種，即第三軌受流和接觸網(wǎng)受流，但不管使用何種受流方式，均要設(shè)置斷電區(qū)［2-3］，即供電不連續(xù)區(qū)域。其目的主要是解決單個(gè)牽引供電所的供電能力有限和供電臂不能夠無(wú)限長(zhǎng)問(wèn)題；此外，設(shè)置斷電區(qū)可方便供電線(xiàn)路的檢修，并可用于故障線(xiàn)路隔離［4］。

1　斷電區(qū)分類(lèi)

由于斷電區(qū)的存在，牽引供電網(wǎng)絡(luò)也衍生出了多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，尤其以單邊供電方式和雙邊供電方式應(yīng)用最為廣泛［5］。

單邊供電形式如圖1所示，其每一個(gè)供電臂只由單一牽引變電所供電，接線(xiàn)方式較為簡(jiǎn)單，建造成本相對(duì)較低。由于單邊供電的每段線(xiàn)路相互獨(dú)立，當(dāng)某供電臂發(fā)生短路時(shí)，故障不會(huì)擴(kuò)散，但冗余性較差，且還需要保證不同供電臂的電壓不能夠相差過(guò)大，以免對(duì)車(chē)輛的高壓系統(tǒng)造成影響［6］。

圖1　單邊供電系統(tǒng)斷電區(qū)分布示意圖

雙邊供電形式如圖2所示，其每一個(gè)供電臂均由兩個(gè)供電站同時(shí)供電，整個(gè)牽引供電系統(tǒng)的所有變電站通過(guò)供電設(shè)備形成并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，提高系統(tǒng)的冗余度和車(chē)輛再生制動(dòng)的能量利用率；且供電網(wǎng)內(nèi)不同區(qū)間的電壓基本相同，也就避免了車(chē)輛通過(guò)斷電區(qū)時(shí)因兩供電臂電壓差對(duì)列車(chē)牽引系統(tǒng)的沖擊。但此種供電形式的建造成本較高，并且當(dāng)出現(xiàn)局部短路時(shí)，故障可能會(huì)擴(kuò)散，甚至引起系統(tǒng)的崩潰。

2　單邊供電與車(chē)輛電路不匹配問(wèn)題

經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的理論研究和生產(chǎn)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，單邊供電系統(tǒng)較為適合于線(xiàn)路長(zhǎng)度較短、正線(xiàn)運(yùn)行車(chē)輛較少的地鐵線(xiàn)路［7］。上海浦東國(guó)際機(jī)場(chǎng)捷運(yùn)系統(tǒng)的線(xiàn)路特點(diǎn)恰好與此相吻合，所以該項(xiàng)目采用了雙電源互為冗余的單邊供電方式。具體供電拓?fù)淙鐖D3所示。

圖2　雙邊供電系統(tǒng)斷電區(qū)分布示意圖

該線(xiàn)路正線(xiàn)采用第三軌供電，線(xiàn)路共分為2部分，即 T1-S1-T4線(xiàn)（西線(xiàn)）和 T2-S2-T4線(xiàn)（東線(xiàn)）。東西線(xiàn)又分別包括左線(xiàn)和右線(xiàn)，其中東線(xiàn)由S2牽引變電所單邊供電，西線(xiàn)由S1牽引變電所單邊供電。正線(xiàn)上的斷電區(qū)長(zhǎng)度約為12 m，交叉渡線(xiàn)部分?jǐn)嚯妳^(qū)長(zhǎng)度約為38 m。

該線(xiàn)路車(chē)輛采用4輛編組形式的A型鋁合金車(chē)，車(chē)輛單側(cè)共設(shè)置6臺(tái)受流器。受流器布置方式如圖4所示。全列車(chē)兩端受流器之間的距離約為53 m，半組車(chē)的兩端受流器距離為22.8 m。

為了讓車(chē)輛的各牽引逆變器均衡工作，并保證車(chē)輛在通過(guò)正線(xiàn)和交叉渡線(xiàn)的斷電區(qū)時(shí)依然具有足夠的牽引力，車(chē)輛設(shè)置了1條貫穿全車(chē)的高壓母線(xiàn)，此線(xiàn)纜與車(chē)輛的所有受流器相連。通過(guò)這種連接方式，即使當(dāng)全列車(chē)僅有1臺(tái)受流器與第三軌接觸，車(chē)輛全部的牽引逆變器均能夠具有高壓輸入而正常工作［8-9］。

圖3　浦東國(guó)際機(jī)場(chǎng)捷運(yùn)系統(tǒng)供電拓?fù)鋱D

圖4　浦東國(guó)際機(jī)場(chǎng)捷運(yùn)系統(tǒng)車(chē)輛受流器布置

正常情況下，車(chē)輛在各自所屬的4條線(xiàn)路上往返運(yùn)行。若因運(yùn)營(yíng)需求，左線(xiàn)或右線(xiàn)上的車(chē)輛可以通過(guò)S1或S2衛(wèi)星廳后的交叉渡線(xiàn)來(lái)轉(zhuǎn)換軌道。由于車(chē)輛在換軌過(guò)程中僅有1個(gè)電源供電，所以能夠順利通過(guò)斷電區(qū)。但是當(dāng)車(chē)輛通過(guò)T3航站樓前的交叉渡線(xiàn)時(shí)，由于頭車(chē)的2個(gè)受流器間的距離大于斷電區(qū)長(zhǎng)度，在某一時(shí)刻會(huì)出現(xiàn)車(chē)輛通過(guò)自身的高壓母線(xiàn)和受流器將分屬于不同供電所的第三軌短接（如圖5所示）。

該線(xiàn)路要求牽引網(wǎng)壓額定值為1 500 V，波動(dòng)范圍為1 000～1 800 V。假設(shè)牽引供電網(wǎng)絡(luò)的供電電能質(zhì)量較高，在所有線(xiàn)上車(chē)輛同時(shí)牽引時(shí)，網(wǎng)壓仍然能夠保持在1 500 V［10］。如果其中一個(gè)供電臂的網(wǎng)壓為1 500 V，另一個(gè)供電臂上的車(chē)輛在進(jìn)行電制動(dòng)且該供電臂的再生制動(dòng)吸收能力較弱時(shí)，該供電臂的網(wǎng)壓將會(huì)在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到1 800 V。如果此時(shí)有一列車(chē)經(jīng)過(guò)T3航站樓的交叉渡線(xiàn)，車(chē)輛將短接兩個(gè)供電臂，300 V的壓差全部落在車(chē)輛的高壓母線(xiàn)上。車(chē)輛選用的高壓母線(xiàn)為2×95 mm2的電纜（符合EN50306標(biāo)準(zhǔn)）。此電纜的電阻特性為0.21 Ω/km，車(chē)輛的長(zhǎng)度為94 m，粗略估算高壓母線(xiàn)的電阻為0.010 5 Ω，則穩(wěn)態(tài)時(shí)流過(guò)高壓母線(xiàn)電流約為：

圖5　車(chē)輛短接兩個(gè)牽引供電所

由于線(xiàn)路和車(chē)輛母線(xiàn)上存在雜散電感（電感值與具體的車(chē)下線(xiàn)纜排布方式有關(guān)，具體數(shù)值難以確定，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)初步估計(jì)為毫亨級(jí)），則車(chē)輛分布參數(shù)電路可抽象為集中參數(shù)的RL等效電路模型（如圖6所示）。

圖6　車(chē)輛電路集中參數(shù)等效模型

該電路為典型的一階線(xiàn)性電路，電流i的解析式為：

該電路的時(shí)間常數(shù) 為：

車(chē)輛高壓母線(xiàn)的電流響應(yīng)曲線(xiàn)如圖7所示。由圖可知，經(jīng)過(guò)3時(shí)間后電路基本達(dá)到穩(wěn)態(tài)，即30 ms后車(chē)輛高壓母線(xiàn)電流約為28 kA。運(yùn)營(yíng)規(guī)則限制車(chē)輛要以不高于20 km/h的速度經(jīng)過(guò)斷電區(qū)，則車(chē)輛高壓母線(xiàn)短接兩供電臂的時(shí)間約為2.7 s。這段時(shí)間內(nèi)，電路已經(jīng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，若不采取任何措施，車(chē)輛高壓母線(xiàn)會(huì)因過(guò)電流而損壞，且牽引供電所的斷路器也可能因此而跳斷，造成大面積的牽引網(wǎng)停電。

圖7　車(chē)輛高壓母線(xiàn)電流響應(yīng)曲線(xiàn)

3　兩側(cè)具有壓差的斷電區(qū)通過(guò)策略

為避免列車(chē)通過(guò)具有壓差的斷電區(qū)時(shí)產(chǎn)生過(guò)電流，上海浦東國(guó)際機(jī)場(chǎng)捷運(yùn)系統(tǒng)車(chē)輛設(shè)置了高壓母線(xiàn)斷路器，即在兩中間車(chē)之間設(shè)置1臺(tái)高速斷路器（見(jiàn)圖8）。當(dāng)列車(chē)即將進(jìn)入斷電區(qū)時(shí)，司機(jī)通過(guò)按鈕發(fā)出高壓母線(xiàn)斷路器分?jǐn)嘀噶?，此時(shí)列車(chē)的高壓母線(xiàn)被分為兩段，由于斷電區(qū)的長(zhǎng)度大于半組車(chē)兩端受流靴的距離，則分?jǐn)嗪蟮膬啥文妇€(xiàn)均不會(huì)短接兩供電臂，而當(dāng)列車(chē)運(yùn)行至兩端受電靴分屬于不用供電臂時(shí)，因高速斷路器切斷了兩段母線(xiàn)的電氣連接，從而避免了過(guò)電流的產(chǎn)生。

為了保證系統(tǒng)的可靠性，防止高壓母線(xiàn)斷路器因機(jī)械故障等原因引起無(wú)法及時(shí)分段，另設(shè)置1臺(tái)熔斷器與高速斷路器串聯(lián)，作為斷路器的后備保護(hù)。此外，除了能夠在列車(chē)經(jīng)過(guò)斷電區(qū)時(shí)將高壓母線(xiàn)分段外，高壓母線(xiàn)斷路器還能夠隔離車(chē)輛的部分短路故障。如某半組車(chē)的牽引逆變器保護(hù)斷路器前端出現(xiàn)對(duì)地短路時(shí)，高速斷路器因過(guò)電流而斷開(kāi)，以保證無(wú)故障的半組列車(chē)正常工作，充分保障列車(chē)的可用性。

4　結(jié)語(yǔ)

圖8　車(chē)輛高壓母線(xiàn)中高速斷路器設(shè)置

以上海浦東國(guó)際機(jī)場(chǎng)捷運(yùn)系統(tǒng)為例，針對(duì)單邊供電的牽引網(wǎng)與車(chē)輛電路的不匹配問(wèn)題進(jìn)行了深入分析，提出了設(shè)置高壓母線(xiàn)高速斷路器的解決方案。該方案在保證車(chē)輛能順利通過(guò)兩側(cè)供電臂具有電壓差的斷電區(qū)的同時(shí)，可最大限度地提高車(chē)輛可用性。

提出的解決方案雖然能夠避免了因車(chē)輛短接不同供電臂而產(chǎn)生的過(guò)電流故障，但由于車(chē)輛通過(guò)斷電區(qū)的時(shí)間較短，兩側(cè)供電臂的電壓差可能會(huì)對(duì)列車(chē)的牽引和輔助系統(tǒng)造成一定的沖擊。當(dāng)壓差超過(guò)系統(tǒng)額定電壓的10%時(shí)，車(chē)上的部分電氣部件將承受因電壓突變而損壞的風(fēng)險(xiǎn)。此問(wèn)題需待線(xiàn)路建成后，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試試驗(yàn)加以解決。

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