上海軌道交通浦江線牽引供電系統(tǒng)設(shè)計創(chuàng)新

謝 勇 張國龍 劉 洋

(1. 中車浦鎮(zhèn)龐巴迪運(yùn)輸系統(tǒng)有限公司，241060，蕪湖;2. 上海市隧道工程軌道交通設(shè)計研究院，200235，上海//第一作者,工程師)

上海軌道交通浦江線(又名上海軌道交通8號線三期)的功能定位為地鐵接駁線。該線起于地鐵8號線二期的終點——沈杜公路站，途經(jīng)浦江鎮(zhèn)，止于匯臻路站，線路全長6.644 km，全部為高架線。浦江線為上海建成運(yùn)營的首條APM(自動旅客動輸)線路，采用PBTS膠輪路軌APM 4節(jié)編組列車。列車牽引供電系統(tǒng)采用DC ±375 V，是國內(nèi)第一條采用DC ±375 V供電制式的軌道交通線路。本文通過對比浦江線和傳統(tǒng)地鐵線路的直流牽引供電系統(tǒng)在設(shè)計上的差異，分析研究浦江線牽引供電系統(tǒng)中的設(shè)計創(chuàng)新項點。

1 浦江線的供電系統(tǒng)特點

浦江線是屬于膠輪路軌制式的一種自動導(dǎo)向軌道交通系統(tǒng)，其軌道結(jié)構(gòu)中包括運(yùn)行道、導(dǎo)向軌及其連接零件、道岔、車擋等。其運(yùn)行道采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，H型鋼導(dǎo)向軌沿線路中心位置安裝，車輛通過底部的導(dǎo)向輪與導(dǎo)向軌的接觸實現(xiàn)自動導(dǎo)向。正、負(fù)極供電軌以及接地軌安裝于導(dǎo)向軌腹板上部，正、負(fù)極供電軌為位于車輛底部左、右側(cè)的集電靴授流；導(dǎo)向軌上部中心安裝的接地軌則是通過與車輛接地靴的持續(xù)接觸，為車體提供可靠接地。圖1為典型的PBTS膠輪路軌APM車輛與軌道的接口示意圖。

圖1 PBTS膠輪路軌APM車輛與軌道接口示意圖

PBTS膠輪路軌APM車輛的牽引網(wǎng)電壓等級為直流750 V，符合IEC 60850—2014《鐵路設(shè)施 牽引裝置的供電電壓》以及GB 50157—2013《地鐵設(shè)計規(guī)范》中所要求的750 V直流牽引供電系統(tǒng)電壓及其波動范圍。牽引網(wǎng)饋電形式為直流雙導(dǎo)線制，正極、負(fù)極供電軌均不接地，設(shè)置了貫通全線的專用接地軌。

2 浦江線牽引供電系統(tǒng)總體設(shè)計

浦江線的中壓供電網(wǎng)絡(luò)采用AC 35 kV供電電壓，牽引供電系統(tǒng)采用DC ±375 V供電電壓。變壓器的連接組別為Dd0y11，整流器輸出的正、負(fù)極通過電阻接地，共有2個單獨的750 Ω電阻，其中一個將整流器正極輸出連接到地面，另一個將整流器負(fù)極輸出連接到地面。供電網(wǎng)絡(luò)電壓的額定值為DC 750 V，允許的波動范圍為525～900 V。正線和車輛段的牽引網(wǎng)均采用接觸軌。

浦江線牽引變電所直流饋線側(cè)為單母線分段接線形式。正常運(yùn)行時，母線聯(lián)絡(luò)隔離開關(guān)斷開，2臺整流機(jī)組分列運(yùn)行，分別負(fù)責(zé)上行線和下行線牽引供電分區(qū)的供電。當(dāng)1臺整流機(jī)組退出運(yùn)行時，母聯(lián)開關(guān)閉合，由另1臺整流機(jī)組負(fù)責(zé)該所上下行線牽引供電分區(qū)的供電。

當(dāng)某一牽引網(wǎng)供電分區(qū)發(fā)生短路故障時，故障所在供電分區(qū)上的所有饋電開關(guān)將聯(lián)跳，聯(lián)跳后應(yīng)首先斷開各供電分區(qū)之間的聯(lián)絡(luò)接觸器柜?？蓪⒅苯舆B接到故障供電分區(qū)的直流饋電開關(guān)柜和軌旁電分段開關(guān)柜斷開，以實現(xiàn)故障隔離。

當(dāng)對某一供電分區(qū)進(jìn)行維護(hù)時，需要斷開該分區(qū)所對應(yīng)的直流開關(guān)柜，并通過接地裝置將該供電分區(qū)的正、負(fù)極供電軌可靠接地。在維修人員進(jìn)入道岔供電分區(qū)、檢修線或停車線等區(qū)域進(jìn)行維護(hù)時，則需要將此供電分區(qū)的軌旁開關(guān)接地，實現(xiàn)正、負(fù)極供電軌可靠接地。軌旁開關(guān)接地前，應(yīng)先斷開接地柜內(nèi)的雙極接觸器開關(guān)。接地柜內(nèi)的雙極接觸器和雙極接地隔離開關(guān)之間的合閘聯(lián)絡(luò)通過硬線連鎖實現(xiàn)。

2. 1 四軌供電設(shè)計

與一般的城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)大多采用直流接觸網(wǎng)(或接觸軌)供電，以走行軌作為回流通路的牽引網(wǎng)方案不同，浦江線的接觸軌系統(tǒng)采用四軌供電方式，其接觸軌系統(tǒng)設(shè)計中包含有完全絕緣安裝的正極供電軌和負(fù)極供電軌，以及貫通全線安裝的非載流接地軌。正、負(fù)極供電軌分別通過絕緣支架安裝于鋼制導(dǎo)向軌頂部，接地軌通過單獨的接地軌支架安裝于正、負(fù)極供電軌之間。正、負(fù)極供電軌以及接地軌全部采用鋼鋁復(fù)合軌，供電軌與集電靴的接觸面為不銹鋼材質(zhì)。浦江線接觸軌典型安裝形式如圖2所示，具備了使用壽命長、維護(hù)及更換簡單等優(yōu)點。

2. 2 供電系統(tǒng)綜合接地設(shè)計

浦江線接觸軌系統(tǒng)中采用沿軌道的非載流專用接地軌設(shè)計，該接地軌為PBTS膠輪路軌APM車輛的車體提供了持續(xù)可靠接地。接地軌通過接地分流電纜按等間距與導(dǎo)向軌連接，導(dǎo)向軌與導(dǎo)向軌之間通過接地跨接電纜連接，從而實現(xiàn)了導(dǎo)向軌的全線電氣連通。導(dǎo)向軌以多點接地連接形式分別與變電所綜合接地網(wǎng)、車站綜合接地網(wǎng)，以及沿線專用接地極連接，構(gòu)成了供電系統(tǒng)的綜合接地。接地軌接地電阻小于5 Ω。

圖2 浦江線接觸軌典型安裝示意圖

由于PBTS膠輪路軌APM車輛的接地靴與接地軌持續(xù)可靠接觸，車體與接地安裝的站臺門框架間為等電位，不存在接觸電勢差，因此可有效保障乘客的出行安全。

2. 3軌旁接觸器開關(guān)柜

在浦江線供電系統(tǒng)設(shè)計中，采用雙極接觸器開關(guān)作為軌旁電分段開關(guān)柜和接地開關(guān)柜的柜內(nèi)主開關(guān)，實現(xiàn)供電分區(qū)的供電和接地操作。接觸器開關(guān)具有操作頻率高、機(jī)械壽命和電氣壽命長的特點，對于需頻繁操作的工況尤為適用。

1) 電分?jǐn)嚅_關(guān)柜：主要應(yīng)用于連接2段電氣隔離的供電分區(qū)，柜內(nèi)設(shè)有1臺雙極接觸器及有壓檢測裝置。接觸器具備多次分合能力，使用壽命長。當(dāng)電分?jǐn)嘟佑|器閉合時，可將一個接觸軌供電分區(qū)上的牽引電力傳送給另一個供電分區(qū)。

2) 接地開關(guān)柜：一般用于連接道岔區(qū)的供電軌和檢修線的供電軌，用于實現(xiàn)道岔區(qū)和檢修線供電軌的供電和接地操作。接地開關(guān)柜內(nèi)設(shè)有雙極接觸器、雙極隔離開關(guān)和有壓檢測裝置。當(dāng)接地開關(guān)柜內(nèi)的接觸器閉合時，牽引電力被饋送到道岔區(qū)或檢修線的接觸軌上；當(dāng)此接觸器斷開時，可通過閉合接地柜內(nèi)的接地隔離開關(guān)，實現(xiàn)道岔區(qū)或檢修區(qū)的接觸軌安全接地，此時方可允許實施人工檢修和維護(hù)等工作。

3 浦江線牽引供電系統(tǒng)的設(shè)計創(chuàng)新

3. 1 國內(nèi)首次實現(xiàn)了四軌供電方式

浦江線采用的四軌供電方式從根源上消除了雜散電流的腐蝕影響。在采用走行軌為回流通路的城市軌道交通中，會因走行軌泄漏電阻值減小導(dǎo)致產(chǎn)生雜散電流，而浦江線APM采用的DC ±375 V供電系統(tǒng)中，設(shè)有完全絕緣安裝的負(fù)極軌。按照英國標(biāo)準(zhǔn)BS_EN_50122-2《鐵路設(shè)施 固定設(shè)備 直流牽引系統(tǒng)引起的雜散電流效應(yīng)保護(hù)措施》標(biāo)準(zhǔn)說明，在直流饋電導(dǎo)體與走行軌無電氣連接的情況下，一般不會產(chǎn)生雜散電流。

3. 2 雜散電流的設(shè)計預(yù)防措施

為了從根源上限制雜散電流的產(chǎn)生，主要采用了以下雜散電流防護(hù)措施：

1) 完全絕緣安裝的供電軌。PBTS膠輪路軌APM車輛采用橡膠輪胎，因此，其混凝土運(yùn)行軌道不需像傳統(tǒng)的鋼輪車輛系統(tǒng)那樣，作為供電系統(tǒng)的回流軌。 在浦江線供電系統(tǒng)中使用了專用的接地軌，該接地軌通過車輛的接地靴及接地電纜與車體持續(xù)連接。所有牽引電力導(dǎo)線，無論是正極還是負(fù)極，都完全相互絕緣并對地絕緣。該設(shè)計方案使供電軌對大地具備非常高的電阻值。因此，泄漏電流可忽略不計。

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2) 供電軌具備極低的電阻。供電軌用鋁制成，其等效橫截面積為1 339 mm2，常規(guī)條件下的直流電阻約為0.026 Ω/km。負(fù)載電流將沿著該阻抗最低的供電路徑回流，而不是通過接地回路回流。

3) 運(yùn)行于對地DC ±375 V電壓。不同于常規(guī)第三軌供電系統(tǒng)中正極電壓為DC +750 V，浦江線供電系統(tǒng)中正極軌工作在DC +375 V，負(fù)極軌工作在DC -375 V。完全絕緣的供電軌上的較低對地電位，可降低系統(tǒng)產(chǎn)生雜散電流的可能。由于負(fù)極軌工作在DC -375V，接地系統(tǒng)的電壓為0，此時接地的導(dǎo)向軌是相對于負(fù)極的較高電位，從而也降低了系統(tǒng)產(chǎn)生雜散電流的可能。

3. 3 供電系統(tǒng)接地方案的創(chuàng)新

如圖3所示，在浦江線DC ±375 V供電系統(tǒng)中，牽引整流器輸出的正、負(fù)極兩相分別通過一個750 Ω的接地電阻進(jìn)行接地。該接地電阻將牽引整流器的DC 750 V輸出電位鉗制在±375 V。

當(dāng)DC ±375 V供電系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，在任意一極電路接地后，其電壓將被限制為0，其與另一極之間的壓差仍然保持為750 V，因而，并不影響列車的正常運(yùn)行，從而提高了系統(tǒng)的可用性。

圖3 浦江線整流器輸出電阻接地連接示意圖

由于整流器輸出采用大電阻接地，在發(fā)生單極接地故障時，故障電流將小于1 A，且設(shè)置在整流器輸出端的接地故障檢測裝置可以檢測到該接地電流故障，并將接地故障報警信號發(fā)送至控制中心，以便運(yùn)營人員對接地故障進(jìn)行及時地定位和處理。

不同于傳統(tǒng)地鐵制式中的列車車體與走行軌等電位且對地絕緣，浦江線創(chuàng)新地采用整流器輸出大電阻接地設(shè)計方案，既考慮了供電系統(tǒng)運(yùn)行的安全性，又提高了整個APM系統(tǒng)的可用性。

3. 4 供電分段設(shè)置的創(chuàng)新

優(yōu)于傳統(tǒng)地鐵僅在牽引變電所處設(shè)置供電分段,在浦江線接觸軌供電分段設(shè)計中，在每個道岔區(qū)都實現(xiàn)了獨立的供電分區(qū)。因此，浦江線的運(yùn)營模式比傳統(tǒng)的地鐵更為靈活，可最大程度地滿足行車與供電分段的匹配性。

浦江線供電系統(tǒng)在正常運(yùn)行時，軌道上所有電分?jǐn)嚅_關(guān)柜及聯(lián)絡(luò)接觸器柜均為閉合。在該模式下，全線接觸軌電分段處的左、右電勢差被消除，這減輕了車輛集電靴在過渡電分段時產(chǎn)生的電弧放電腐蝕現(xiàn)象，減少了接觸軌電氣磨損，進(jìn)而降低了接觸軌的維護(hù)需求。

此外，由于電分段開關(guān)柜的閉合，全線接觸軌構(gòu)成了一個整體電氣連通的牽引網(wǎng)。當(dāng)線路上有多列車運(yùn)行時，由列車制動產(chǎn)生的再生反饋電能可在牽引網(wǎng)內(nèi)直接被其他正在運(yùn)行的列車負(fù)載消耗，從而實現(xiàn)了高效的列車制動能量再利用，達(dá)到了很好的節(jié)能效果。

4 結(jié)語

1) 區(qū)別于一般地鐵線路中的接觸網(wǎng)或第三軌供電形式，浦江線供電系統(tǒng)通過創(chuàng)新的四軌供電方式設(shè)計，從根源上消除了雜散電流，使浦江線不會對周圍環(huán)境產(chǎn)生雜散電流影響，解決了雜散電流帶來的困擾。線路中無需安裝雜散電流檢測和腐蝕控制系統(tǒng)設(shè)備，如單向?qū)ㄑb置、雜散電流收集網(wǎng)、雜散電流檢測系統(tǒng)、雜散電流腐蝕控制系統(tǒng)等，節(jié)省了牽引供電系統(tǒng)中與雜散電流和腐蝕控制相關(guān)的建設(shè)投資。

2) 通過專用的接地軌設(shè)計，浦江線從根源上解決了傳統(tǒng)地鐵中存在的跨步電壓危險，站臺門框架無需絕緣安裝，變電所內(nèi)直流設(shè)備無需框架保護(hù)裝置，車站也無需設(shè)置軌電位限制系統(tǒng)，降低了系統(tǒng)建設(shè)成本。

3) 浦江線牽引供電系統(tǒng)具備在單相接地故障情況下不影響列車運(yùn)行的能力，這為排除接地故障提供了一個緩沖期，為線路調(diào)整行車組織、尋找故障原因以及系統(tǒng)恢復(fù)提供了充足的時間，為浦江線能夠長時間穩(wěn)定運(yùn)行創(chuàng)造了條件。