山區(qū)城市地鐵供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

曾之煜，敖娜娜

（1. 中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，成都 610031；2. 四川省建筑設(shè)計(jì)研究院，成都 610000）

1 線路情況

貴陽市以山地、丘陵為主，貴陽軌道交通1號(hào)線作為該城市建設(shè)的第一條軌道交通線路，土建工程較為復(fù)雜，地面段、地下段及高架站交替，個(gè)別地段還需穿越峽谷，施工工法更是多種多樣，同一個(gè)區(qū)間常出現(xiàn)明挖、暗挖等多種工法混用；個(gè)別地段還有連續(xù)長大坡道，坡度達(dá)28‰。1號(hào)線正線長34.464 km，其中地下線 29.022 km，高架線 2.997 km，地面線2.445 km；共設(shè)車站24座，其中地下車站20座，地面車站與高架車站各2座[1]。

供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)作為整個(gè)地鐵工程設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，其功能不僅滿足整個(gè)地鐵工程的特點(diǎn)，還應(yīng)貼近城市特點(diǎn)，滿足用戶的需求。本工程供電系統(tǒng)采用110/35 kV兩級(jí)電壓集中供電方式，牽引供電系統(tǒng)和動(dòng)力照明供電系統(tǒng)共用35 kV供電網(wǎng)絡(luò)[2-3]；共設(shè)置2座主變電所；牽引供電系統(tǒng)采用DC1 500V架空接觸網(wǎng)供電、走行軌回流方式；共設(shè)置13座牽引降壓混合變電所（其中正線11座，車輛段、停車場各1座），14座降壓變電所。

2 列車再生制動(dòng)能量回饋方案

國內(nèi)不少城市設(shè)置了列車再生制動(dòng)能量吸收/回饋裝置，通過運(yùn)營反饋，部分地區(qū)能量吸收/回饋取得了明顯效果。本線貴陽北站—蠻坡站有一連續(xù)長大坡道，長約5 km，高差達(dá)125 m，線路坡度28‰。通過理論分析及軟件仿真，列車在該區(qū)段制動(dòng)時(shí)，釋放的再生能量可觀，但無法被相鄰列車較好吸收，故該地段有必要設(shè)置再生制動(dòng)能量吸收裝置。同時(shí)經(jīng)過比選論證，回饋至中壓的方案為當(dāng)前的主流技術(shù)，因此設(shè)計(jì)方案為在貴陽北站、雅關(guān)站、蠻坡站及延安路站牽引變電所設(shè)置再生制動(dòng)能量回饋裝置，將列車再生制動(dòng)能量回饋至35 kV交流側(cè)。另外從理論分析及仿真結(jié)果看出，全線其他牽引變電所也應(yīng)設(shè)置再生制動(dòng)能量回饋裝置，但為節(jié)約初期建設(shè)成本，且在確定方案時(shí)（2013年）國內(nèi)尚無回饋至35 kV側(cè)方案的運(yùn)營數(shù)據(jù)，因此其余牽引變電所暫做土建預(yù)留，待后續(xù)條件成熟時(shí)增設(shè)。車站牽引變電所需要吸收的再生制動(dòng)能量如表1所示。

表1 車站牽引變電所需要吸收的再生制動(dòng)能量Tab. 1 Regenerative braking energy required by the station traction substation

3 牽引網(wǎng)上、下行并聯(lián)方案

由于前述貴陽北站—蠻坡站連續(xù)長大坡道的存在（貴陽北站牽引所距雅關(guān)站牽引所3 867 m，雅關(guān)站牽引所距蠻坡站牽引所2 802 m，這三個(gè)站均設(shè)再生制動(dòng)能饋裝置），導(dǎo)致牽引網(wǎng)供電有如下問題：1）下坡線路列車制動(dòng)釋放的再生能量無法有效吸收利用；2）對(duì)于上坡線路來說，在列車啟動(dòng)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(dǎo)致牽引網(wǎng)的電壓降大；對(duì)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。問題1基本上可由前述再生制動(dòng)能量回饋裝置解決，為解決問題2，同時(shí)進(jìn)一步使列車再生制動(dòng)能量就近被相鄰列車吸收，提出在區(qū)間適當(dāng)位置（距貴陽北站約2 km）將上、下行牽引網(wǎng)并聯(lián)[4]，方案示意圖見圖1。

圖1 牽引網(wǎng)上、下行并聯(lián)Fig. 1 Parallel supply connecting the upward and downward of the traction network

考慮運(yùn)營倒閘操作的便利性，并聯(lián)開關(guān)采用電動(dòng)隔離開關(guān)。將上、下行牽引網(wǎng)并聯(lián)后，原有的直流雙邊聯(lián)跳變成了多邊聯(lián)跳關(guān)系，即牽引網(wǎng)上、下行并聯(lián)處左右牽引網(wǎng)任一行發(fā)生故障，都應(yīng)聯(lián)跳其他三個(gè)供電臂，本工程設(shè)置了專門的多邊聯(lián)跳保護(hù)裝置實(shí)現(xiàn)上述功能。

根據(jù)行車調(diào)度規(guī)則，貴陽北站—蠻坡站區(qū)間內(nèi)的上行或下行接觸網(wǎng)出現(xiàn)故障時(shí)，該區(qū)段內(nèi)的上、下行均不再考慮正常行車，根據(jù)設(shè)置的折返線組織小交路臨時(shí)折返運(yùn)行。因此，將牽引網(wǎng)上、下行并聯(lián)后可能使故障范圍擴(kuò)大而對(duì)運(yùn)營帶來的影響可以忽略[5]。

4 特殊區(qū)段電纜敷設(shè)方案

全線35 kV環(huán)網(wǎng)電纜在高架、路基、地下隧道交替敷設(shè)，由于各種原因，個(gè)別設(shè)計(jì)方案在具體施工過程中需調(diào)整和優(yōu)化，例如：1）路基段，原設(shè)計(jì)方案為電纜于線路兩側(cè)電纜槽內(nèi)敷設(shè)，電纜槽尺寸為400 mm×400 mm，施工過程中發(fā)現(xiàn)土建施工完畢的電纜槽尺寸僅為250 mm×250 mm，難以滿足現(xiàn)場安裝的需要，同時(shí)，原設(shè)計(jì)方案中電纜槽內(nèi)設(shè)置了泄水孔，但現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)電纜槽內(nèi)無排水措施，電纜長期浸泡于水中，安全存在極大隱患。因此現(xiàn)場調(diào)整為支架敷設(shè)方式，直接將支架固定在電纜槽旁已經(jīng)硬化（C20以上混泥土）的地面上，同時(shí)需滿足與弱電電纜的間距要求。2）高架或路基區(qū)段岔區(qū)過軌，原設(shè)計(jì)方案為環(huán)網(wǎng)沿線路中間疏散平臺(tái)下方至岔區(qū)處，通過承軌臺(tái)之間約10 cm的縫隙穿越，施工過程中發(fā)現(xiàn)，部分地段因土建誤差導(dǎo)致縫隙只有6～7 cm而無法滿足電纜轉(zhuǎn)彎半徑的要求，部分地段因岔區(qū)采用整體道床導(dǎo)致整個(gè)岔區(qū)無結(jié)構(gòu)縫，并且電纜提前過軌又和弱電電纜及接觸網(wǎng)立柱有沖突。該類問題現(xiàn)場解決辦法為將縫隙不足10 cm的縫隙，處理鑿寬以滿足電纜轉(zhuǎn)彎半徑要求，在沒有伸縮縫的地方直接在道床上開一個(gè)寬15 cm，深15 cm的淺槽。3）行政中心站—會(huì)展中心站區(qū)間有一條長約330 m的岔線，原設(shè)計(jì)方案為環(huán)網(wǎng)電纜均采用吊頂敷設(shè)，后為便于運(yùn)營檢修，均改為穿軌道過軌，與弱電電纜同側(cè)敷設(shè)，同時(shí)滿足與弱電電纜的間距要求[6]。

通過本工程環(huán)網(wǎng)施工可以看出，山區(qū)地鐵環(huán)網(wǎng)電纜敷設(shè)對(duì)設(shè)計(jì)方案提出了更高的要求：首先山區(qū)土建工程復(fù)雜，土建施工誤差可能較大，后續(xù)因?yàn)楣て诘脑蛑荒苡蓹C(jī)電系統(tǒng)專業(yè)自己消化這些誤差，因此供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)需留有裕量；其次，山區(qū)地鐵土建工法較多，隧道、橋梁、軌道形式多種多樣，要求供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須全面了解每種工法對(duì)本專業(yè)施工的影響，并提前做好預(yù)埋預(yù)留，寧多勿缺。

5 特殊區(qū)段接觸網(wǎng)方案

5.1 高架段剛性懸掛方案

本線接觸網(wǎng)懸掛類型為：正線隧道區(qū)段，接觸網(wǎng)采用架空“П”型剛性懸掛[7]。

地面及高架區(qū)段一般采用架空柔性懸掛，特殊區(qū)段（貴陽北站—雅關(guān)站）采用架空“П”型剛性懸掛。因貴陽北站—雅關(guān)站在數(shù)座山包中穿越，高架與穿山隧道來回交錯(cuò)，其高架區(qū)段較短，不利于布置柔性接觸網(wǎng)錨段關(guān)節(jié)，因此高架段采用剛性懸掛貫通，接觸網(wǎng)立柱設(shè)于線路中間。特殊區(qū)段線路縱斷面及接觸網(wǎng)安裝方式分別見圖2、圖3。

圖2 特殊區(qū)段線路縱斷面Fig. 2 The line profile in the special section

圖3 特殊區(qū)段剛性懸掛安裝Fig. 3 The rigid suspension installation in the special section

5.2 地面及高架車站懸掛方案

在地面及高架車站，車站采用島式站臺(tái)，為節(jié)約成本及配合景觀協(xié)調(diào)，接觸網(wǎng)不再單獨(dú)設(shè)立柱，而利用既有車站結(jié)構(gòu)鋼柱進(jìn)行安裝。

5.3 過防淹門方案

圖4 地面站接觸網(wǎng)安裝Fig. 4 Installation of the ground station catenary

本線工程穿越南明河，防淹門采用上下平面滑動(dòng)的閘刀式防淹門，在發(fā)生河水倒灌時(shí)，防淹門啟動(dòng)，至上而下移動(dòng)，直至封閉整個(gè)隧道。防淹門的這種操作方式對(duì)接觸網(wǎng)系統(tǒng)具有破壞性，為盡量減小防淹門啟動(dòng)時(shí)對(duì)接觸網(wǎng)系統(tǒng)的破壞范圍，剛性懸掛通過防淹門時(shí)一般采用架設(shè)獨(dú)立小錨段的方案，即設(shè)置一段剛性懸掛小錨段，分別與防淹門兩側(cè)的剛性懸掛形成錨段關(guān)節(jié)并實(shí)現(xiàn)電氣連接。考慮到防淹門啟動(dòng)時(shí)，匯流排無法斷開，將卡在防淹門閉合范圍內(nèi)，造成防淹門與底板間存在較大間隙，密閉性差，故在防淹門兩側(cè)分別對(duì)匯流排進(jìn)行錨固，防淹門處匯流排采用外包接頭連接。該方案在防淹門啟動(dòng)時(shí)，匯流排自外包接頭處斷開，不會(huì)掉落在防淹門閉合范圍內(nèi)，防淹門密閉性好，且對(duì)接觸網(wǎng)系統(tǒng)的破壞范圍小，在防淹門復(fù)位后架設(shè)恢復(fù)接觸網(wǎng)所需的時(shí)間短。

6 接地網(wǎng)

為滿足弱電系統(tǒng)的接地要求，綜合接地網(wǎng)接地電阻要求不大于1 Ω。貴陽地處山區(qū)，地質(zhì)多為中風(fēng)化泥質(zhì)灰?guī)r或夾泥巖，平均土壤電阻率達(dá)到320 Ω·m，例如竇官站甚至高達(dá) 1 404 Ω·m。照此推算若不采用其他措施，該車站接地電阻高達(dá)9.1 Ω，遠(yuǎn)不能滿足接地電阻的要求。因此，對(duì)于土壤電阻率小于 500 Ω·m的車站，采用換土并填充降助劑，對(duì)于土壤電阻率大于500 Ω·m的車站，采用降助劑和離子接地極，水平接地體采用T2紫銅排，垂直接地體采用純銅棒和離子接地極交錯(cuò)布置。采用降助劑和離子接地極后，竇官站接地電阻理論計(jì)算值為0.7 Ω。接地網(wǎng)施工方案見圖5。

7 結(jié)語

隨著二、三線城市的崛起，未來還有更多的山區(qū)城市建設(shè)多種形式的軌道交通。本文僅列舉了貴陽市軌道交通1號(hào)線工程的一些設(shè)計(jì)方案，目前首通段已試運(yùn)營，設(shè)計(jì)方案已逐步實(shí)施，其設(shè)計(jì)功能也基本達(dá)到預(yù)期。但是文中提到的內(nèi)容還需要進(jìn)一步思考和總結(jié)，比如結(jié)合運(yùn)營數(shù)據(jù)進(jìn)一步優(yōu)化后續(xù)線路再生制動(dòng)能量回饋裝置的配置方案，牽引網(wǎng)上、下行并聯(lián)的實(shí)際效果，接地網(wǎng)能否在滿足接地電阻要求的前提下進(jìn)一步降低成本和施工難度，離子接地體對(duì)環(huán)境的影響等。只有不斷思考和總結(jié)，地鐵供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)才更能符合城市的特點(diǎn)，更貼近用戶的需求。

圖5 垂直接地體安裝Fig. 5 Vertical grounding installation