張開波

( 中鐵二院工程集團有限責任公司 成都 610031)

長大坡道區(qū)間牽引網(wǎng)上下行并聯(lián)供電探討

張開波

( 中鐵二院工程集團有限責任公司 成都 610031)

針對城市軌道交通的長大坡道區(qū)間，利用列車勢能與動能的轉換，從節(jié)能和改善牽引網(wǎng)電壓降指標的角度，提出在該牽引供電分區(qū)內的合適位置將上下行線路牽引網(wǎng)并聯(lián)供電的具體實施方案，同時提出實現(xiàn)配套多邊聯(lián)跳保護的設置方案，并對其安全性及節(jié)能效果進行分析。結果表明：利用列車勢能與動能的轉換，對于工程長期運營的綜合節(jié)能效果較為顯著，具有巨大的經(jīng)濟及社會效益。

城市軌道交通；長大坡道區(qū)間；節(jié)能；牽引網(wǎng)電壓降指標；牽引網(wǎng)并聯(lián)；多邊聯(lián)跳保護

1 城軌交通牽引網(wǎng)供電方式現(xiàn)狀

目前，國內絕大部分城市軌道交通工程牽引供電系統(tǒng)均采用了DC 1 500 V(或DC 750 V)架空牽引網(wǎng)(或接觸軌)授流、走行軌回流的牽引網(wǎng)供電方式，僅很少部分采用DC 1 500 V接觸軌授流、專用第四軌回流的牽引網(wǎng)供電方式。正常運行時，正線牽引網(wǎng)由相鄰的牽引變電所雙邊供電。當正線任意一座牽引變電所發(fā)生故障退出運行時，由相鄰的牽引變電所越區(qū)供電；根據(jù)故障退出運行牽引變電所位置的不同，越區(qū)供電又分為越區(qū)大雙邊供電和越區(qū)單邊供電兩種。

在通常情況下，無論城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)采用何種牽引網(wǎng)供電方式，除了在每座牽引變電所通過直流母線將上下行牽引網(wǎng)并聯(lián)外，還在線路正線各直流供電分區(qū)，使全線范圍內的上下行線 路 牽 引 網(wǎng) 均為獨立運行，參見圖1。

《地鐵設計規(guī)范》對于直流牽引供電系統(tǒng)電壓及其波動范圍的規(guī)定參見表1。

圖1 上下行線路牽引網(wǎng)獨立運行

標稱值最高值最低值750900500150018001000

2 區(qū)間牽引網(wǎng)并聯(lián)供電需求的提出

在國內大多數(shù)城市軌道交通工程建設中，由于線路的坡度起伏不大，或者有坡度線路的距離較短，因此，列車的勢能轉換為動能的優(yōu)勢不明顯，同時上下行線路牽引網(wǎng)在運行過程中的電壓降指標差異不大，因此在該區(qū)段內將上下行線路牽引網(wǎng)并聯(lián)供電的必要性相對不大。

近年來，隨著國內經(jīng)濟的發(fā)展、城市規(guī)模的不斷擴大，地處丘陵、山區(qū)的二三線城市也陸續(xù)開始進行城市軌道交通工程的建設，由于該類城市的地形起伏較大，線路出現(xiàn)了一些具有典型特征的長大坡道區(qū)間。

在該類長大坡道區(qū)間內行車，對于按常規(guī)思路設計的上下行線路牽引網(wǎng)來說，有以下特點：

1) 對于上坡線路來說，在列車啟動和行車過程中，列車持續(xù)取流，牽引網(wǎng)電流大，電能消耗大，導致牽引網(wǎng)的電壓降過大。

2) 對于下坡線路來說，在列車行車過程中，牽引網(wǎng)電流很小，電能消耗小，牽引網(wǎng)的電壓降很小。由于坡度很大、加之該區(qū)段內的列車在絕大部分時間內都不牽引取流，列車再生制動產(chǎn)生的電能不能被其他車輛吸收，列車制動只能采用電阻制動或閘瓦制動，不僅導致列車發(fā)熱和閘瓦磨耗嚴重、污染隧道環(huán)境，而且導致下坡線路的牽引網(wǎng)載流能力和列車再生制動產(chǎn)生的能量均未得到充分利用。

例如，針對貴陽軌道交通1號線工程，線路為穿越黔靈山，在貴陽北站—蠻坡站區(qū)間設計了一個連續(xù)的長大坡道，線路坡度為28‰，區(qū)間長度為5.031 km(上行線路為上坡，下行線路為下坡)，兩端的高差約為125 m，按一列定員滿載的B型車6輛編組(4動2拖)的列車計算，該區(qū)間僅單列車單次運行具備的勢能約為34.3×107J，折算電能約為95 kWh。該區(qū)間上下行列車運行牽引能耗計算參見表2。

表2 貴陽北站—蠻坡站區(qū)間牽引計算

表中牽引能耗為列車從牽引網(wǎng)取電運行所消耗的能量；制動能耗為列車制動時反饋的能量，該能量可部分被相鄰車輛吸收，未吸收部分則被制動電阻或閘瓦摩擦以熱能的形式消耗。如果考慮制動能耗未被其他列車吸收，該區(qū)間的牽引能耗約為249.613 kWh；而如果考慮制動能耗被其他列車完全利用，該區(qū)間的牽引能耗約為154.208 kWh。

在該區(qū)間上下行牽引網(wǎng)沒有并聯(lián)的情況下，下坡線路由于列車取流極小，牽引網(wǎng)的電壓較高，導致列車再生制動產(chǎn)生的能量不能被其他列車吸收，列車只能采取車載電阻將該部分能量消耗，單列車在該區(qū)間每運行一次，則浪費了約95 kWh的勢能；當該區(qū)間上下行牽引網(wǎng)并聯(lián)后，如果行車組織實現(xiàn)在該區(qū)間內上下行線路均有列車同時運行，即使不考慮下坡列車的制動能耗完全被其他列車吸收的極端情況，僅考慮上下行列車對該區(qū)間內勢能綜合利用的效率,并按50%考慮，則每運行一對列車，在該區(qū)間內可節(jié)省的電能約為47.5 kWh。按照全線開通后初期行車184對/d、近期行車271對/d、遠期行車328對/d考慮，則每天可節(jié)省電能約為：初期8 740 kWh/d、近期12 873 kWh/d、遠期15 580 kWh/d，按照電費0.60元/kWh考慮，在不計入車輛閘瓦設備維護可節(jié)省的費用情況下，累積下來每年能節(jié)省的運營電費約為：初期191.4萬元/年、近期281.9萬元/年、遠期341.2萬元/年，也是很可觀的。

針對該類長大坡道區(qū)間，下面僅從節(jié)能和改善牽引網(wǎng)電壓指標等方面，提出在該牽引供電分區(qū)內的電壓降指標最嚴重的位置實行“上下行線路牽引網(wǎng)并聯(lián)供電”的方案，具體見圖2。

圖2 上下行線路牽引網(wǎng)并聯(lián)運行

對于在該長大坡道區(qū)間兩端的牽引變電所來說，其同時對該區(qū)間的上下行線路牽引網(wǎng)供電，由于列車運行工況的差異，會出現(xiàn)在運行過程中上下行線路牽引網(wǎng)電壓指標的嚴重差異。如按常規(guī)設計思路，即按上坡線路牽引網(wǎng)的電壓指標來考慮牽引變電所布點，可能會出現(xiàn)需要在該區(qū)間隧道內設置牽引變電所的情況。

如對于該特殊的長大坡道區(qū)間的牽引供電分區(qū)，采用圖2所示的上下行線路牽引網(wǎng)并聯(lián)運行方案，不僅可以均衡上下行線路牽引網(wǎng)的電壓降指標，而且可以充分發(fā)揮列車的再生制動功能，節(jié)約電能消耗，甚至可以避免在該區(qū)間隧道內設置牽引變電所。

3 區(qū)間牽引網(wǎng)并聯(lián)的實施及運行方案

3.1 區(qū)間牽引網(wǎng)并聯(lián)供電的實施方案

方案1：采用直流快速斷路器。在該供電分區(qū)的適當位置，采用直流快速斷路器將上下行線路牽引網(wǎng)并聯(lián)。

該方案由于不受相鄰牽引變電所斷路器的閉鎖限制，運行方式靈活，調度簡單，但其對設備的安裝運行環(huán)境要求較高，需設置專門的設備房間，且相關的配套設施復雜，工程難度和投資較大。

方案2：采用電動隔離開關。在該供電分區(qū)的適當位置，采用電動隔離開關將上下行線路牽引網(wǎng)并聯(lián)。

該方案電動隔離開關的分、合閘需受相鄰牽引變電所斷路器的閉鎖限制，運行方式和調度相對復雜，但其對設備的安裝運行環(huán)境要求較低，無需設置專門的設備房間，可以直接安裝在區(qū)間隧道內或接觸網(wǎng)立柱上，施工難度低且工程投資小。

3.2 區(qū)間牽引網(wǎng)并聯(lián)供電的運行方案

在常規(guī)設計思路下，每個供電分區(qū)內上下行線路牽引網(wǎng)獨立運行，供電分區(qū)內上行(或下行)線路牽引網(wǎng)發(fā)生故障時，僅上行(或下行)線路牽引網(wǎng)停電，即上行線路牽引網(wǎng)的故障不會影響下行線路的行車，同理，下行線路牽引網(wǎng)的故障不會影響上行線路的行車。

供電分區(qū)采用上下行線路牽引網(wǎng)并聯(lián)供電后，在正常運行時，其運行方式與常規(guī)設計思路下供電分區(qū)基本一致，但當該供電分區(qū)內的牽引網(wǎng)發(fā)生故障時，由于同時涉及上下行線路牽引網(wǎng)供電，因此其運行方案不同。根據(jù)采用的不同并聯(lián)開關設備，其運行方案如下。

方案1：采用直流斷路器實現(xiàn)上下行牽引網(wǎng)并聯(lián)供電。在上下行牽引網(wǎng)并聯(lián)供電時，如果該供電分區(qū)的上行或下行線路牽引網(wǎng)發(fā)生故障，需同時斷開上下行線路牽引網(wǎng)兩端和中間并聯(lián)的共5臺直流斷路器；斷開后，對應牽引變電所內的上下行直流饋線斷路器的自動重合閘功能啟動，分別對上下行線路牽引網(wǎng)進行測試，確認后將沒有故障的上行或下行線路牽引網(wǎng)恢復供電。在開關切換期間，上下行線路牽引網(wǎng)均會出現(xiàn)短時中斷供電的情況。

在牽引網(wǎng)故障消除后，可擇機直接合閘該直流斷路器，將該供電分區(qū)上下牽引網(wǎng)恢復至并聯(lián)供電。

方案2：采用電動隔離開關實現(xiàn)上下行牽引網(wǎng)并聯(lián)供電。與方案1相同，如果該供電分區(qū)的上行或下行線路牽引網(wǎng)發(fā)生故障，需同時斷開上下行線路牽引網(wǎng)兩端的4臺直流斷路器，當通過線路測試，無法實現(xiàn)重合閘且確認兩端的4臺直流斷路器均處于分閘狀態(tài)時，將該上下行線路牽引網(wǎng)并聯(lián)的電動隔離開關斷開；在確認該并聯(lián)隔離開關斷開后，再分別對上下行線路牽引網(wǎng)進行測試，對非故障的上行或下行線路牽引網(wǎng)人工恢復供電。在開關切換期間，上下行線路牽引網(wǎng)均會出現(xiàn)短時中斷供電的情況。與方案1相比，該方案中斷供電的時間稍長，可達幾分鐘的時間。

在常規(guī)城市軌道交通工程的運營組織中，無論上下行牽引網(wǎng)是否并聯(lián)運行，如同一供電分區(qū)內的上行或下行接觸網(wǎng)出現(xiàn)故障，一般是該區(qū)段內的上下行均不再考慮正常行車，根據(jù)現(xiàn)場折返條件組織小交路臨時折返運行。因此，當同一供電分區(qū)內的上行(或下行)接觸網(wǎng)發(fā)生故障時，要求下行(或上行)接觸網(wǎng)帶電正常運行的意義不大。

在牽引網(wǎng)故障消除后，控制中心電力調度可根據(jù)運營情況，擇機將上下行線路牽引網(wǎng)恢復至并聯(lián)供電。

4 配套保護設置方案

采用直流斷路器或者電動隔離開關實現(xiàn)上下行線路牽引網(wǎng)并聯(lián)供電，其配套的保護設置方案基本一致。以下僅以采用電動隔離開關實現(xiàn)上下行線路牽引網(wǎng)的并聯(lián)供電方案為例進行說明。

4.1 直流多邊聯(lián)跳保護設置方案

在上下行線路牽引網(wǎng)并聯(lián)處設置一套直流多邊聯(lián)跳保護接口箱，其接線原理如圖3所示。

4.2 直流多邊聯(lián)跳保護功能分析

對應上下行線路牽引網(wǎng)并聯(lián)方案，配套的多邊聯(lián)跳保護設置方案應能完成以下功能。

1) 上下行線路牽引網(wǎng)直流斷路器可以同時聯(lián)跳。上下行線路牽引網(wǎng)并聯(lián)后，在該供電分區(qū)內如發(fā)生牽引網(wǎng)故障，能同時將上下行線路牽引網(wǎng)供電的直流斷路器全部斷開。

2) 配套的直流多邊聯(lián)跳保護裝置可以不帶電運行。為保證配套的直流多邊聯(lián)跳保護的可靠運行，該多邊聯(lián)跳保護裝置相關二次回路運行無需外部電源供電，直接通過上下行線路原有的聯(lián)跳回路取電，避免由于相關的電源回路故障導致該多邊聯(lián)跳保護功能的失效。

3) 不影響原有上行或下行線路牽引網(wǎng)各自的雙邊聯(lián)跳保護功能。無論該上下行線路牽引網(wǎng)并聯(lián)開關是否投入，該直流多邊聯(lián)跳保護的相關二次回路元器件設備是否發(fā)生故障，上下行線路直流饋線斷路器原有的雙邊聯(lián)跳保護功能均不受影響。

4) 多邊聯(lián)跳保護功能的自動投入與退出?？筛鶕?jù)該上下行并聯(lián)開關的投入與退出，自動實現(xiàn)該供電分區(qū)上下行線路牽引網(wǎng)直流饋線斷路器多邊聯(lián)跳保護功能的投入與退出。當上下行并聯(lián)開關退出時，自動恢復為常規(guī)的上行或下行線路牽引網(wǎng)獨立的雙邊聯(lián)跳保護功能。

圖3 并聯(lián)供電處直流多邊聯(lián)跳保護原理

5) 與兩端牽引變電所的運行方式無關。無論是正常運行還是兩端某一座牽引變電所故障解列大雙邊運行時，該直流多邊聯(lián)跳保護裝置各項功能均可不受影響，其多邊聯(lián)跳保護功能的投入與退出，僅與上下行并聯(lián)開關是否投入有關。

圖3所示的上下行線路牽引網(wǎng)并聯(lián)處直流多邊聯(lián)跳保護方案，可以完全實現(xiàn)上述功能需求。

4.3 區(qū)間牽引網(wǎng)并聯(lián)開關的控制回路該并聯(lián)開關的分、合閘控制回路、閉鎖回路與常規(guī)方式一致，此處不再贅述。

5 方案優(yōu)缺點分析

1) 方案優(yōu)點。在類似的長大坡道區(qū)間供電分區(qū)的合適位置，將上下行線路牽引網(wǎng)并聯(lián)后，上坡線路的列車可以充分吸收利用下坡線路列車再生制動時產(chǎn)生的電能，不僅使得上坡線路牽引網(wǎng)的電壓降指標得到改善，牽引能耗大幅降低，同時可在一定程度上延長列車制動系統(tǒng)的使用壽命。

2) 方案缺點。在上下行線路牽引網(wǎng)并聯(lián)的供電分區(qū)內，當上下行線路牽引網(wǎng)的任何一處發(fā)生故障時，需同時跳開上下行線路牽引網(wǎng)兩端的全部直流斷路器，在斷開故障線路牽引網(wǎng)，恢復上行或下行線路牽引網(wǎng)供電前，上下行線路牽引網(wǎng)均失電，盡管時間較短(幾分鐘內)，但上下行線路運營均會受到一定影響。

3) 方案風險分析。該供電分區(qū)上下行牽引網(wǎng)并聯(lián)后，對于供電系統(tǒng)與機車車輛并沒有其他新的故障類型出現(xiàn)。從運營的角度來說，同樣仍只是停電后重新送電的操作過程。即使該供電分區(qū)范圍內牽引網(wǎng)出現(xiàn)故障，導致上下行牽引網(wǎng)同時失電，仍可以通過保護裝置及倒閘操作，在很短的時間內恢復為上下行牽引網(wǎng)獨立運行的模式，在故障解除后，將該供電分區(qū)恢復為上下行牽引網(wǎng)并聯(lián)的運行模式。因此，對運營有一定影響，但并沒有增加新的安全風險。

6 結語

針對類似貴陽軌道交通1號線這類長大坡道區(qū)間，在該牽引供電分區(qū)內的合適位置將上下行線路牽引網(wǎng)并聯(lián)供電。無論是正常運行還是某一座牽引變電所故障解列大雙邊運行時，只要在該牽引供電分區(qū)內的牽引網(wǎng)沒有發(fā)生故障，均可長期將該供電分區(qū)上下行線路牽引網(wǎng)并聯(lián)運行，利用列車勢能與動能的轉換，對于工程長期運營的綜合節(jié)能效果較為顯著，具有巨大的經(jīng)濟及社會效益。

[3] GB 50157―2013地鐵設計規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社,2013.

[4] 中鐵二院工程集團有限責任公司.貴陽市軌道交通1號線工程可行性研究長大連續(xù)坡道及運營安全研究[G].成都，2011.

[5] 中鐵二院工程集團有限責任公司.貴陽市軌道交通1號線初步設計:第十篇 供電[G].成都，2012.

[10] 于松偉，楊興山，韓連祥，等.城市軌道交通供電系統(tǒng)設計原理與應用[M].成都：西南交通大學出版社，2008.

(編輯：郝京紅)

Discussion of Parallel Traction Power Supply Line on the Long Rampway Section

Zhang Kaibo

(China Railway Eryuan Engineering Group Co., Ltd.(CREEC),Chengdu 610031)

For a long rampway section of urban rail transit, a detailed scheme of parallel traction power supply line is put forward at the suitable position by using the conversion between potential energy and kinetic energy, from the perspectives of saving energy and improving traction network voltage drop index, and the setting program to realize supporting multilateral inter-tripping protection is also presented. The safety and energy saving effect of the scheme are analyzed, and it is shown that the comprehensive energy saving effect of long-term operation is remarkable with huge economic and social benefits by conversion of potential energy and kinetic energy of train.

urban rail transit; long rampway section; energy saving; traction network voltage drop index; parallel traction power supply line; multilateral inter-tripping protection

張開波，男，電氣化高級工程師，從事地鐵供電系統(tǒng)設計與研究， zkb 008@126.com

U231.8

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