李 劍 劉孟愷 高 宏

（中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，610031，成都∥第一作者，高級(jí)工程師）

隨著我國城市軌道交通的迅猛發(fā)展，大型城市的軌道交通已由市區(qū)往郊區(qū)、市域延伸。如：廣州市在結(jié)合珠三角城際軌道交通建設(shè)的基礎(chǔ)上發(fā)展市域軌道交通，并與廣州地鐵互為補(bǔ)充；重慶開始規(guī)劃主城區(qū)與江津、合川等衛(wèi)星城之間的市域軌道交通；成都開始研究建設(shè)兼顧市域軌道交通功能與機(jī)場快線功能的18號(hào)線、19號(hào)線。這些工程都有各自所獨(dú)有的功能定位，因此具有不同的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和工程特點(diǎn)，在速度目標(biāo)值、行車組織及運(yùn)營管理、車輛編組及性能要求、站間距、換乘接駁點(diǎn)、線路走向、線路實(shí)施或規(guī)劃延伸長度、投資及建設(shè)運(yùn)營主體等方面，均與地鐵有所區(qū)別。對(duì)這些項(xiàng)目的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)和制式選擇進(jìn)行總結(jié)，可逐漸形成市域軌道交通的相關(guān)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)。本文擬對(duì)其中的牽引供電制式進(jìn)行重點(diǎn)探討。

1 牽引供電制式的比較

國內(nèi)外多條市域軌道交通線路牽引供電方式見表1。

表1 國內(nèi)外多條市域軌道交通線路的牽引供電制式

關(guān)于交流25 kV、直流1 500 V（或750 V）兩種制式，有大量文章對(duì)此開展了研究比選，比選結(jié)論如表2。

當(dāng)采用集中供電方式時(shí)，交流牽引供電與直流牽引供電在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上的區(qū)別十分明顯，如圖1所示。而在實(shí)際工程中，牽引供電制式還應(yīng)綜合考慮具體的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、線站位、行車組織及運(yùn)營管理等因素。

表2 牽引供電制式的比較［1］

圖1 直流、交流牽引供電制式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對(duì)比圖

2 牽引授流方式的比較

牽引授流方式實(shí)質(zhì)上體現(xiàn)了電氣和機(jī)械兩個(gè)方面的特點(diǎn)，在滿足授流電氣需要（載流能力）的同時(shí)，由于列車的高速運(yùn)行，還需要滿足授流機(jī)械作用（弓網(wǎng)關(guān)系）的需要。普通的地鐵制式最高速度一般不大于80 km/h，滿足授流電氣需要是主要考慮的因素，而市域軌道交通因其運(yùn)行的速度目標(biāo)值較大，牽引授流制式受機(jī)械作用（弓網(wǎng)關(guān)系）影響的比重明顯提高。

2.1 柔性架空接觸網(wǎng)

在我國的干線電氣化鐵路工程中，得到廣泛應(yīng)用的柔性架空接觸網(wǎng)，大多采用全補(bǔ)償彈性鏈形懸掛和簡單鏈形懸掛。鏈形懸掛的接觸導(dǎo)線通過吊弦懸掛在承力索上，基本消除了接觸導(dǎo)線的硬點(diǎn)，可以滿足列車較高運(yùn)行速度的要求。剛性架空接觸網(wǎng)主要由接觸導(dǎo)線、匯流排和支持裝置等構(gòu)成。目前，國內(nèi)外采用鏈形懸掛接觸網(wǎng)的線路，列車的最高試驗(yàn)速度已達(dá)到500 km/h，高速客運(yùn)專線設(shè)計(jì)運(yùn)行速度已達(dá)到350 km/h。

2.2 剛性架空接觸網(wǎng)

剛性匯流排夾持接觸線，通過與受電弓的接觸滑動(dòng)向列車供電。

架空柔性接觸網(wǎng)較剛性懸掛接觸網(wǎng)對(duì)高速度的適應(yīng)性更好。剛性懸掛對(duì)設(shè)計(jì)、施工質(zhì)量要求較高。

近年建成的瑞士Kerenzerzberg隧道剛性接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)速度為160 km/h，初期試驗(yàn)速度達(dá)到了185 km/h；奧地利Sittenberg隧道的剛性接觸網(wǎng)初期試驗(yàn)速度達(dá)到了200 km/h。

2.3 不同授流方式接觸網(wǎng)對(duì)土建凈空的要求

在地下線路所占比例較大的情況下，交流25 kV架空接觸網(wǎng)在經(jīng)濟(jì)上缺乏優(yōu)勢。交流25 kV接觸網(wǎng)供電的主要特點(diǎn)是牽引供電工程本身造價(jià)相對(duì)較低。但是在地下建筑中,由于架空接觸網(wǎng)電壓較高，需要的建筑凈空高度比直流牽引條件下的凈空要高，從而會(huì)導(dǎo)致地下建筑土建工程造價(jià)增加15%左右［2］。市域軌道交通的土建凈空還需考慮空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)等因素的影響。設(shè)計(jì)時(shí)速為140 km/h以上的市域軌道交通線路，接觸網(wǎng)和空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)共同決定其土建的凈空高度。

3 市域軌道交通車輛與牽引供電的關(guān)系

3.1 市域軌道交通車輛對(duì)供電的適應(yīng)性分析

根據(jù)相關(guān)市域軌道交通車輛廠家提供的資料，一旦速度目標(biāo)值達(dá)到140 km/h以上，最大加速度達(dá)到1 m/s2，8輛編組列車的功率一般將達(dá)到5 000～7 000 kW。這已經(jīng)超過200 km/h城際鐵路列車5 000 kW的常規(guī)水平［3］。鐵路動(dòng)車組與8輛編組市域軌道交通列車的功率曲線分別如圖2和圖3所示。

市域軌道交通車輛對(duì)交流、直流供電，以及柔性、剛性授流都有較好的適應(yīng)性。與直流牽引供電相比，交流牽引供電電壓較高，車輛電氣結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，但車輛電氣回路承受的電流較小，能有效地減少大功率市域軌道交通車輛的受電弓數(shù)量，節(jié)能上更具優(yōu)勢。

圖2 典型鐵路動(dòng)車組功率曲線

圖3 市域軌道交通8輛編組列車功率曲線示例

圖4 兩種供電接觸網(wǎng)饋線方式的故障影響示意圖

同時(shí)，市域軌道交通車輛對(duì)柔性懸掛的適應(yīng)性好于剛性懸掛，尤其是柔性懸掛對(duì)車輛受電弓的性能要求較低,磨耗較少，能減少車輛受電弓采購成本和運(yùn)營成本。

3.2 供電系統(tǒng)故障特點(diǎn)及影響

市域軌道交通的服務(wù)水平要求很高，供電系統(tǒng)不僅要考慮正常運(yùn)營的供電能力和服務(wù)水平，還應(yīng)重點(diǎn)研究不同制式下故障服務(wù)水平和特點(diǎn)。

（1）主變電所的運(yùn)行方式對(duì)故障產(chǎn)生的影響：鐵路的牽引供電系統(tǒng)在正常運(yùn)行時(shí)，一般至少滿足越區(qū)供電范圍內(nèi)1對(duì)動(dòng)車組運(yùn)行。在1座主變電所（牽引變電所）故障退出的情況下，是不能滿足鐵路線的正常運(yùn)行的，服務(wù)水平因此大幅度下降。城市軌道交通的主變電所故障退出情況下，一般須保證高峰小時(shí)的正常供電，不影響列車的正常運(yùn)營。市域軌道交通主變電所的設(shè)置，可根據(jù)市區(qū)運(yùn)量和郊區(qū)運(yùn)量的不同需求，通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，合理確定故障情況下的供電能力。

（2）接觸網(wǎng)的饋電結(jié)構(gòu)對(duì)故障產(chǎn)生的影響：相比直流牽引供電，采用交流牽引供電時(shí)，主變電所直接對(duì)接觸網(wǎng)供電，減少了環(huán)網(wǎng)電纜及牽引所等中間環(huán)節(jié)，簡化了供電結(jié)構(gòu)，相應(yīng)減少了故障率；但是，一旦交流牽引供電主導(dǎo)流回路發(fā)生故障，將直接引起主變電所跳閘，影響面積將擴(kuò)大到整個(gè)主變電所供電臂，在供電臂中運(yùn)行的所有列車都將受到影響。因此，與直流牽引相比，交流牽引故障影響的范圍較大，受影響的列車較多。兩者故障范圍的比較如圖4所示。

（3）授流方式對(duì)故障產(chǎn)生的影響：柔性架空接觸網(wǎng)一般采用全補(bǔ)償簡單鏈形懸掛，在具有更好弓網(wǎng)關(guān)系和更低磨耗特性的同時(shí)，也存在較多問題：①結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，運(yùn)營中易產(chǎn)生位移或變形，維護(hù)工作量大；②故障影響范圍大，安裝調(diào)整和事故搶修復(fù)雜，需要配備較多的專業(yè)檢修設(shè)備和人員，維護(hù)費(fèi)用高；③故障情況下修復(fù)時(shí)間較長，斷線可能較剛性接觸網(wǎng)明顯增大，斷線影響范圍至少一個(gè)錨段，恢復(fù)難度大、時(shí)間長。架空剛性懸掛則結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定性好，不需經(jīng)常調(diào)整、維護(hù)，運(yùn)營維護(hù)工作量小；事故影響范圍小，可局部更換，事故搶修方便、快捷；剛性懸掛的零部件種類很少，相應(yīng)的備品備件數(shù)量也較少，維護(hù)費(fèi)用較低。

綜上所述可以看出，柔性架空接觸網(wǎng)解決了與車輛相關(guān)（如受電弓）的接口問題，但對(duì)供電系統(tǒng)本身是不利的；而市域軌道交通的載流能力和服務(wù)水平要求都較高，需在實(shí)踐中驗(yàn)證其可靠性和可用性。

4 牽引供電方式的優(yōu)化

4.1 牽引供電方式的優(yōu)化

綜合考慮直流牽引和交流牽引這兩種供電制式，可采用以下的供電方式優(yōu)化方案（如圖5所示）：主變電所母線不直接對(duì)接觸網(wǎng)供電，而是在各車站設(shè)置分段開關(guān)站；主變電所通過供電電纜（或供電線）供至分段開關(guān)站，分段開關(guān)站對(duì)接觸網(wǎng)供電，接觸網(wǎng)分段與分段開關(guān)站一致。

圖5 市域軌道交通牽引供電方式優(yōu)化方案

由于電纜的輸電能力相當(dāng)于相同電壓等級(jí)架空線或接觸網(wǎng)的7倍，電阻較低，供電距離也同比例延長［4］。上述優(yōu)化方案的電纜敷設(shè)可結(jié)合35 kV環(huán)網(wǎng)電纜通道實(shí)施。但此方案存在著地下區(qū)段電纜通道的設(shè)置以及相對(duì)較大的投資問題。

4.2 車輛對(duì)授流方式的適應(yīng)性優(yōu)化

目前城市軌道交通列車受電弓允許的最高運(yùn)行速度為120 km/h，遠(yuǎn)低于干線電氣化鐵路新型受電弓允許的最高運(yùn)行速度，因此，受電弓允許最高運(yùn)行速度還有很大的提升空間。在隧道內(nèi)由于氣流影響，為保證受電弓的良好取流，需要選用允許運(yùn)行速度較高的受電弓［5］。

國際上開展的相關(guān)研究表明，主動(dòng)適應(yīng)式受電弓能夠較好地改善弓網(wǎng)關(guān)系及磨耗。

5 結(jié)語

市域軌道交通在電氣、機(jī)械兩個(gè)方面對(duì)牽引供電系統(tǒng)提出的要求，導(dǎo)致供電方式、變電設(shè)備、接觸網(wǎng)授流方式的變化，對(duì)車輛、土建、弱電等的接口產(chǎn)生較大的影響。系統(tǒng)制式的選擇，取決于供電系統(tǒng)本身的特點(diǎn)和相關(guān)接口的處理技術(shù)，以及經(jīng)濟(jì)性。

交流牽引供電相比直流牽引供電電壓高、電能傳輸能力強(qiáng)、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，具備明顯的優(yōu)勢；剛性接觸網(wǎng)具有載流能力強(qiáng)、運(yùn)營可靠性高、維護(hù)簡單等特點(diǎn)。如果能提高受電弓的適應(yīng)性，改善弓網(wǎng)關(guān)系以滿足市域軌道交通的速度要求，則剛性接觸網(wǎng)更能滿足市域軌道交通的運(yùn)營特點(diǎn)和可靠性要求。

因此，通過優(yōu)化各系統(tǒng)的適應(yīng)性，交流牽引供電與剛性接觸網(wǎng)的組合，是市域軌道交通隧道區(qū)段牽引供電制式的發(fā)展方向之一。地上或高架區(qū)段若采用交流牽引供電與柔性接觸網(wǎng)，則應(yīng)對(duì)供電分區(qū)和運(yùn)行方式開展進(jìn)一步的研究，優(yōu)化系統(tǒng)接口（受電弓、土建等），以提高供電可靠性和安全性。