雙流制列車通過中性段的供電切換方案研究*

王志榮

(中鐵電氣化勘測設計研究院有限公司, 300250, 天津∥高級工程師)

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應用技術

雙流制列車通過中性段的供電切換方案研究*

王志榮

(中鐵電氣化勘測設計研究院有限公司, 300250, 天津∥高級工程師)

初步研究了重慶銅梁試驗線交直供電系統間設置的中性段供電切換方案。在線路條件允許的情況下，建議雙流制列車通過接觸網中性段時采用不停車、不降弓的車上切換方式進行供電切換。接觸網中性段位置宜選擇在地面或高架區段。

城市軌道交通; 雙流制列車; 中性段; 供電切換方案

Author′s address China Railway Electrification Survey Design & Research Institute Co.,Ltd.,300250,Tianjin China

在我國的城市軌道交通網絡中,市區域線多采用DC 1 500 V的供電制式,列車速度通常設計在100 km/h內；而市郊線采用AC 25 kV供電制式,且列車的運行速度可大于120 km/h。若郊線列車與市區線列車要實現同車站直接換乘或貫通運行,則需在交直流供電系統間設置中性段。

根據重慶市城鄉總體規劃(2007—2020年)及打造“一小時經濟圈”的城市發展戰略,重慶銅梁試驗線擬規劃建設成為新型的快速軌道交通,采用雙流制列車以實現銅梁試驗線與重慶軌道交通1號線(以下簡稱為“1號線”)的同站換乘或貫通運行[1]。

銅梁試驗線規劃分兩段建設：一段從1號線終點尖頂坡站至璧山站;另一段從璧山站至終點銅梁站。由于已開通運營的1號線采用DC 1 500 V供電制式,而銅梁試驗線采用AC 25 kV供電制式,故若要實現銅梁試驗線與1號線的同站換乘或貫通運行,就必須采用能兼容AC 25 kV和DC 1 500 V兩種供電模式的雙流制列車,同時在璧山站站前或站后區間設置交直流系統中性段,來完成對雙流制列車供電的切換。

采用雙流制列車的快速軌道交通是一種用于連接主城區與郊區、衛星城的軌道交通運營模式,在我國還沒有成功應用的先例。因此，有必要借鑒國外實用線路的經驗,對重慶銅梁試驗線雙流制列車過中性段的供電切換方案進行一些前瞻性的研究。

1 國外的運行經驗

采用雙流制列車的軌道交通運營模式源于歐洲,在德國、法國、西班牙等國家至今有二十多年的運行歷史[2]。在亞洲,日本開展地鐵與國鐵直通運營的規劃較早,東部的JR常磬線、西部的JR北陸本線等也有近二十年的運營經驗[3]。

國外雙流制列車通過中性段的供電切換方式一般有兩種,一種為地面開關切換方式;另一種為列車開關切換方式,包括列車降弓和不降弓通過中性段兩種方式。

1.1 地面開關切換方式

該方案中，接觸網中性段設在車站內,其長度大于一列列車的長度。接觸網既要滿足交流電源供電要求,也要滿足直流電源供電要求。列車在中性段內通過地面開關和列車交直流回路的切換來完成交直流供電的切換。圖1為日本JR線黒磯站內中性段地面切換方案示意。該方案在國外使用較少,日本也僅此1處。

圖1 日本JR黒磯站中性段切換方案示意圖

1.2 列車開關切換方式

列車開關切換時通過地面的信號設備、計軸設備及調度員、駕駛員等的相互配合,通過列車自身開關的切換,來完成交直流系統對列車供電的切換。列車開關切換方式包括列車降弓和不降弓通過中性段2種方式。

1.2.1 列車不降弓方式

列車不降弓通過中性段的切換方式有較多應用。在歐洲比較典型的有德國漢堡的“S-Bahn”系統,在亞洲日本的筑波線也比較有代表性。

德國漢堡“S-Bahn”的雙流制線路中,設有AC 15 kV和DC 1 200 V的接觸網中性段。列車過中性段的供電切換方式如圖2所示。以從直流側至交流側為例,列車在第1個受電弓通過“a”位置的分段絕緣器前首次切斷直流供電；列車滑行通過“a—b”中性分段、“b—c”接地分段、“c—d”中性段、“d—e”接地分段和“e—f”中性分段；當列車完全通過“f”位置時,開啟交流供電。這樣列車可不停車、不降弓直接通過中性段,完成交直流供電的轉換[1]。

日本的筑波線于2005年8月投入運行，采用TX2000型雙流制列車,其最高運行速度130 km/h。在守谷站至未來平站間高架區間設置了AC 20 kV和DC 1 500 V接觸網中性段。

圖2 德國“S-Bahn”系統中性段切換方案示意圖

列車從直流側至交流側的供電切換方式如圖3所示。列車加速到達A點時,通過聲音及顯示器通知駕駛員接近中性區段。列車到達B點時通過地面設施自動打開列車真空斷路器,進行車上電路的交直流切換。列車到達C點時駕駛員確認切換狀態;在自動切換不成功的情況下,駕駛員可進行手動切換。然后列車惰行通過“D—E”中性區段,待列車檢測到交流電源后,投入真空斷路器。這樣列車可不停車、不降弓通過中性段,完成交直流供電的轉換[4]。

1.2.2 列車降弓方式

在西班牙馬德里—塞維利亞的線路上設有一處AC 25 kV與DC 3 kV接觸網中性段。其中性段供電切換示意如圖4所示。當列車通過中性段時,通過司機必要的轉換操作,使列車降弓通過中性段[5]。

圖3 筑波線中性段供電切換示意圖

圖4 馬德里-塞維利亞線中性段供電切換示意圖

2 國內現狀

在國內雖然還沒有采用雙流制列車成功運行的軌道交通線路,但也有一些相關的研究成果。如中國南車株洲電力機車有限公司為南非“窄軌”鐵路研制的雙流制22E型電力機車已成功下線。這標志著我國雙流制電力機車裝備的制造技術已經成熟[6]。國內新建的水廠礦區至曹妃甸港區專用鐵路(采用AC 27.5 kV)與既有卑水線(采用DC 1 650 V)在木廠口站接軌,并在木廠口站設置交直流系統轉換場的方案。國內也有對其相關的研究[7]。

隨著我國軌道交通的發展,地區鐵路與城市軌道交通連接的需求已經出現。例如，上海軌道交通11號線規劃延伸到江蘇省的昆山市,且不排除今后與地區鐵路連接;廣東省也開始規劃珠三角城際軌道交通與廣州、深圳地鐵的兼容問題[8]。另外,國家發展與改革委員會和交通運輸部于2015年12月8日聯合發布了《京津冀協同發展交通一體化規劃》,提出了建設“軌道上的京津冀”的設想：未來,京津冀地區將形成以干線高鐵、城際鐵路、區域快線、地鐵為支撐的四個層次的軌道交通網。因此,采用雙流制列車的軌道交通運營模式在我國將會有很好的應用前景。

3 銅梁試驗線方案

3.1 主要技術條件

(1) 線路：尖頂坡站至璧山站線路長約5.9 km,其中地下隧道(縉云山隧道)區段長約3.6 km。璧山站至銅梁站線路長約30.8 km,其中68%為地面和高架線路。

(2) 行車與車輛：車輛采用新型雙流制電動車組,采用6輛編組(4動2拖),最高運行速度為130 km/h。列車通過中性段的惰行速度初定為100 km/h。

(3) 供電制式：尖頂坡站至璧山站采用DC 1 500 V架空接觸網供電制式。璧山站至終點銅梁站采用AC 25 kV架空接觸網供電制式。

(4) 信號：與1號線信號系統兼容。

3.2 列車的切換方式

根據前面的介紹,德國與西班牙的雙流制線路中性段均采用車上切換方式,且中性段都設置了接地分段,以防止列車自動切換失敗帶電進入中性段時對車輛和接觸網系統造成損壞。中性段長度均要大于1列列車的長度,且接觸網無電區較長,地面設施較多,接觸網結構較復雜。

日本的雙流制線路中性段長度不需要大于1列列車的長度,接觸網無電區較短,只有幾十米,結構簡單,設置位置靈活,且不需要設置地面開關,造價相對也低。

由于銅梁試驗線的主要技術條件與日本筑波線有頗多相似之處,故雙流制列車過中性段切換方式可參考日本筑波線的經驗,采用車上切換方式。

3.3 中性段的設置位置

根據線路專業提供的資料,尖頂坡站至璧山站間的線路60%為地下隧道線路,不宜設置中性段。因此僅研究璧山站后設置中性段的可行性。

根據日本筑波線的經驗,首先要計算列車出站加速段所需距離、惰行過程中列車完成交直流切換所需安全距離、中性段無電區的長度、過中性段后完成切換所需距離等。另外，參考電氣化鐵道相關標準，接觸網分相裝置不宜設在大于6‰的大坡道上,再考慮線路曲線半徑等因素，綜合確定中性段的設置位置。

根據行車、車輛資料進行的初步計算,列車從完成加速開始惰行,到通過中性段后合上主斷路器，整個切換過程需要的距離不小于900 m。根據銅梁試驗線線路資料,接觸網中性段可設置在璧山站后區間地面及高架段。在實際的工程設計中,可根據具體的計算參數來確定中性段的具體里程。

3.4 中性段接觸網設置方案

研究接觸網中性段的方案,首先要確定中性段無電區需要的長度,然后確定中性段接觸網的懸掛類型。

3.4.1 中性段無電區長度

中性段無電區的長度與列車交直流回路切換的動態過程密切相關。由于缺少國內雙流制列車的具體資料,故以日本雙流制列車為例,簡要介紹切換的動態過程。列車在交流供電模式下的主回路原理示意圖如圖5所示。列車在直流供電模式下的主回路原理示意圖如圖6所示。

圖5 列車交流供電主回路示意圖

列車通過中性段時,存在受電弓主斷路器分、合閘及車內交直流回路切換等暫態過程。

當列車從交流側至直流側時,列車出站加速進入穩定運行狀態,進入惰行區后主斷路器分閘,切除空載變壓器時會產生截流過電壓。在惰行工況下,電動機作為發電機在使用，整流器與逆變器之間進行能量交換。由于列車內部有大量的儲能元件,故其中的暫態過程非常復雜。雙流制列車進入直流區段合閘時,直流電流中還會產生交流分量等。

圖6 列車直流供電主回路示意圖

當列車從直流側至交流側時,列車從出站加速進入直流穩定運行狀態，進入惰行區主斷路器分閘，惰行工況下電動機同樣作為發電機使用。中間的過渡過程與交流側至直流側相似,但是四象限整流器投入后從暫態啟動到穩定的過程比直流電源投入復雜得多。同時,由于切換過程中直流回路穩壓電容的放電、充電等因素,其暫態過程比交流側至直流側時更復雜，需要的切換時間也更長。從直流側至交流側中性段的長度一般也要大于從交流側至直流側長度。對于列車交直流切換過程的暫態分析,國內已有相關的研究[9]。

中性段無電區的長度與列車通過速度、受電弓參數、列車主斷路器分合時間、列車交直流回路切換時間、異電源檢測時間等特性有關。在實際的工程設計中，中性段無電區的長度應根據車輛專業提供的具體參數進行計算確定,有條件時進行必要的試驗驗證。

3.4.2 中性段接觸網的懸掛方案

交直流系統間的接觸網中性段類似于電氣化鐵道的中性段(又稱電分相)。因此,可借鑒電氣化鐵道電分相技術,設置關節式中性段或器件式中性段。

3.4.2.1 關節式接觸網中性段

關節式接觸網中性段為1個獨立的錨段,與兩端接觸網電氣絕緣。設置關節式中性段時,可參考電氣化鐵道接觸網常用的七跨式、八跨式及九跨式等幾種電分相方案。

以七跨式關節中性段方案(如圖7所示)為例,當跨距為45 m時,中性區長度約為75 m。中性區(無電區)長度可隨跨距的增加進行調整。該方案要求受電弓有足夠的工作寬度,以滿足關節處的空氣絕緣間隙要求。

圖7 七跨式關節中性段示意圖

3.4.2.2 器件式接觸網中性段

器件式接觸網中性段為一個錨段中的一部分,通過安裝分段絕緣器,將中性段與其兩側的接觸網電氣絕緣。雙流制列車的運行速度一般小于160 km/h,器件式中性段可采用電氣化鐵道接觸網傳統的分相絕緣器[10]。

分相絕緣器由3個絕緣棒組成,且在導線上有6個接頭(如圖8所示)。分相絕緣器總長約為30 m,無電區長度可通過增減絕緣棒數量來調整。器件式中性段接觸網懸掛方案對受電弓工作寬度無特殊要求。銅梁試驗線直流側至交流側的接觸網中性段可按圖9所示方案設置。交流側至直流側的接觸網中性段可按圖10所示方案設置。

圖8 器件式中性段示意圖

圖10 銅梁試驗線交流側→直流側接觸網中性段方案圖

3.5 列車通過中性段切換方式

銅梁試驗段列車從直流側行駛至交流側時,其供電切換方案如圖11所示。

圖11 銅梁試驗線中性段供電切換方案示意圖

列車出璧山站后經過長約800 m的加速段,并在A點處速度達到100 km/h。在A點處設置標識,并配合信號系統,可通過聲音及顯示器通知駕駛員已經接近中性區,應保持100 km/h勻速駕駛。

當列車到達B位置時,可通過信號系統或地面設施向列車發出信號,自動打開列車主回路斷路器,并進行車內交直流回路的切換。

BC段內駕駛員對主回路斷路器狀態及車內交直流回路切換狀態進行確認。確認列車交直流回路切換成功后,列車惰性通過CD段。若自動切換不成功時,在CD段內,駕駛員應完成手動操作切換。

在D點處設置警示標識。列車以無負荷狀態惰行通過中性段DE段。列車通過中性段DE時不同受電弓會同時檢測到直流、交流兩種電源信號,列車需保持主斷路器分閘狀態。

在F點設置警示標識。只有當列車完全通過E點,且在EF段內列車檢測到受電弓上全部為交流電源后,再通過F點時確認信號,向列車發出投入主斷路器信號。列車開始加速前行。

至此,列車通過中性段完成。從交流側駛向直流側時的切換原理與此相同。

4 結語

雙流制列車通過中性段的供電切換方案是需要多專業配合才能完成的系統性方案,需要供電、行車、車輛、線路、信號等專業的密切配合。

在線路條件允許的情況下,雙流制列車通過接觸網中性段的供電切換建議采用不停車、不降弓的車上切換方式。

接觸網中性段位置宜選擇在地面或高架區段,以有利于地面信號設備的設置及司機對安全標識的確認,同時便于日常的運營維護管理。

銅梁試驗線的中性段方案是基于工可階段的基礎數據確定的。對于其它地區的不同線路情況,可參照上述的分析方法,但數據未必適用。

[1] 德國ILF工程咨詢公司,德國漢堡咨詢公司,重慶市軌道交通(集團)有限公司.中德金融合作項目重慶“都市快軌”(S-Bahn)銅梁試驗線工程可行性研究報告[R].重慶:重慶市軌道交通(集團)有限公司,2012.

[2] 閏小勇,張萬勝.關于我國發展輕軌與鐵路共軌運行系統的探討[J].石家莊鐵道學院學報,2003,16(4):34.

[3] 明瑞利,葉霞飛.東京地鐵與郊區鐵路直通運營的相關問題研究[J].城市軌道交通研究,2009(1):21.

[4] 中央復建工程咨詢株式會社,日本地下鐵協會.日本的交直流切換運行及交直流兩用電車技術[R].重慶:重慶市軌道交通(集團)有限公司,2013.

[5] (德)Kieβling,Pusschman,Shmieder.電氣化鐵道接觸網[M].中鐵電氣化局集團有限公司譯.北京:中國電力出版社,2004:316.

[6] 陽建.中國專門為南非研制的“雙流制”電力機車下線[EB/OL].(2015-04-10)[2016-01-06].http:∥news.xinhuanet.com/2015-04/10/c_1114930989.htm.

[7] 晉鈺,楊振龍.交直流轉換場牽引供電系統技術研究[J].電氣化鐵道,2012(3):20.

[8] 謝維達.多流制列車及其在我國的應用前景[J].城市軌道交通研究,2010(3):特約時評.

[9] 徐愷.雙流制電力機車供電模式切換過程暫態特性研究[D].湖南:湖南大學電氣與信息工程學院,2014.

[10] 中華人民共和國鐵道部.25 kV電氣化鐵道接觸網用分相絕緣器:TB/T 3037—2002[S].北京:中國鐵道出版社,2002.

“巴鐵”將在秦皇島市進行試運行

由中國原創發明的新型公共交通工具“巴鐵”模型車將于今年8月亮相，并將在秦皇島市進行試運行。 “巴鐵”又稱為“寬體高架電車”，是一種集城市快速公交(BRT)與地鐵優點于一身的發明。車身總長度為58～62 m，總高度為4.5～4.7 m，寬為7.8 m，分上下兩層，上層載客，下層鏤空。鏤空底層高度為2.1～2.2 m，無論靜止還是行駛，2 m以下的小汽車均可自由通行。在行駛中，小汽車與“巴鐵”互不干擾，有效避免了現有傳統公交車和小汽車爭路的現狀。“巴鐵”行駛速度為60～80 km/h，較一般公交快。它可與設在路邊的公交站或天橋對接，無論是直行、停站，都不會影響底下汽車的通過。“巴鐵”綜合造價約2 000萬美元/km，僅為地鐵造價的16%～20%，建設施工周期為地鐵的20%。據計算，每輛“巴鐵”可代替40輛普通燃油公交大巴，大大減少城市空氣污染及碳排放。據巴鐵科技發展有限公司董事長白志明介紹，早在2010年“巴鐵”的理念提出后，就被美國《時代周刊》報道并逐漸受到人們關注，作為中國自主研發的新型公共交通工具，第一個“巴鐵”模型車正在江蘇生產中，將于7月底前完成，并將在秦皇島市試運行。此外，除了秦皇島，河南省周口市規劃了120 km的“巴鐵”專用線，該公司還與尼日利亞、巴西、墨西哥、西班牙、印度尼西亞和阿根廷簽訂了意向協議。

(摘自2016年5月26日中新網，記者 李茜報道)

Power Supply Switching Scheme for Dual-current Vehicle Passing the Pantograph Neutral Section

WANG Zhirong

Based on a preliminary study on the power supply switching scheme on the neutral section of AC and DC power supply system for Chongqing Tongliang Testing Line, a new power switching scheme is proposed that when a dual-current vehicle passes the pantograph neutral section, the train will neither stop nor lower the pantograph, and the location of pantograph neutral section should be set on the ground or in the elevated sections.

urban rail transit; dual-current system train; neutral section; power supply switching scheme

*重慶市科技攻關項目(cstc2012ggC30001)

U 223.5+1

10.16037/j.1007-869x.2016.06.026

2016-01-14)