城軌交流牽引供電系統(tǒng)接觸網(wǎng)標(biāo)稱電壓探討

0 引言

城市軌道交通（以下簡(jiǎn)稱城軌）交流牽引供電系統(tǒng)是一種基于35 kV電纜和適當(dāng)電壓等級(jí)接觸網(wǎng)的工頻單相交流牽引供電模式[1]，用于地鐵和輕軌，可以實(shí)現(xiàn)全線路無(wú)分相，避免直流牽引供電系統(tǒng)中雜散電流的危害，并能直接高效利用列車的再生制動(dòng)電能。

文獻(xiàn)[1]提出和研究了城軌交流牽引供電系統(tǒng)及其關(guān)鍵技術(shù)，指出了確定接觸網(wǎng)標(biāo)稱電壓需考慮的因素；文獻(xiàn)[2]主要研究了城軌交流牽引供電系統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)償方案。文獻(xiàn)[1]和[2]分別指出接觸網(wǎng)標(biāo)稱電壓有效值應(yīng)在2.0～3.5 kV和2.0～6.0 kV范圍內(nèi)，但都未詳細(xì)探討和確定具體電壓值。接觸網(wǎng)標(biāo)稱電壓的確定成為城軌交流牽引供電技術(shù)亟需完善的重要內(nèi)容。

高鐵動(dòng)車和地鐵輕軌列車交流傳動(dòng)系統(tǒng)電壓介于1.0～2.75 kV之間，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和牽引傳動(dòng)容量需求的變化，電壓提高到原來(lái)的1～2倍是合理的。交流1.0～6.0 kV的電氣安全距離幾乎完全一致[3]，在該電壓范圍內(nèi)，城軌隧道凈空基本相同，土建投資成本基本無(wú)差。綜合已有研究資料，在2.0～6.0 kV范圍內(nèi)對(duì)接觸網(wǎng)標(biāo)稱電壓的具體值進(jìn)行選擇和論證是合適的。

1 城軌交流牽引供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)條件

城軌交流牽引供電系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，機(jī)車主要從相鄰2座牽引所牽引變壓器取流，取流形式類似于雙邊供電，牽引網(wǎng)的最大電壓損失發(fā)生在2座牽引所的中間位置。牽引供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)滿足其運(yùn)行方式和條件，即當(dāng)中間牽引所解列退出運(yùn)行時(shí)，所在正線接觸網(wǎng)應(yīng)由該牽引所兩側(cè)的牽引所供電，且不得影響列車的正常運(yùn)行和高峰最大客流運(yùn)輸能力[4，5]，其故障條件是任意2座解列的牽引所至少相隔2座能正常運(yùn)行的牽引所，如圖1所示。

圖1 故障工況示意圖

2 接觸網(wǎng)標(biāo)稱電壓的確定

采用交流牽引供電系統(tǒng)后，接觸網(wǎng)電壓的提升可使?fàn)恳g距延長(zhǎng)一倍[1，2]，牽引所數(shù)量減半。既有直流牽引所平均間距約2.5 km，則交流牽引所平均間距約5 km。以下考核中機(jī)車功率取3 120 kW，功率因數(shù)參照高鐵標(biāo)準(zhǔn)，即高峰工況下旅行速度60 km/h，發(fā)車30對(duì)/h，即追蹤間距為2 km，剛性牽引網(wǎng)單位長(zhǎng)度阻抗z=(0.044 2+j0.433 1)W/km。

2.1 牽引供電系統(tǒng)電壓損失計(jì)算方法適用性

鐵路交流牽引供電系統(tǒng)電壓計(jì)算方法有工程近似法[6，7]和精確計(jì)算法[8]，前者適用于首末端電壓相角差為3°～5°的情況，方法簡(jiǎn)便并被廣泛使用；后者適用于電壓相角差大或工程近似法誤差極大的情況，該方法較為繁瑣，使用不便，尤其在雙邊供電、多車取流時(shí)，電壓損失計(jì)算尤為復(fù)雜。

利用工程近似法計(jì)算接觸網(wǎng)標(biāo)稱電壓取不同值時(shí)中間牽引所解列情況下兩側(cè)牽引所區(qū)間中點(diǎn)的單車取流牽引網(wǎng)電壓損失，分析工程近似法的誤差，結(jié)果如表1所示。

表1 工程近似法誤差

由表1可知，工程近似法計(jì)算誤差普遍偏高，尤其是標(biāo)稱電壓取2.0～4.0 kV時(shí)，誤差已經(jīng)高達(dá)不可忽視的程度。

計(jì)算牽引網(wǎng)中點(diǎn)處與兩端的電壓相角差q，結(jié)果如表2所示。

表2 電壓相角差q

由表2可知，標(biāo)稱電壓越低，牽引網(wǎng)電壓相角差θ越大，標(biāo)稱電壓取2.0～4.0 kV時(shí)，相角差已遠(yuǎn)不能滿足工程近似法假設(shè)的θ值。當(dāng)區(qū)間有多輛列車取流或端頭牽引所故障單側(cè)供電時(shí)，電壓相角差更大，經(jīng)工程近似法計(jì)算的各負(fù)荷引起的電壓損失誤差不斷疊加，使得最終計(jì)算結(jié)果更加失真。而接觸網(wǎng)標(biāo)稱電壓取6.0 kV時(shí)，相角差θ可滿足工程近似法使用前提。

2.2 接觸網(wǎng)組成

城軌交流牽引供電系統(tǒng)長(zhǎng)回路電流主要由電纜輸送，接觸網(wǎng)分流系數(shù)很小[9]，可忽略不計(jì)，接觸網(wǎng)的最大電流出現(xiàn)在短回路區(qū)段。高峰故障工況下2座牽引所間短回路接觸網(wǎng)最大電流見表3。

表3 接觸網(wǎng)最大電流

城市軌道交通接觸網(wǎng)分為剛性懸掛和柔性懸掛，剛性懸掛用于地下線路，柔性懸掛既可用于地下線路也可用于地面及高架線路。剛性懸掛由匯流排和接觸線組成，以匯流排PAC110為例，其載流量可達(dá)3 500 A以上[10]，接觸線CTAH120載流量可達(dá)690 A，剛性懸掛總載流量可達(dá)4 190 A，由表3可知?jiǎng)傂詰覓炷軡M足2.0～6.0 kV各電壓等級(jí)接觸網(wǎng)的載流需求。目前，非地下線路的接觸網(wǎng)多采用柔性懸掛，根據(jù)載流量校核不同電壓等級(jí)柔性接觸網(wǎng)的組成，結(jié)果如表4所示。

表4 柔性接觸網(wǎng)組成

由表4可知，接觸網(wǎng)標(biāo)稱電壓若太低，地面及高架線路則需采用類似直流接觸網(wǎng)雙承雙導(dǎo)加輔助饋線的形式，該形式柔性接觸網(wǎng)空間結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，不利于輕型懸掛，運(yùn)行維護(hù)不便且投資成本過高。因此接觸網(wǎng)的標(biāo)稱電壓不宜過低，宜在5.0～6.0 kV范圍內(nèi)選擇。

2.3 短回路鋼軌電位

假設(shè)鋼軌對(duì)地電導(dǎo)非常小，長(zhǎng)回路的鋼軌電流可近似為0[6]，即鋼軌電流全部經(jīng)由短回路兩側(cè)的單相牽引變壓器回流，如圖2所示。通過分析，可推得短回路區(qū)間鋼軌電位分布如式（1）。

圖2 短回路電流分配及鋼軌電位示意圖

式中，為s點(diǎn)的鋼軌電位，V；n為架空導(dǎo)線對(duì)鋼軌的平均互感應(yīng)系數(shù)；g為鋼軌網(wǎng)傳播常數(shù)，1/km；Z0為鋼軌特性阻抗，W；s為計(jì)算點(diǎn)位置坐標(biāo)，km；x為機(jī)車距主變電所側(cè)牽引所距離，km；D為牽引所間距，km。

分析式（1）可知，牽引所間距和鋼軌計(jì)算點(diǎn)位置一定時(shí)，機(jī)車電流越大，短回路鋼軌電位越高；而當(dāng)機(jī)車功率一定時(shí)，接觸網(wǎng)電壓等級(jí)越高，機(jī)車取流越小。為了確保人身安全，盡可能降低鋼軌電位和可接觸電壓，接觸網(wǎng)的標(biāo)稱電壓在允許范圍內(nèi)應(yīng)盡量提高。

2.4 牽引網(wǎng)電壓水平

干線鐵路接觸網(wǎng)標(biāo)稱電壓為25 kV，牽引變電所母線電壓為27.5 kV，動(dòng)車組運(yùn)行時(shí)允許牽引網(wǎng)最低電壓為22.5 kV。參照該標(biāo)準(zhǔn)，城軌交流供電系統(tǒng)接觸網(wǎng)標(biāo)稱電壓取6.0 kV，則牽引變電所母線電壓為6.6 kV，牽引網(wǎng)允許最低電壓為5.4 kV。牽引變壓器RT=0.018W，XT=0.378W。假設(shè)單側(cè)線路共有3座牽引所，平均所間距5 km，故障工況下中間牽引所解列退出運(yùn)行，考核高峰故障工況下的牽引網(wǎng)電壓水平，結(jié)果如圖3所示。

圖3 6 kV標(biāo)稱電壓高峰故障工況牽引網(wǎng)電壓水平

若接觸網(wǎng)標(biāo)稱電壓取5.0 kV，則牽引變電所母線電壓為5.5 kV，牽引網(wǎng)允許最低電壓為4.5 kV。牽引變壓器RT=0.012 5W，XT=0.263W。考核高峰故障工況下的牽引網(wǎng)電壓水平，結(jié)果如圖4所示。

圖4 5 kV標(biāo)稱電壓高峰故障工況下牽引網(wǎng)電壓水平

分析圖3和圖4，標(biāo)稱電壓取6.0 kV，無(wú)論接觸網(wǎng)采用柔性懸掛還是剛性懸掛，高峰故障工況下牽引網(wǎng)電壓水平均滿足列車運(yùn)行最低電壓要求；標(biāo)稱電壓取5.0 kV，接觸網(wǎng)采用柔性懸掛時(shí)牽引網(wǎng)最低電壓略低于列車行車最低電壓要求。同理考核標(biāo)稱電壓取2.0、3.0和4.0 kV時(shí)牽引網(wǎng)電壓水平，高峰故障工況下牽引網(wǎng)電壓水平不能滿足行車要求，若改善牽引網(wǎng)電壓水平則需增加牽引所數(shù)量，建設(shè)投資成本隨之大幅增加。因此，為滿足接觸網(wǎng)標(biāo)稱電壓的普適性，其電壓等級(jí)宜取6.0 kV。

2.5 牽引網(wǎng)最長(zhǎng)供電距離

綜上分析，接觸網(wǎng)標(biāo)稱電壓初步確定為6.0 kV。城市軌道交通采用交流牽引供電系統(tǒng)后，接觸網(wǎng)電壓等級(jí)的提升和電纜的高輸送功率使得牽引網(wǎng)的最長(zhǎng)供電距離得到提升。假設(shè)牽引所平均間距5 km，且主變電所設(shè)置在線路的一端即向單側(cè)牽引網(wǎng)供電，上下行同位置取流，仿真計(jì)算僅有1座主變電所供電時(shí)單側(cè)牽引網(wǎng)分別長(zhǎng)30和35 km的牽引網(wǎng)電壓水平，結(jié)果如圖5和圖6所示。

圖5 單側(cè)牽引網(wǎng)長(zhǎng)30 km時(shí)牽引網(wǎng)電壓水平

圖6 單側(cè)牽引網(wǎng)長(zhǎng)35 km時(shí)牽引網(wǎng)電壓水平

分析圖5和圖6，單側(cè)牽引網(wǎng)長(zhǎng)30 km時(shí)，牽引網(wǎng)電壓水平滿足列車運(yùn)行最低電壓要求；單側(cè)牽引網(wǎng)長(zhǎng)35 km時(shí)，故障工況1下由于首端牽引所解列退出，列車僅從一側(cè)牽引所取流，牽引網(wǎng)首端電壓很低，32 km取流位置處牽引網(wǎng)電壓為5 304 V，低于列車運(yùn)行最低電壓5 400 V的限值，不滿足列車運(yùn)行要求。

因此，主變電所位于線路一端時(shí)，單側(cè)牽引網(wǎng)最長(zhǎng)供電距離可達(dá)30 km。當(dāng)主變電所向兩側(cè)牽引網(wǎng)供電時(shí)，最長(zhǎng)供電距離比單側(cè)供電時(shí)延長(zhǎng)1倍，即可達(dá)60 km。當(dāng)前城市軌道交通線路長(zhǎng)度普遍為15～35 km，絕大多數(shù)不超過50 km，因此牽引所平均間距5 km時(shí)，全線僅設(shè)置1座主變電所即可完全滿足線路需求。此外，雙側(cè)供電時(shí)電纜載流減小，可選擇更少以及更小截面的電纜，材料成本更低。接觸網(wǎng)標(biāo)稱電壓采用6.0 kV，牽引供電系統(tǒng)具有很強(qiáng)的供電能力。

3 結(jié)語(yǔ)

本文從5個(gè)方面分析研究了城軌交流牽引供電系統(tǒng)接觸網(wǎng)標(biāo)稱電壓，確定選擇6.0 kV的標(biāo)稱電壓能實(shí)現(xiàn)牽引所數(shù)量減半，大幅減小牽引所投資，全線僅設(shè)置1座主變電所時(shí)最長(zhǎng)供電距離可達(dá)60 km。此外，還能實(shí)現(xiàn)地面及高架線路接觸網(wǎng)的輕型懸掛，降低鋼軌電位，且便于工程設(shè)計(jì)中電壓損失的計(jì)算。

對(duì)接觸網(wǎng)標(biāo)稱電壓的選擇論證是一個(gè)綜合的復(fù)雜課題，本文在以前研究文獻(xiàn)基礎(chǔ)上進(jìn)一步探討，實(shí)際涉及的因素不只限于本文討論的5個(gè)，還有更多，需要綜合權(quán)衡考慮其取值，可在5.0～6.0 kV范圍內(nèi)繼續(xù)深入討論。與此同時(shí)，城市軌道交通交流牽引供電技術(shù)作為新的技術(shù)方案，有必要進(jìn)行更深入細(xì)致的研究。

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