“雙流制”供電系統(tǒng)在軌道交通交直流轉(zhuǎn)換區(qū)的探討和應(yīng)用

廖建榮

一、國(guó)內(nèi)外應(yīng)用情況

“雙流制”起于法國(guó)，隨著第二次世界大戰(zhàn)后歐洲各國(guó)發(fā)展需要，跨域間軌道交通線路之間的貫通聯(lián)接需求日趨強(qiáng)烈。但是，在歐洲大多數(shù)國(guó)家或地區(qū)沒(méi)有對(duì)軌道交通線路的供電系統(tǒng)牽引電源電壓進(jìn)行統(tǒng)一，出現(xiàn)了DC600V、DC750V、DC1500V等直流牽引電源，以及AC15kV、AC25kV等交流牽引電源，而要想在兩個(gè)不同電壓等級(jí)的牽引電源系統(tǒng)中正常運(yùn)行，就必須將單一電源的牽引電力機(jī)車進(jìn)行替換并對(duì)電源轉(zhuǎn)換區(qū)的供電系統(tǒng)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，隨后“雙流制”牽引電力機(jī)車被研制出來(lái)并推廣應(yīng)用。

在中國(guó)，首條“雙流制”軌道交通線路重慶軌道江跳線于2022年8月6日開(kāi)通運(yùn)營(yíng)。為響應(yīng)節(jié)能提速增效要求，江跳線牽引電源僅在與中心城區(qū)聯(lián)接區(qū)段使用與城區(qū)軌道線路匹配的DC1500V電源，其他線路全部采用更加經(jīng)濟(jì)增效的AC25kV電源。江跳線，是江津至中心城區(qū)的便捷快速通道，能夠有效緩解周邊交通擁堵情況，帶動(dòng)沿線經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展轉(zhuǎn)型升級(jí)。

二、主要設(shè)計(jì)原理

（一）交直流轉(zhuǎn)換區(qū)的接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)

重慶軌道江跳線交流段接觸網(wǎng)采用AC25kV牽引電源，JTM-120（15kN）+CTA150（15kN）全補(bǔ)償簡(jiǎn)單鏈形懸掛，直供加回流供電方式；直流段接觸網(wǎng)采用DC1500V牽引電源，2×JT-150（12kN）+2×CTA-120（12kN）+2×JT-150（輔助饋線）全補(bǔ)償簡(jiǎn)單鏈型懸掛，架空接觸網(wǎng)受流和軌回流供電方式。交直流轉(zhuǎn)換區(qū)因兩端牽引電源電壓不同，接觸網(wǎng)懸掛安裝方式全部按照電壓較高的交流段進(jìn)行設(shè)計(jì)。

交直流轉(zhuǎn)換區(qū)，結(jié)合本線“雙流制”電力機(jī)車運(yùn)行需求，接觸網(wǎng)隔離轉(zhuǎn)換區(qū)總長(zhǎng)設(shè)計(jì)為78米，由4臺(tái)分相絕緣器（也可采用關(guān)節(jié)分相形式）隔離而成，分為ab、bc、cd三部分（如圖1），其中bc為常接地區(qū)，長(zhǎng)度為20米，通過(guò)一臺(tái)常閉隔離開(kāi)關(guān)G2接地，ab和cd為中性區(qū)，長(zhǎng)度均為29米，通過(guò)兩臺(tái)常開(kāi)隔離G1、G3開(kāi)關(guān)分別與直流段接觸網(wǎng)和交流段接觸網(wǎng)連接。

考慮交流段或直流段單邊故障情況，即當(dāng)電力機(jī)車牽引單元完好落入轉(zhuǎn)換區(qū)的任何位置時(shí)，可通過(guò)接觸網(wǎng)隔離轉(zhuǎn)換區(qū)聯(lián)絡(luò)隔離開(kāi)關(guān)的倒閘作業(yè)配合車輛升降弓操作實(shí)現(xiàn)自救駛離轉(zhuǎn)換區(qū)。

（二）交直流轉(zhuǎn)換區(qū)鋼軌無(wú)電區(qū)設(shè)計(jì)

考慮電力機(jī)車在經(jīng)過(guò)交直流轉(zhuǎn)換區(qū)不同運(yùn)行方式下的回流特性，為避免電力機(jī)車從交流區(qū)段向直流區(qū)段、直流區(qū)段向交流區(qū)段行車經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換區(qū)過(guò)程中鋼軌回流區(qū)域重疊沖突問(wèn)題，需要設(shè)置一段鋼軌無(wú)電區(qū)對(duì)交流區(qū)段和直流區(qū)段的鋼軌回流進(jìn)行隔離。結(jié)合電力機(jī)車整列長(zhǎng)度、受電弓和軌道輪排布、排列取流和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際行車情況，江跳線交直流轉(zhuǎn)換段鋼軌無(wú)電區(qū)的長(zhǎng)度按8米短軌方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。電力機(jī)車從交流區(qū)段向直流區(qū)段、直流區(qū)段向交流區(qū)段運(yùn)行時(shí)，自經(jīng)過(guò)第一個(gè)分相絕緣器至鋼軌無(wú)電區(qū)的距離分別為（21+X）、（35+X）米，X值可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。

（三）“雙流制”供電系統(tǒng)牽引電源設(shè)計(jì)

重慶軌道江跳線“雙流制”供電系統(tǒng)牽引電源由AC25kV和DC1500V兩部分組成，全線交流牽引供電系統(tǒng)采用110/27.5kV兩級(jí)電壓供電方式，直流牽引供電系統(tǒng)的中壓供電網(wǎng)絡(luò)采用110/35kV兩級(jí)電壓供電方式，35kV中壓經(jīng)整流系統(tǒng)后形成DC1500V直流電源。重慶軌道江跳線將牽引變電站與電力主變電站合建主變電站，以便更好地整合配置供電系統(tǒng)資源。

三、“雙流制”供電系統(tǒng)的應(yīng)用對(duì)比

（一）交直流轉(zhuǎn)換區(qū)接觸網(wǎng)分相形式設(shè)置對(duì)比

交直流轉(zhuǎn)換區(qū)接觸網(wǎng)分相形式可采用器件式、關(guān)節(jié)式兩種，器件式分相因裝置結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，搶修維護(hù)難度較低，但在運(yùn)行過(guò)程中容易形成硬點(diǎn)，并引起打弓和拉弧，不利于電力機(jī)車的高速行車；關(guān)節(jié)式分相因減少了器件式分相對(duì)機(jī)車受電弓的沖擊，能夠使電力機(jī)車快速平穩(wěn)通過(guò)，利于高速行車，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，搶修維護(hù)難度較大。

綜合國(guó)內(nèi)外既有軌道交通線路運(yùn)營(yíng)情況，接觸網(wǎng)分相區(qū)在合理檢修維護(hù)的情況下發(fā)生故障概率極低，乘客對(duì)高速出行和減少換乘的需求卻極高，行車密度大且要求高速行車的線路中交直流轉(zhuǎn)換區(qū)接觸網(wǎng)分相形式宜采用關(guān)節(jié)式分相，行車密度小且對(duì)行車速度要求不高的線路中交直流轉(zhuǎn)換區(qū)接觸網(wǎng)分相形式可根據(jù)實(shí)際情況選用器件式分相和關(guān)節(jié)式分相。

（二）交直流轉(zhuǎn)換區(qū)兩端的牽引電壓選擇和對(duì)比

AC25kV是國(guó)內(nèi)軌道交通常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)的交流制電壓，相關(guān)設(shè)備產(chǎn)品、售后技術(shù)、維護(hù)經(jīng)驗(yàn)成熟，滿足客運(yùn)、貨運(yùn)各種需求，因此是交流區(qū)段牽引電壓可供選擇的首選。國(guó)內(nèi)城市軌道交通直流牽引電壓有DC1500V和DC750V兩種，DC1500V通常采用架空接觸網(wǎng)供電方式，DC750V通常采用三軌供電方式。為使交直流轉(zhuǎn)換區(qū)兩端供電安裝方式更好的銜接，避免三軌引起線路空間的二次增加，直流區(qū)段牽引電壓宜選擇DC1500V。

（三）交直流轉(zhuǎn)換區(qū)有、無(wú)保護(hù)措施對(duì)比

電力機(jī)車運(yùn)行經(jīng)過(guò)交直流轉(zhuǎn)換區(qū)時(shí)，機(jī)車內(nèi)部需要從一種牽引電源切換至另外一種牽引電源，為避免切換過(guò)程中既有電源殘留的影響，在交直流轉(zhuǎn)換區(qū)設(shè)置常接地區(qū)對(duì)受電弓進(jìn)行放電是非常必要的；這也是保護(hù)設(shè)備安全的必要措施。

交直流轉(zhuǎn)換區(qū)接觸網(wǎng)由4臺(tái)分相絕緣器（也可采用電氣分相形式）隔離而成，當(dāng)隔離單元出現(xiàn)故障時(shí)，設(shè)置常接地區(qū)可以引起變電所內(nèi)的保護(hù)單元啟動(dòng)進(jìn)而跳閘斷電，在保護(hù)供電設(shè)備的同時(shí)還能有效避免轉(zhuǎn)換區(qū)兩端牽引電源的直接碰撞沖突。

交直流轉(zhuǎn)換區(qū)未設(shè)置常接地區(qū)時(shí)，電力機(jī)車、供電系統(tǒng)設(shè)備的安全受到影響，為盡可能降低這些影響，電力機(jī)車經(jīng)過(guò)交直流轉(zhuǎn)換區(qū)時(shí)相關(guān)操作更加復(fù)雜。

四、應(yīng)用前景

在我國(guó)“雙流制”軌道交通的研究和實(shí)施相對(duì)國(guó)外較晚，依托已開(kāi)通的重慶軌道江跳線，研究跨域間軌道交通線路的聯(lián)接，實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)輸、不下車、不換乘。采用“雙流制”供電系統(tǒng)為軌道交通提供安全、穩(wěn)定、可靠的電力，也是早期“雙流制”系統(tǒng)的理論研究。此外，北京、廣州、成都等地正在積極探索“雙流制”軌道交通線路的深度融合問(wèn)題，這也是未來(lái)大城市向小城市拓展發(fā)展的必然選擇。

五、結(jié)語(yǔ)

“雙流制”供電系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)軌道交通交直流轉(zhuǎn)換區(qū)的應(yīng)用尚處于起步階段，而“雙流制”軌道交通在舒適度上具有明顯的優(yōu)越性。隨著我國(guó)各大城市的軌道網(wǎng)絡(luò)日趨完善，各大城市逐步向城郊延伸，將形成一種都市群效應(yīng)。

作者單位：中鐵十六局集團(tuán)電氣化工程有限公司