市域鐵路網(wǎng)供電制式研究

文/鄭聃

1 前言

城市規(guī)模和形態(tài)伴隨城市化率的提升在擴(kuò)大與多樣化，新出現(xiàn)的多中心城市群具有城內(nèi)人口集中、城間人口較少等特點(diǎn)，需要運(yùn)量巨大、效率較高的公共交通設(shè)施加快人員的通勤。

市域鐵路是一種提供快速較大容量，且為解決多城市中心城區(qū)便捷通勤的新型軌道交通系統(tǒng)。其特點(diǎn)為運(yùn)量集中、效率要求高、線路長度較大、站間距長、地面高架段多等，國內(nèi)軌道交通行業(yè)發(fā)展至今，市域鐵路還未有其明確的供電制式以及匹配市域鐵路的發(fā)展定位。

2 不同供電制式特點(diǎn)及比較

市域鐵路源于軌道交通，在軌道交通領(lǐng)域，城際鐵路采用工頻AC25kV 單相交流牽引供電系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)制式；城市地鐵線路早期采用DC750V 直流牽引系統(tǒng)制式，現(xiàn)如今普遍采用DC1500V 直流牽引系統(tǒng)制式[1]。

2.1 不同制式牽引供電系統(tǒng)特點(diǎn)比較

軌道交通行業(yè)由于采用的牽引供電制式不同，所呈現(xiàn)的技術(shù)特點(diǎn)也有其明顯優(yōu)缺點(diǎn)。交流制式和直流制式兩者技術(shù)特點(diǎn)比較如表1 所示。

表1 不同牽引供電制式技術(shù)特點(diǎn)比較

2.2 牽引供電系統(tǒng)特點(diǎn)分析

直流供電制式適用于人員密集、機(jī)車啟停率高、運(yùn)營距離短的城市軌道應(yīng)用場合；交流供電制式適用于線路較長、速度較快的城際干線鐵路。

2.2.1 可靠性上，直流供電制式系統(tǒng)可以進(jìn)行雙邊供電、大雙邊供電。因此，在停電倒閘效率及供電可靠性上，直流供電制式系統(tǒng)明顯優(yōu)于交流供電制式系統(tǒng)。

2.2.2 交流供電制式中的牽引整流機(jī)組等結(jié)構(gòu)安裝于結(jié)構(gòu)狹小的機(jī)車空間處，受限于機(jī)車牽引容量所限，機(jī)車啟停時(shí)，對(duì)諧波抑制率較低。交流機(jī)車牽引系統(tǒng)中的牽引變?yōu)椴黄胶庾儔浩?，牽引變壓器引起的三相不平衡率和產(chǎn)生的高次諧波普遍大于平衡變壓器，加劇交流制式鐵路功率因素的劣化。

2.2.3 采用直流供電制式的機(jī)車因沒有車載整流機(jī)組等裝置，同等速度下，直流制式機(jī)車比交流制式機(jī)車可利用車內(nèi)空間更大，電能損耗、鋼軌磨耗更小、軸重更輕。

由上述分析可知，市域鐵路建設(shè)中直流供電制式相對(duì)于交流供電制式具有較大的優(yōu)勢，但因目前采用的DC1500V 或者DC750V 直流供電系統(tǒng)在供電臂范圍、雜散電流防護(hù)方面等的劣勢，無法完全匹配市域鐵路建設(shè)的需求，因此提出采用基于直流供電系統(tǒng)并且具備更高電壓等級(jí)的DC3000V 牽引供電系統(tǒng)作為市域鐵路的供電制式。

3 市域鐵路供電系統(tǒng)DC3000V 研究

3.1 DC3000V 與DC1500V 直流牽引制式特性比較

DC3000V 供電制式鐵路系統(tǒng)目前已成熟應(yīng)用于意大利、波蘭、西班牙等歐盟國家[2]。DC3000V 牽引供電系統(tǒng)具備的供電臂范圍可達(dá)8～10km，在大雙邊供電情況下，供電臂可伸展到15km。采用DC3000V 電壓等級(jí)供電制式的牽引供電系統(tǒng)相較于傳統(tǒng)的DC750/1500電壓等級(jí)供電制式的牽引系統(tǒng)，可在保證鋼軌電位、牽引網(wǎng)網(wǎng)壓等相關(guān)牽引供電參數(shù)的前提下，有效減小牽引變電所數(shù)量，減小直流電流，優(yōu)化直流饋線電纜根數(shù)，減小接觸網(wǎng)電氣磨耗，改善接觸網(wǎng)壽命[3]。

3.2 DC3000V 對(duì)變電所設(shè)備影響分析

變電所對(duì)土建的影響主要體現(xiàn)在牽引所牽引設(shè)備安裝尺寸上，變電所牽引設(shè)備主要包括整流機(jī)組（整流變壓器和整流器）、直流開關(guān)柜等。

3.2.1 整流機(jī)組的影響

DC3000V 牽引供電系統(tǒng)變壓整流形式與DC1500V 牽引供電系統(tǒng)相同，在同等功率輸出要求下，只需調(diào)整整流變壓器線圈匝數(shù)變比，即可降壓至AC2360V，整流器不需進(jìn)行結(jié)構(gòu)變化即可輸出DC3000V 等級(jí)電壓。因此，既有常用整流機(jī)組不需過多改造，即可輸出DC3000V直流牽引供電。

3.2.2 直流開關(guān)柜設(shè)備的影響

DC3000V 直流開關(guān)柜設(shè)備屬于中壓DC3000V～DC10000V 直流配電網(wǎng)系統(tǒng)。中壓直流系統(tǒng)已應(yīng)用于國防艦船的綜合電力系統(tǒng)中[4]。

目前由西安交通大學(xué)、海軍工程大學(xué)等科研院所具備研發(fā)5kV、30kA 開斷能力等級(jí)的直流真空斷路器已投入實(shí)驗(yàn)應(yīng)用階段，得益于國內(nèi)國防科技的發(fā)展，更多高壓開斷等級(jí)直流真空斷路器或空氣絕緣斷路器將快速面市[5]。

應(yīng)用于船舶工業(yè)DC3000V 直流開關(guān)柜產(chǎn)品其外形尺寸受到嚴(yán)格限制，根據(jù)目前市面上出現(xiàn)的DC3000V～DC5000V 直流開關(guān)柜產(chǎn)品調(diào)查，其外形尺寸不超過1800×1000×2300（長×寬×高mm），因此此尺寸直流空氣/真空絕緣開關(guān)柜并不會(huì)占用變電所過多空間。

同時(shí)，DC3000V 機(jī)車牽引供電系統(tǒng)在部分歐盟國家已經(jīng)采用成熟，因此若無法開發(fā)出適合國內(nèi)機(jī)車牽引直流開關(guān)柜，可直接從國外引進(jìn)相關(guān)配套技術(shù)。

3.2.3 雜散電流防護(hù)的影響

直流牽引供電系統(tǒng)為不接地對(duì)地絕緣安裝系統(tǒng)，機(jī)車從接觸網(wǎng)或接觸軌取流，再通過電氣連接的鋼軌回流到鄰近牽引所。“鋼軌絕緣安裝”為相對(duì)概念，運(yùn)營后軌磨蹭在金屬碎屑、空氣污染物、雨水侵蝕等條件下的影響，使鋼軌對(duì)道床的絕緣水平逐漸下降，且通過鋼軌回流的電流會(huì)進(jìn)入建筑物鋼筋、油氣管道等金屬設(shè)施，造成嚴(yán)重的電化學(xué)腐蝕[6]。同時(shí)，殘留于走形軌上的相對(duì)于“地”的電位會(huì)對(duì)人體造成損害。根據(jù)GB50157 規(guī)范規(guī)定，走行軌對(duì)“地”電位不可超過120V，但受制于鋼軌焊接質(zhì)量、軌縫連接電阻等安裝工藝的影響，直流牽引供電系統(tǒng)中此項(xiàng)指標(biāo)經(jīng)常容易超標(biāo)[7]。

DC3000V 直流牽引系統(tǒng)電壓等級(jí)高于傳統(tǒng)直流牽引系統(tǒng)。因此，若使用傳統(tǒng)的雜散電流防護(hù)方案，則可能使雜散電流問題更加惡化。

解決雜散電流系統(tǒng)的根本性方案為增設(shè)專用回流軌或回流網(wǎng)方案[8]。增設(shè)專用回流軌方案雖然會(huì)增加直流供電系統(tǒng)投資，但是可減少全線如道床鋼筋焊接、鋼軌絕緣防護(hù)、軌旁設(shè)備、站臺(tái)門等雜散電流防護(hù)等投資。目前，寧波地鐵4 號(hào)線工程“回流軌”已投入運(yùn)營，較好地避免了雜散電流對(duì)結(jié)構(gòu)、軌旁設(shè)備、鐵路沿線管道的侵害[9]。

3.2.4 對(duì)車輛系統(tǒng)的影響

DC3000V 為歐盟部分國家采用的城市軌道交通電氣化鐵路供電制式。國內(nèi)中車浦鎮(zhèn)車輛有限公司、中車株洲電力機(jī)車有限公司等都通過市場化競爭向國外出口過此電壓等級(jí)車輛，因此國內(nèi)的機(jī)車制造廠具備完整的DC3000V 機(jī)車生產(chǎn)能力，對(duì)于車輛的負(fù)極由連接車輛改造為連接集電靴的技術(shù)也非常成熟。

4 結(jié)語

本文通過對(duì)不同制式市域供電制式的研究可知，使用DC3000V 牽引供電制式的系統(tǒng)在變電所布點(diǎn)、減少電能損耗上都優(yōu)于傳統(tǒng)DC1500/DC750 直流供電系統(tǒng)；相較于交流供電牽引供電系統(tǒng)，直流供電系統(tǒng)有可靠性高、無過分相、諧波含量少等的技術(shù)優(yōu)勢。

得益于國內(nèi)科技水平的發(fā)展，DC3000V 設(shè)備也日益成熟，我們可通過借鑒船舶等行業(yè)使用的DC3000～DC10000V 中壓直流供電設(shè)備，補(bǔ)充完善國內(nèi)軌道DC3000V 關(guān)鍵設(shè)備的研發(fā)空白。針對(duì)可能出現(xiàn)的DC3000V 系統(tǒng)中出現(xiàn)的雜散電流劣化的問題，提出相應(yīng)的采用回流軌或回流網(wǎng)解決的方案。

在市域鐵路建設(shè)上，DC3000V 供電系統(tǒng)非常契合市域鐵路變電所布點(diǎn)、降低能耗、高可靠性、對(duì)城市電網(wǎng)沖擊小等需求，在新一輪市域鐵路建設(shè)中，我們優(yōu)先考慮并采用DC3000V牽引供電系統(tǒng)；另外，還需時(shí)刻了解國內(nèi)外市域鐵路供電制式建設(shè)的動(dòng)態(tài)，以此為下一輪國內(nèi)市域鐵路建設(shè)高潮的到來提供前瞻性研究工作。