昆明地鐵4號(hào)線牽引供電制式和授電方式探討

李先敏，陶 磊

（昆明地鐵建設(shè)管理有限公司，云南昆明 610011）

0 引言

現(xiàn)階段我國眾多城市的地鐵線路工程、輕軌線路工程，主流牽引供電系統(tǒng)電壓等級(jí)主要采用DC 750 V和DC 1500 V的2種授電方式。授電方式也稱饋電方式，是指將電流從牽引變電所饋送到城市軌道交通列車的牽引網(wǎng)形式。城市軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)，GB/T 10411—2005第7.1.1條規(guī)定：“向城市軌道交通電動(dòng)客車供給電能的接觸網(wǎng)，分為接觸軌和架空接觸網(wǎng)。架空接觸網(wǎng)又分柔性架空接觸網(wǎng)和剛性架空接觸網(wǎng)?！边@2種授電方式均可滿足DC 750 V和DC 1500 V供電制式。架空接觸網(wǎng)分為柔性懸掛方式、剛性懸掛方式2種；接觸軌根據(jù)授電部位的情況也可以分成 3種方式，即上部授流方式、下部授流方式以及側(cè)部授流方式。

1 牽引供電制式方案的多角度對比

目前，昆明城市軌道交通首期工程1，2號(hào)線、1號(hào)線延長線、6號(hào)線一期工程、3號(hào)線工程均已建成開通，牽引供電制式均采用DC 750 V接觸軌供電，走行軌回流方式。在建的2號(hào)線二期工程、1號(hào)線西北延工程、6號(hào)線二期工程、9號(hào)線牽引供電制式亦采用DC 750 V接觸軌供電，走行軌回流方式。為此，從多個(gè)角度對比昆明地鐵4號(hào)線牽引供電制式選擇的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。

1.1 牽引變電所分布

引變電所的分布需根據(jù)所建工程的線路情況、車輛型式及列車編組、行車組織方案等資科相關(guān)，通過牽引供電計(jì)算，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選后確定。根據(jù)相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，對于同一條線路，與牽引網(wǎng)電壓等級(jí)采用DC 750 V相比，采用DC 1500 V時(shí)可以減少牽引變電所數(shù)量。由于兩種電壓等級(jí)下的牽引變電所單元投資差異較?。孔冸娝顿Y差異在30萬元人民幣以內(nèi)，設(shè)備用房面積也基本相同），因此，牽引網(wǎng)電壓等級(jí)采用DC 1500 V時(shí)不僅可以節(jié)省大量的牽引變電所設(shè)備投資，也能有效地降低土建投姿。

1.2 牽引變電所安裝容量

采用DC 750 V電壓等級(jí)時(shí)，牽引變電所設(shè)置數(shù)量較多，而牽引整流機(jī)組的容量選擇得考慮全線牽引整流機(jī)組容量等級(jí)不宜過多等因素，因此，一般情況下，DC 750 V全線牽引整流機(jī)組的總安裝容量比采用DC 1500 V電壓等級(jí)要大，牽引供電設(shè)備的利用率相對較低。

1.3 電能損耗

牽引供電系統(tǒng)的電能損耗包括電源系統(tǒng)損耗、牽引整流機(jī)組損耗和牽引網(wǎng)損耗3方面。淤DC 750 V和DC 1500 V這2種方案的電源系統(tǒng)的電能損耗可粗略地認(rèn)為不變；于采用DC 750 V電壓等級(jí)時(shí)，由于全線牽引整流機(jī)組的總安裝容量大，因而牽引整流機(jī)組的空載損耗大；盂由于牽引網(wǎng)上流過的電流大，因而牽引網(wǎng)損耗大。由此可知，采用DC 1500 V電壓等級(jí)時(shí)的電能耗比采用DC 750 V電壓等級(jí)時(shí)小，相同電壓等級(jí)下采用接觸軌方式的電能損耗比采用架空接觸網(wǎng)方式小。

1.4 授流質(zhì)量及允許列車運(yùn)行速度

（1）接觸軌系統(tǒng)。接觸軌系統(tǒng)在道岔區(qū)、人防門、防淹門、平交道口及需設(shè)置電分段的地方均須設(shè)設(shè)置斷軌，雖然在接觸軌的端部設(shè)置了具有適量縱向坡度的端部彎頭，但集電靴滑入接觸軌時(shí)仍會(huì)受到一定的沖擊，如果列車速度過快，則可能會(huì)損壞集電靴或接觸軌。此外，由于制造和安裝誤差，相鄰2根（段）接觸軌的滑動(dòng)面會(huì)有細(xì)微的高差，列車高速通過時(shí)，可能會(huì)引起集電靴的跳躍，并在集電靴和接觸軌間產(chǎn)生電弧，電弧會(huì)對集電靴和接觸軌產(chǎn)生一定的損傷，并縮短集電靴的更換周期。因此，在采用接觸軌授流方式時(shí)，為確保授流質(zhì)量，通常允許的列車的最高運(yùn)行速度會(huì)控制到相對較低的等級(jí)。目前城市軌道交通采用接觸軌系統(tǒng)時(shí)，列車的最高運(yùn)行速度，國內(nèi)為120 km/h，國外為130 km/h。

（2）架空接觸網(wǎng)。對于柔性架空接觸網(wǎng)，如全補(bǔ)償簡單鏈形懸掛接觸網(wǎng)采用了張力自動(dòng)補(bǔ)償裝置，并通過吊弦調(diào)節(jié)接觸導(dǎo)線高度，在某一特定溫度下，接觸導(dǎo)線處于無馳度狀態(tài)，在整個(gè)跨距內(nèi)接觸導(dǎo)線至軌面保持相等的高度，基本消除了接觸導(dǎo)線的硬點(diǎn)，可滿足列車較高運(yùn)行速度的要求。目前，采用鏈形懸掛接觸網(wǎng)時(shí)，法國阿爾斯通公司的高速列車的最高試驗(yàn)速度已達(dá)到560 km/h，國內(nèi)高鐵列車的運(yùn)營時(shí)速已達(dá)到380 km/h。

（3）剛性架空接觸網(wǎng)。剛性架空接觸網(wǎng)沒有特殊硬點(diǎn)而且安裝精度高、穩(wěn)定性好、具有良好的弓網(wǎng)關(guān)系，授流質(zhì)量較好。國內(nèi)外的有關(guān)試驗(yàn)及實(shí)際運(yùn)營表明，在列車運(yùn)行速度達(dá)到160 km/h時(shí)，授電弓的取流也是比較平穩(wěn)的，弓、網(wǎng)間的離線率極小。

1.5 安裝結(jié)構(gòu)

（1）接觸軌系統(tǒng)主要由接觸軌、絕像支架、防護(hù)罩等組成，結(jié)構(gòu)簡單。

（2）柔性空接觸網(wǎng)由接觸懸掛、支持裝置、定位裝置、支柱和基礎(chǔ)組成；為滿足城市軌道交通列車大電流的需要，柔性架空接觸網(wǎng)除接觸導(dǎo)線和承力索外，還需增設(shè)輔助饋線；并且接觸導(dǎo)線和承力索均需設(shè)置張力補(bǔ)償下錨裝置，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

（3）剛性架空接觸網(wǎng)由接觸導(dǎo)線、匯流排和支持裝置組成，通過支持裝置的埋入螺栓固定在隧道頂部。由于匯流排載流能力大，除匯流排和一根接觸導(dǎo)線外，無須增設(shè)輔助饋線，并且接觸導(dǎo)線和匯流排均采用無張力架設(shè)，結(jié)構(gòu)較簡單、緊湊。

1.6 工程實(shí)施

接觸軌裝位置低，安裝、調(diào)整方便，不需要配置大型施工機(jī)械。接觸軌發(fā)生扭曲變形后的矯正或按小曲線半徑要求進(jìn)行的預(yù)都可以在材料車間完成。接觸軌的切割可以利用小型專用切割機(jī)具現(xiàn)場處理，工程實(shí)施容易。

架空接觸網(wǎng)安裝位置高，其道內(nèi)打孔、隧道外立桿、支持裝置裝配、放線、調(diào)整均需配置大型專用機(jī)械。其中，柔性架空接觸網(wǎng)號(hào)線呈柔性且?guī)в休^大張力，安裝調(diào)整工作量大；剛性架空接觸網(wǎng)的導(dǎo)線及型材剛性固定，調(diào)整工作量較柔性架空接觸網(wǎng)小，但安裝精度要求高。

1.7 城市景觀

各方案在地下區(qū)段對城市景觀均無影響，只是在地面和高架區(qū)段可能對城市景觀產(chǎn)生影響。

（1）接觸軌。接觸軌安裝位置低（距軌面高度臆0.5 m），對城市景觀無影響。接觸軌安裝時(shí)充分利用車體下方空間，對高架橋體量無影響。

（2）柔性架空接觸網(wǎng)。柔性架空接觸網(wǎng)的安裝位置高，接觸網(wǎng)距軌面高度應(yīng)符合規(guī)定，一般為4.8 m，最低高度逸4.4 m，允許的誤差為±15 mm，導(dǎo)線坡度變化率臆2譯，困難時(shí)應(yīng)約4譯，結(jié)構(gòu)高度一般為1.1 m，支柱高度一般為（7～8）m，為了滿足列車大電流的需要，導(dǎo)線數(shù)量較多，一般需要1～2根接觸線、1根承力索、3～4根輔助饋線，另外還需設(shè)置1根架空地線，整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。

1.8 車輛類型

昆明軌道交通4號(hào)線工程采用B型車，B型號(hào)車的授流方式具有一定的靈活性，既可采用架空接觸網(wǎng)授流方式，也可采用接觸軌授流方式，均滿足工程實(shí)施性要求。

從供電電壓采看，采用DC 750 V電壓等級(jí)時(shí)，車輛的IG-BT（Insulated Gate Bipolar Transistor，絕緣柵雙極型晶體管）靜止逆變器和110 V電源的價(jià)格較便宜，約為采用DC 1500 V電壓等級(jí)時(shí)的60豫～70豫。但采用DC 1500 V電壓等級(jí)時(shí)，車輛的牽引電機(jī)、逆變器等電氣設(shè)備的體積小、重量輕，易于安裝在有限的車體上、下部空間中，方便了設(shè)備布置，減輕了車體的重量。在相同電路電阻的情況下，車輛授電端的電壓降僅為采用DC 750 V電壓等級(jí)時(shí)的一半，這對車輛的啟動(dòng)、功率的發(fā)揮等都有極大的好處，并且車輛主回路的電流小、節(jié)省銅材效果明顯，有利于車體輕量化。

表1 牽引供電方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較

目前采用上述3種牽引供電制式的車輛，國內(nèi)生產(chǎn)技術(shù)均成熟、可靠，都具備成熟的運(yùn)營維護(hù)經(jīng)驗(yàn)。

2 關(guān)于牽引供電制式的選擇建議

根據(jù)昆明市軌道交通4號(hào)線工程的具體情況，3種可選方案的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)綜合比較見表1。

從表1可知，當(dāng)牽引電壓等級(jí)采用DC 1500 V供電時(shí)，有利于減少引變電所數(shù)量，減少工程投資，經(jīng)濟(jì)效益明顯。因此，4號(hào)線工程摩引供電電壓等級(jí)應(yīng)選擇DC 1500 V。同時(shí)，采用DC 1500 V架空接觸網(wǎng)授流具有生產(chǎn)技術(shù)成熟、安全性好、初期投資小、允許運(yùn)營速度高等優(yōu)點(diǎn)，但也存在地上區(qū)段維護(hù)工作量大、對沿線城市景觀有一定影響等缺點(diǎn)；而采用DC 1500 V接觸軌授流，則具有生產(chǎn)技術(shù)成熟、對沿線城市景觀無影響、維護(hù)工作量小等優(yōu)點(diǎn)，但也存在安全性稍差、初期投資稍高等缺點(diǎn)。

昆明市是國際著名旅游城市，采用接觸軌授流有利于維護(hù)高架區(qū)段沿錢城市景觀。并且昆明市已建成的1，2，3，6號(hào)線軌道交通線路，均采用了接觸軌授流，4號(hào)線工程采用接觸軌授流有利于運(yùn)營管理與維護(hù)。另外，火車南站是1，4號(hào)線換乘車站，已與高鐵車站同步實(shí)施。呈貢站是1，4號(hào)線換乘車站，接乘節(jié)點(diǎn)部分已與1號(hào)線同步實(shí)施。上述車站4號(hào)線隧道限界已按接觸軌授流方式實(shí)施，隧道凈空不能滿足架空接觸網(wǎng)的安裝限界要求。

綜合考慮技術(shù)經(jīng)濟(jì)因素，推薦4號(hào)線工程牽引供電制式采用DC 1500 V接觸軌供電、走行軌回流方式。

3 結(jié)論

一個(gè)城市的軌道交通供電制式相對統(tǒng)一，采用哪種的牽引供電制式，涉及到供電、車輛、限界、建筑結(jié)構(gòu)、標(biāo)梁及隧道等多個(gè)專業(yè)，不僅會(huì)影響牽引供電系統(tǒng)和車輛設(shè)備的投資，還會(huì)影響車站、區(qū)間橋的土建規(guī)模和投資，甚至影響到城市軌道交通將來的運(yùn)營成本。因此，結(jié)合一個(gè)市城市軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃以及當(dāng)前線路工程的具體情況，專門開展針對該線路的專題研究非常有必要。