北京地鐵13A線改造工程供電方案探索

李 晶，邱麗麗

0 引言

近20年是我國(guó)城市軌道交通大發(fā)展的時(shí)期，隨著多年的運(yùn)營(yíng)，部分設(shè)備系統(tǒng)進(jìn)入更新改造期。隨著車站周邊已經(jīng)形成穩(wěn)定的客流，即使新建地鐵線路也難以緩解既有線路的壓力[1]，部分線路需要通過擴(kuò)編改造等進(jìn)行系統(tǒng)運(yùn)能的提升。

系統(tǒng)運(yùn)能的提升會(huì)帶來系統(tǒng)供電能力的不足，如既有北京地鐵13號(hào)線采用6B編組，存在滿載率高問題[2]，為能滿足客流需求，在其二期建設(shè)規(guī)劃調(diào)整中，車輛擴(kuò)編為8B編組。目前國(guó)內(nèi)8輛編組列車均采用DC 1 500 V供電制式，如北京地鐵6號(hào)線、7號(hào)線、16號(hào)線。北京地鐵13A線是國(guó)內(nèi)首條8輛編組車輛采用DC 750 V牽引供電制式的線路，存在牽引網(wǎng)電壓等級(jí)低、電流大的問題。在保證既有線不中斷運(yùn)營(yíng)的前提下，滿足供電能力滿足8B編組的需求，實(shí)現(xiàn)供電能力安全可靠提升，是一個(gè)值得研究的課題。

1 問題的提出

1.1 基礎(chǔ)資料

北京地鐵13號(hào)線既有線路采用B型車6輛編組，DC 750 V三軌供電。在《北京市城市軌道交通第二期建設(shè)規(guī)劃調(diào)整（2019—2022）》中，將13號(hào)線西二旗—回龍觀段一分為二形成西北部“X”形2條線路，詳見圖1[3]。

圖1 13號(hào)線拆分運(yùn)能提升方案示意圖

拆分后，13A線從車公莊站至天通苑東站，線路全長(zhǎng)31.2 km，設(shè)置車站19座。車輛編組為8輛編組B型車（6M2T），列車最高運(yùn)行速度為80 km/h，0～40 km/h車輛啟動(dòng)加速度為0.83 m/s2，0～80 km/h平均加速度不小于0.5 m/s2。車輛電流及相關(guān)參數(shù)情況詳見表1，車輛工作電壓范圍：DC 500～900 V。

表1 13A線8B車輛參數(shù)情況

1.2 存在問題

拆分后，考慮13A、13B兩線乘客出行、車輛維修及調(diào)配需求，以及降低運(yùn)營(yíng)成本及工程建設(shè)成本，兩線通過新龍澤站實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通、資源共享。車輛均采用DC 750 V接觸軌供電制式，與既有13號(hào)線保持一致。

結(jié)合既有段及新建段的車站、區(qū)間風(fēng)井分布，若13A正線設(shè)置23座牽引變電所，同時(shí)各牽引所采用2套機(jī)組的常規(guī)接線方式，此時(shí)直流開關(guān)設(shè)備已選用到最大規(guī)格。牽引所均正常工作時(shí)，相鄰牽引所構(gòu)成雙邊供電，可以滿足2 min發(fā)車間隔；當(dāng)中間1座牽引所解列退出，由相鄰的2座牽引所形成大雙邊供電時(shí)，牽引網(wǎng)電壓低于500 V，鋼軌電位高于120 V，均不符合規(guī)范要求。

若不考慮投資及土建條件受限等因素，設(shè)想可以通過增加牽引所實(shí)現(xiàn)全線大雙邊供電，但沒有可以滿足要求的直流開關(guān)設(shè)備，該方案不可行?？梢钥闯?，8輛編組車輛采用DC 750 V牽引供電制式的線路存在牽引網(wǎng)電壓等級(jí)低、電流大的問題。

2 解決方案

針對(duì)改造項(xiàng)目特點(diǎn)，提出在牽引變電所增設(shè)第3套機(jī)組的接線方案。

2.1 主接線形式

三機(jī)組方案為在常規(guī)變電所主接線方案基礎(chǔ)上增加3#整流機(jī)組，并設(shè)置單獨(dú)的直流開關(guān)柜和10 kV進(jìn)線開關(guān)柜，具體見圖2。

圖2 三機(jī)組牽引變電所主接線

2.2 運(yùn)行方式

2.2.1 正常運(yùn)行方式

1#、2#整流機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行，能饋裝置只工作于逆變狀態(tài)，由1#、2#整流機(jī)組通過1#直流開關(guān)柜向牽引網(wǎng)雙邊供電，縱聯(lián)開關(guān)（813、824）常開，滿足2 min發(fā)車間隔。

3#整流機(jī)組工作于熱備用狀態(tài)，246、C60合閘，C30、C40分閘。

2.2.2 故障運(yùn)行方式

（1）當(dāng)一路10 kV電源故障時(shí)，母聯(lián)斷路器245投入，由另一路10 kV電源向全所負(fù)荷供電，滿足2 min發(fā)車間隔。

（2）當(dāng)Ⅰ段10 kV母線故障時(shí)，斷開236、237饋線開關(guān)，退出1#、2#整流機(jī)組、1#直流開關(guān)柜和能饋裝置，閉合813、824、C30、C40，由左鄰所、右鄰所、3#整流機(jī)組向供電分區(qū)進(jìn)行三邊供電，滿足2 min發(fā)車間隔。

（3）1#或2#整流機(jī)組故障時(shí)，退出1#、2#整流機(jī)組、1#直流開關(guān)柜和能饋裝置，閉合813、824、C30、C40，由左鄰所、右鄰所、3#整流機(jī)組向供電分區(qū)進(jìn)行三邊供電，滿足2 min發(fā)車間隔。

（4）1#直流開關(guān)柜任意1回饋線故障時(shí)，有2種運(yùn)行方式：a.投入備用直流斷路器繼續(xù)供電，滿足2 min發(fā)車間隔；b.退出1#、2#整流機(jī)組、1#直流開關(guān)柜和能饋裝置，閉合813、824、C30、C40，由左鄰所、右鄰所、3#整流機(jī)組向供電分區(qū)進(jìn)行三邊供電，滿足2 min發(fā)車間隔。

（5）1#直流開關(guān)柜母線故障時(shí)，退出1#、2#整流機(jī)組、1#直流開關(guān)柜和能饋裝置，閉合813、824、C30、C40，由左鄰所、右鄰所、3#整流機(jī)組向供電分區(qū)進(jìn)行三邊供電，滿足2 min發(fā)車間隔。

（6）能饋裝置故障時(shí)，斷開822斷路器和80斷路器，退出能饋裝置，不影響行車。

（7）2#直流開關(guān)柜任意1回饋線故障時(shí)，不影響正常供電（不考慮1#直流開關(guān)柜同時(shí)故障的情況）。

（8）2#直流開關(guān)柜母線故障時(shí)，退出2#直流開關(guān)柜和3#整流機(jī)組，不影響正常供電。

（9）其他特殊工況。牽引所正常雙邊供電情況下，可以滿足以下兩種特殊工況：a.一列車在該牽引供電區(qū)間中間啟動(dòng)，同時(shí)這2座車站及相鄰區(qū)間列車正常啟動(dòng)和運(yùn)行；b.當(dāng)一列車故障停在區(qū)間，由一列8B車輛、一列6B車輛共同進(jìn)行救援（車輛速度5 km/h），同時(shí)另一行有列車正常運(yùn)行。

2.3 保護(hù)配置

為縮小框架保護(hù)動(dòng)作范圍，提高變電所可靠性，全所共設(shè)置4套框架保護(hù)裝置，其余保護(hù)配置與常規(guī)變電所相同?？蚣鼙Ｗo(hù)動(dòng)作范圍如下：

（1）1#整流器、2#整流器、1#直流開關(guān)柜合設(shè)1套；框架電流保護(hù)跳閘（跳60、70、10、20、30、40、80、236、237、822，聯(lián)跳左相鄰所30、40、813、824，右鄰所10、20、C30、C40、813、824）。

（2）能饋?zhàn)兞髌髟O(shè)置1套；框架電流保護(hù)跳閘（跳822、80）。

（3）2#直流開關(guān)柜、3#整流器合設(shè)1套；框架電流保護(hù)跳閘（當(dāng)C30、C40分閘時(shí)，跳C60、246；當(dāng)C30、C40合閘時(shí)，跳C60、C30、C40、813、824，聯(lián)跳右鄰所10、20 、C30、C40、813、824）。

（4）負(fù)極柜單設(shè)1套，只報(bào)警，不跳閘。

2.4 邏輯關(guān)系

本方案6回直流饋線邏輯關(guān)系與常規(guī)變電所存在差異，其余均相同。

（1）直流饋線10斷路器（20、30、40斷路器類似）邏輯關(guān)系詳見圖3。

圖3 直流饋線10斷路器邏輯關(guān)系

a.10饋線斷路器所有電流保護(hù)動(dòng)作——聯(lián)跳左相鄰所30、813；

b.30饋線斷路器所有電流保護(hù)動(dòng)作——聯(lián)跳右相鄰所10、813、C30。

（2）直流饋線C40斷路器（C30斷路器類似）邏輯關(guān)系詳見圖4。

圖4 直流饋線C40斷路器邏輯關(guān)系

a.C40饋線斷路器所有電流保護(hù)動(dòng)作——聯(lián)跳本所824、右相鄰所20、C40、824；

b.C30饋線斷路器所有電流保護(hù)動(dòng)作——聯(lián)跳本所813、右相鄰所10、C30、813。

（3）縱聯(lián)斷路器合閘條件。813縱聯(lián)開關(guān)合閘條件：16、36分閘。824縱聯(lián)開關(guān)合閘條件：26、46分閘。

3 供電方案可靠性分析

（1）提高了變電所的供電可靠性。以開閉所兼牽引降壓混合所為例，根據(jù)變電所設(shè)備類型及數(shù)量，按每臺(tái)設(shè)備、每個(gè)位置均可能發(fā)生故障進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，變電所可能出現(xiàn)的故障工況共計(jì)167種。對(duì)于常規(guī)變電所主接線，有15種會(huì)造成牽引變電所解列的工況（占比8.8%），詳見表2；對(duì)于三機(jī)組主接線方案，有5種工況（序號(hào)11～15項(xiàng)）會(huì)造成牽引變電所解列（占比2.9%），相比常規(guī)變電所主接線減少了10種。這5種極端故障工況分別是：兩段10 kV母線同時(shí)故障、變電所交流屏完全退出、變電所直流屏完全退出、發(fā)生火災(zāi)，發(fā)生水災(zāi)。經(jīng)調(diào)研，該5種極端工況在北京地鐵實(shí)際運(yùn)營(yíng)中從未發(fā)生過，若發(fā)生火災(zāi)及水災(zāi)等情況，將導(dǎo)致停運(yùn)，發(fā)生概率極低。

表2 導(dǎo)致牽引變電所解列的故障工況匯總

（2）避免了實(shí)際運(yùn)營(yíng)中出現(xiàn)的變電所解列工況。經(jīng)向運(yùn)營(yíng)部門了解，近5年北京地鐵全線網(wǎng)平均每年發(fā)生4、5次牽引所解列情況，根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)概率，推算13號(hào)線在高峰時(shí)段發(fā)生解列概率大概為10年1次。變電所解列主要原因：

a.10 kV環(huán)網(wǎng)電纜中間頭故障。由于只能夜間檢修，運(yùn)營(yíng)時(shí)段會(huì)采用“大雙邊供電方式”保證線路正常運(yùn)營(yíng)。

b.一回直流饋線故障。對(duì)于采用直流單母線的線路，需采用大雙邊供電方式保證線路正常運(yùn)營(yíng)。

c.框架保護(hù)動(dòng)作。采用大雙邊供電方式保證線路正常運(yùn)營(yíng)。

采用三機(jī)組接線形式，在上述故障發(fā)生時(shí)，均可以避免本牽引所解列，保證2 min發(fā)車間隔。

（3）該方案可降低牽引所解列退出的概率，在大部分故障情況或檢修操作情況下，三機(jī)組接線形式均可以保證2 min發(fā)車間隔；若出現(xiàn)極端故障導(dǎo)致整座牽引變電所解列退出時(shí)，發(fā)車間隔需調(diào)整為3 min（車輛及信號(hào)專業(yè)配合情況下，將列車啟動(dòng)電流調(diào)整至6 500 A）。

4 案例參考

類似的三機(jī)組供電方案在烏克蘭地鐵及香港地鐵均有應(yīng)用案例。其中烏克蘭地鐵是在每個(gè)牽引變電所設(shè)置3套整流機(jī)組，正常工況下，2套整流機(jī)組并列運(yùn)行，1套整流機(jī)組備用；當(dāng)2套整流機(jī)組故障時(shí)，第3套整流機(jī)組運(yùn)行；不考慮整座牽引變電所完全解列的情況。香港地鐵是在部分變電所設(shè)置3套整流機(jī)組，第3套整流機(jī)組作為整條線路的移動(dòng)備用設(shè)備。

5 結(jié)語(yǔ)

為降低工程實(shí)施及后期運(yùn)營(yíng)的安全風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)于改造工程，北京地鐵13A線首選與既有13號(hào)線相同的750 V供電制式，并增加第三機(jī)組接線形式（第三機(jī)組的容量需結(jié)合實(shí)際情況確定）。該方案雖在大雙邊供電情況下存在3 min發(fā)車間隔的運(yùn)力制約，但第3套整流機(jī)組降低了牽引所解列退出的概率，進(jìn)一步提高了供電系統(tǒng)的可靠性。針對(duì)方案在極端故障工況下的供電能力僅能滿足3 min行車間隔要求，應(yīng)制定運(yùn)營(yíng)組織應(yīng)急預(yù)案，以降低故障情況對(duì)運(yùn)營(yíng)的影響。

該供電系統(tǒng)在故障情況下制約運(yùn)力的情況出現(xiàn)的概率較低，DC 750 V三機(jī)組接線方案是改造工程中一種新的探索，具有合理性和可實(shí)施性，可為軌道交通線路改造供電制式的選擇提供借鑒及參考。