復合功能市域快線車輛供電制式選擇研究

崔艷鷺

(1.軌道交通工程信息化國家重點實驗室(中鐵一院)，西安 710043；2.陜西省鐵道及地下交通工程重點實驗室(中鐵一院)，西安 710043)

1 研究背景及意義

成都軌道交通13號線是成都市“中心穿越.全局覆蓋.遠景預留.互聯(lián)互通”的市域快線網(wǎng)的重要組成部分，線路西起溫江，東至簡陽天府機場，兼顧城市交通功能和機場線功能，全線長約98.5 km，設(shè)站35座，如圖1所示。車輛推薦采用與快線網(wǎng)中18.19號線一致的8輛編組A型車，最高運行速度140 km/h[1]。從供電制式適應(yīng)性角度分析，鑒于13號線在中心城內(nèi)平均站間距約1.5 km，對應(yīng)最高行車速度約100 km/h左右，DC1500 V直流車基本滿足要求；而城外段平均站間距達5.4 km，能夠適應(yīng)最高140 km/h的運行速度，需采用交流供電車輛，經(jīng)查，同時滿足上述需求的雙流制式系統(tǒng)在國內(nèi)雖尚無實際應(yīng)用，但在國外已有成熟案例可供參考，因此，有必要對于本條線采用雙流制的合理性進行研究，即在中心城內(nèi)采用DC1500V接觸網(wǎng)供電，外圍采用AC25 kV接觸網(wǎng)供電制式。

圖1 成都軌道交通13號線線路走向示意

2 國外典型雙流制式線路概覽

經(jīng)過調(diào)研，國外線路中采用雙流制式供電的成功案例有：日本的常磐.筑波.水戶線，法國的RER-A線，歐洲的薩爾布呂肯至勒巴赫線等，主要技術(shù)標準如表1所示。

表1 國外典型雙流制式線路

國外的雙流乃至多流制式機車已經(jīng)投入使用多年，歐洲的BR189型多流制式電力機車可以適應(yīng)AC25 kV-50 Hz.AC15 kV-16.7 Hz.DC1500 V.DC3000V四種供電制式[2]，日本JR貨運公司的EF510-500多流制式機車可以適應(yīng)AC20 kV-50 Hz.AC20kV-60 Hz.DC1500V三種供電制式[3]，瑞士RhB公司的ALLEGRA雙流制式車能夠適應(yīng)AC11kV-16.7 Hz和DC1000 V兩種供電制式[4].目前瑞士ABB公司的CC750MS型雙流制式車能夠適應(yīng)我國典型的供電制式AC25 kV-50 Hz和DC1500 V[5]。經(jīng)過了解，目前長春客車廠的As型雙流制市域快軌車輛能夠適應(yīng)AC25 kV-50 Hz和DC1500 V兩種制式[6]，已有樣車下線，但尚無實際應(yīng)用經(jīng)驗。

日本JR東日本旅客鐵道公司的常磐.水戶線及首都圈新都市鐵道公司的筑波快線共三條線路均采用雙流供電制式，其中常磐快線中日暮里至取手區(qū)間采用DC1500 V供電制式，取手站以北區(qū)域，藤代至巖沼區(qū)間采用AC20 kV供電制式；水戶線作為連接宇都宮線與常磐線橫貫日本北關(guān)東區(qū)域的重要線路，小山車站至友部車站區(qū)間采用AC20 kV供電制式，小山車站附近采用DC1500 V供電制式；筑波快線在秋葉原至守谷區(qū)間采用DC1500V供電制式，在守谷至筑波區(qū)間則采用AC20 kV供電制式[7-9]。

常磐.水戶.筑波3條線路采用雙流制式的主要原因主要有以下3個方面。

(1)通勤鐵路受到東京法規(guī)限制，東京附近一定區(qū)域內(nèi)必須使用直流供電制式[10]，因此常磐線取手站以南區(qū)域與筑波線守谷站以南區(qū)域均采用直流制式，此外，筑波線守谷站以南有不少隧道路段，若使用交流供電制式會使隧道造價升高也是該段采用直流供電制式的原因[9]。

(2)位于茨城縣石岡市柿岡的氣象廳地磁測所附近不能采用直流供電制式，因此常磐線取手站以北區(qū)域，筑波線守谷站以北區(qū)域均采用交流供電制式[7，9]。

(3)水戶線小山車站以外與常磐線同樣使用交流供電制式，但由于小山車站內(nèi)部采用直流供電，因此車輛需同時兼容兩種供電制式[8]。基于上述因素，3條線路最終均采用雙流制式供電方式。

巴黎市域快線(RER)全長587 km，共計5條線路，分別為A.B.C.D.E線，如圖2所示。其中A線是連接巴黎東郊與西北郊的重要線路，長達108 km，由5段線路組成，其中1977年開通的A1.A2.A4線采用DC1500 V供電制式，由RATP負責運營，1979年新建的A3.A5線采用AC25 kV供電制式，由SNCF負責運營[11]。由于建設(shè)時序不同，且運營單位不同等歷史原因，先期由RATP建設(shè)的地下段為盡量縮小隧道斷面，減小工程規(guī)模，采用了DC1500 V的供電方式，后期由SNCF建設(shè)的城外段多采用地面或高架敷設(shè)方式，站間距也較城區(qū)段更大，因此選擇采用AC25 kV供電方式。由于線路的不斷延伸，為滿足城市外圍各地與中心城區(qū)交流互通的需要開行了采用雙流制式的貫通列車。

圖2 巴黎RER線網(wǎng)

3 牽引供電方式綜合比選

3.1 單一供電制式交.直流選擇

3.1.1 交.直流供電制式的適用性及優(yōu)缺點對比

國內(nèi)常用交.直流供電制式分別為AC25kV與DC1500V。對于AC25kV制式而言，主要優(yōu)點在于電壓等級高，供電半徑能夠達到80 km[12]，供電設(shè)施相對較少，供電系統(tǒng)本身的投資較直流制式少。主要缺點在于線路中需要設(shè)置電分相，對于列車的通過速度有較大影響[13]，此外，該種供電制式會產(chǎn)生三相不平衡和少量諧波，對于電力系統(tǒng)有一定影響，并且交流電氣化鐵路也會對沿線的通信設(shè)施設(shè)備產(chǎn)生一定影響，需要進行相應(yīng)的電磁干擾防護。

對于DC1500V制式而言，主要優(yōu)點在于電壓等級低，對于隧道的凈空要求低，對于常規(guī)地鐵線路而言隧道較多，可以節(jié)省土建的投資。

3.1.2 不同速度目標值下交.直流供電制式的適用性

目前，國內(nèi)交流牽引供電線路最高運營時速已經(jīng)超過300 km/h，而世界范圍內(nèi)直流供電制式的線路最高運營速度為香港機場線保持的135 km/h[14]。國內(nèi)目前DC1500 V供電制式下，廣州地鐵3號線北延線最高運行速度為120 km/h，上海地鐵11號線最高運行速度為100 km/h。當線路速度目標值超過140 km/h時，國內(nèi)外的運營案例顯示，絕大多數(shù)采用AC25 kV供電制式[15]。不同速度目標值下的對供電制式的選擇影響如表2所示。

表2 不同速度等級對牽引供電制式選擇影響

3.1.3 小結(jié)

經(jīng)分析，結(jié)合本線最高運行速度為140 km/h，城外段(約占70%)平均站間距達5.4 km的實際情況，若全線采用單一供電制式，推薦采用AC25 kV交流供電制式，后續(xù)著重對交流及雙流供電制式進行比選研究。

3.2 交流.雙流供電制式對比分析

3.2.1 運營維護影響分析

兩種供電制式情況下的運營維護差別主要表現(xiàn)在供電系統(tǒng)設(shè)備及車輛方面。

(1)供電系統(tǒng)維護

由于兩種供電制式都采用接觸網(wǎng)懸掛形式，其區(qū)別在于絕緣子規(guī)格不同，其他方面基本一致，因此，在接觸網(wǎng)方面的運營維護量基本相同。

雙流制供電方式下，牽引降壓變電所數(shù)量較多，牽引所內(nèi)的設(shè)備數(shù)量也較多，相對交流供電系統(tǒng)的維護量略大。

(2)車輛維護

采用雙流供電的車輛在傳統(tǒng)直流車輛供電設(shè)備的基礎(chǔ)上需增加適用于交流供電的變壓器.整流器以及斬波器等設(shè)備[16]，因此較純交流供電車輛維護量更大。

3.2.2 變電所及主變電站影響分析

(1)AC25 kV單制式下變電所及主變電站的設(shè)置

若采用AC25 kV單制式時，全線需要設(shè)置主變電站(牽引電力合建所).分區(qū)所.車站降壓變電所。車站范圍內(nèi)無牽引降壓混合變電所，牽引負荷均由主變電所牽引變壓器負責供電，車站動力照明部分由主變電所的電力變壓器負責供電。主變電站110 kV部分采用單母線接線，電力變壓器與牽引變壓器共用110 kV母線，電力變壓器采用110/35 kV供給車站動力照明負荷，牽引變壓器采用110/27.5 kV供給全線牽引負荷。因此主變電所內(nèi)需要設(shè)置4臺變壓器，主變低壓側(cè)電壓等級為35.27.5 kV兩種，主變電站的規(guī)模較常規(guī)線路主所規(guī)模大。分區(qū)所一般采用全室內(nèi)布置方式，與車站降壓所合建[17]。

(2)雙制式下變電所及主變電站的設(shè)置

若采用雙制式供電方式，全線需要設(shè)置主變電站(牽引電力合建所).牽引變電所.分區(qū)所.車站牽引降壓混合變電所.降壓變電所。

直流區(qū)段車站范圍內(nèi)設(shè)置牽引降壓混合變電所，牽引負荷均由混合所牽引變壓器負責供電，車站動力照明部分由車站動力變壓器負責供電。直流區(qū)段設(shè)置的主變電站(牽引電力合建所)與交流制式的相同。

交流區(qū)段車站范圍內(nèi)無牽引降壓混合變電所，牽引負荷均由牽引變電所的牽引變壓器負責供電，車站動力照明部分由主變電所的電力變壓器負責供電。

綜上所述，雙制式下牽引變電設(shè)施更為復雜，變電所的種類更多。

3.2.3 牽引能耗影響分析

不同供電制式下牽引能耗對比如表3所示。

從表3可以看出，采用雙流制式供電的列車牽引耗電量高于采用AC25 kV的牽引耗電量。

表3 AC25kV與雙流制能耗對比

若采用雙流制式供電，線路長度為98.5 km，全日開行列車480對，每度電按0.6元計算，則牽引耗電雙流制式列車比AC25 kV多支出1 070.6萬元/年。

3.2.4 供電系統(tǒng)投資比較

不同供電制式下供電系統(tǒng)投資對比如表4所示。

通過表4可以看出，交流制式比雙流制式全線供電系統(tǒng)節(jié)省投資1.27億元。

表4 AC25 kV與雙流制供電系統(tǒng)投資表對比

3.2.5 車輛影響分析

(1)車輛購置費

經(jīng)調(diào)研詢價，初近遠期采用AC25kV制式市域A型車較雙流制式車減少車輛購置費分別為2.4，5.96，6.92億元，如表5所示。

表5 車輛購置費比較

(2)國產(chǎn)化情況分析

目前世界范圍雙流制式城市軌道交通車輛主要由西門子.龐巴迪.三菱重工等國外企業(yè)生產(chǎn)，國內(nèi)尚無采用雙制式的運營線路。長客廠.四方廠.株機廠均有技術(shù)儲備，但只有長客廠有樣車下線，其研發(fā).設(shè)計.制造.試驗周期長，購置成本較高。

(3)雙制式車輛存在問題

采用雙制式(AC25 kV.DC1500 V)供電形式車輛要安裝適應(yīng)兩種電壓制式的高壓設(shè)備，存在以下問題。

①較AC25 kV供電制式增加一套交直流轉(zhuǎn)換裝置，設(shè)備復雜.安裝空間緊張.防護要求復雜.電磁兼容要求高[18]。

②設(shè)備不統(tǒng)一，維護和檢修費用高，全壽命周期成本高。

③由于設(shè)備利用率低，相對耗能較高，性價比較差。

④與單一電壓制式相比，可靠性較差。

3.2.6 土建工程影響分析

不同供電制式對城市軌道交通土建工程的影響主要體現(xiàn)在隧道斷面尺寸上。通過對接觸網(wǎng)懸掛形式及安裝高度.軌道結(jié)構(gòu).空氣動力學等方面進行綜合比選，在采用雙流供電制式時，13號線主城區(qū)段(直流)宜采用內(nèi)徑6.0 m.外徑6.7 m的盾構(gòu)隧道斷面尺寸，若全線采用交流供電，管片尺寸需增大至內(nèi)徑6.8 m.外徑7.5 m。由于城外段運行速度達到140 km/h，只能采用交流供電，因此兩種制式土建投資相同。經(jīng)測算，按照城區(qū)段地下盾構(gòu)區(qū)間總長度20.64 km雙線延米計算[19]，采用交流供電制式土建投資較雙流制式全線增加5.71億元。

3.3 比選結(jié)論

鑒于成都軌道交通13號線全線長達98.5 km，且市域段占全線長度約70%，須采用最高140 km/h的速度目標值，因此單一直流制式無法適應(yīng)本線需求。通過對交流與雙流制式的比選發(fā)現(xiàn)，雙流制式的運營維護量更大，牽引變電設(shè)施更為復雜，變電所的種類更多，且在工程投資方面，雙流制式供電系統(tǒng)投資較交流高，同時車輛購置費較高，且研發(fā)周期長，在可靠性.性價比方面也存在諸多問題，雖然在土建工程方面投資節(jié)省較為明顯，但經(jīng)綜合比較后仍較采用單一交流供電制式增加2.48億元，且遠期列車牽引耗電每年多支出1 070.6萬元。綜上所述，考慮到全線采用單一制式較采用雙流制式技術(shù)更加成熟，有利于市域快線之間的互聯(lián)互通，變電設(shè)施較少，利于運營維護，且投資總體較為節(jié)省，故推薦13號線全線采用AC25 kV單制式供電方式。

4 思考與展望

隨著國內(nèi)城市軌道交通規(guī)劃建設(shè)的日益成熟，多層次.多制式協(xié)同發(fā)展的局面成為新常態(tài)，組團連接式.穿心式等多種類型的復合功能市域快線不斷出現(xiàn)[20]。由于其既要在城區(qū)范圍多設(shè)站，充分收集客流，也要在市域段快速穿越，保證時間目標的實現(xiàn)，因此常會出現(xiàn)同一條線路存在兩種或兩種以上速度目標值的情況，需要對供電制式進行充分論證，宜采用技術(shù)成熟度高.適應(yīng)性強.投資可控的方案。13號線車輛供電制式選擇的方法和步驟能夠為其他類似線路提供參考與借鑒，同時也應(yīng)注意到，雖然其最終選擇采用交流供電制式，但并不意味著此類線路均適合采用單一交流供電制式，試想，若某條線路地下限速段占比較高，在較大段落適宜采用直流制式時，大幅降低土建投資或?qū)⒅鲗Ч╇娭剖竭x擇，此外，還應(yīng)綜合考慮各條線路間互聯(lián)互通的需求，并從線網(wǎng)規(guī)劃層面做好統(tǒng)籌安排。

國務(wù)院近期發(fā)布的《關(guān)于推動都市圈市域(郊)鐵路加快發(fā)展的意見》(國辦函〔2020〕116號)對市域(郊)鐵路未來的發(fā)展起到了很好的指導與促進作用。隨著都市圈.城市群的快速擴張，類似成都軌道交通13號線這種兼具市區(qū)與市域復合功能的快線將日益增多。從目前國內(nèi)雙流制式發(fā)展的最新情況看，采用雙流制式As車的重慶江(津)跳(蹬)線已于2020年10月開工，由國家鐵路局頒布的《市域(郊)鐵路設(shè)計規(guī)范》中亦明確表示其適用于交流.直流和雙流供電制式的新建項目，相信在不久的將來，我國會有越來越多的雙流制式線路產(chǎn)生，并進一步帶動都市圈.城市群的發(fā)展，值得持續(xù)關(guān)注。