李 晶,邱麗麗
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。
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
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。
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。
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
2.2.1 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。
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。
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。
(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)。
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。
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。