市域軌道交通牽引供電制式的選擇與優化

李 劍 劉孟愷 高 宏

（中鐵二院工程集團有限責任公司，610031，成都∥第一作者，高級工程師）

隨著我國城市軌道交通的迅猛發展，大型城市的軌道交通已由市區往郊區、市域延伸。如：廣州市在結合珠三角城際軌道交通建設的基礎上發展市域軌道交通，并與廣州地鐵互為補充；重慶開始規劃主城區與江津、合川等衛星城之間的市域軌道交通；成都開始研究建設兼顧市域軌道交通功能與機場快線功能的18號線、19號線。這些工程都有各自所獨有的功能定位，因此具有不同的技術標準和工程特點，在速度目標值、行車組織及運營管理、車輛編組及性能要求、站間距、換乘接駁點、線路走向、線路實施或規劃延伸長度、投資及建設運營主體等方面，均與地鐵有所區別。對這些項目的建設經驗和制式選擇進行總結，可逐漸形成市域軌道交通的相關建設標準。本文擬對其中的牽引供電制式進行重點探討。

1 牽引供電制式的比較

國內外多條市域軌道交通線路牽引供電方式見表1。

表1 國內外多條市域軌道交通線路的牽引供電制式

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

當采用集中供電方式時，交流牽引供電與直流牽引供電在系統結構上的區別十分明顯，如圖1所示。而在實際工程中，牽引供電制式還應綜合考慮具體的技術標準、線站位、行車組織及運營管理等因素。

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結構對比圖

2 牽引授流方式的比較

牽引授流方式實質上體現了電氣和機械兩個方面的特點，在滿足授流電氣需要（載流能力）的同時，由于列車的高速運行，還需要滿足授流機械作用（弓網關系）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行的速度目標值較大，牽引授流制式受機械作用（弓網關系）影響的比重明顯提高。

2.1 柔性架空接觸網

在我國的干線電氣化鐵路工程中，得到廣泛應用的柔性架空接觸網，大多采用全補償彈性鏈形懸掛和簡單鏈形懸掛。鏈形懸掛的接觸導線通過吊弦懸掛在承力索上，基本消除了接觸導線的硬點，可以滿足列車較高運行速度的要求。剛性架空接觸網主要由接觸導線、匯流排和支持裝置等構成。目前，國內外采用鏈形懸掛接觸網的線路，列車的最高試驗速度已達到500 km/h，高速客運專線設計運行速度已達到350 km/h。

2.2 剛性架空接觸網

剛性匯流排夾持接觸線，通過與受電弓的接觸滑動向列車供電。

架空柔性接觸網較剛性懸掛接觸網對高速度的適應性更好。剛性懸掛對設計、施工質量要求較高。

近年建成的瑞士Kerenzerzberg隧道剛性接觸網設計速度為160 km/h，初期試驗速度達到了185 km/h；奧地利Sittenberg隧道的剛性接觸網初期試驗速度達到了200 km/h。

2.3 不同授流方式接觸網對土建凈空的要求

在地下線路所占比例較大的情況下，交流25 kV架空接觸網在經濟上缺乏優勢。交流25 kV接觸網供電的主要特點是牽引供電工程本身造價相對較低。但是在地下建筑中,由于架空接觸網電壓較高，需要的建筑凈空高度比直流牽引條件下的凈空要高，從而會導致地下建筑土建工程造價增加15%左右［2］。市域軌道交通的土建凈空還需考慮空氣動力學效應等因素的影響。設計時速為140 km/h以上的市域軌道交通線路，接觸網和空氣動力學效應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系

3.1 市域軌道交通車輛對供電的適應性分析

根據相關市域軌道交通車輛廠家提供的資料，一旦速度目標值達到140 km/h以上，最大加速度達到1 m/s2，8輛編組列車的功率一般將達到5 000～7 000 kW。這已經超過200 km/h城際鐵路列車5 000 kW的常規水平［3］。鐵路動車組與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交流、直流供電，以及柔性、剛性授流都有較好的適應性。與直流牽引供電相比，交流牽引供電電壓較高，車輛電氣結構更為復雜，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量，節能上更具優勢。

圖2 典型鐵路動車組功率曲線

圖3 市域軌道交通8輛編組列車功率曲線示例

圖4 兩種供電接觸網饋線方式的故障影響示意圖

同時，市域軌道交通車輛對柔性懸掛的適應性好于剛性懸掛，尤其是柔性懸掛對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營成本。

3.2 供電系統故障特點及影響

市域軌道交通的服務水平要求很高，供電系統不僅要考慮正常運營的供電能力和服務水平，還應重點研究不同制式下故障服務水平和特點。

（1）主變電所的運行方式對故障產生的影響：鐵路的牽引供電系統在正常運行時，一般至少滿足越區供電范圍內1對動車組運行。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行的，服務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的正常供電，不影響列車的正常運營。市域軌道交通主變電所的設置，可根據市區運量和郊區運量的不同需求，通過技術經濟比較，合理確定故障情況下的供電能力。

（2）接觸網的饋電結構對故障產生的影響：相比直流牽引供電，采用交流牽引供電時，主變電所直接對接觸網供電，減少了環網電纜及牽引所等中間環節，簡化了供電結構，相應減少了故障率；但是，一旦交流牽引供電主導流回路發生故障，將直接引起主變電所跳閘，影響面積將擴大到整個主變電所供電臂，在供電臂中運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）授流方式對故障產生的影響：柔性架空接觸網一般采用全補償簡單鏈形懸掛，在具有更好弓網關系和更低磨耗特性的同時，也存在較多問題：①結構較復雜，運營中易產生位移或變形，維護工作量大；②故障影響范圍大，安裝調整和事故搶修復雜，需要配備較多的專業檢修設備和人員，維護費用高；③故障情況下修復時間較長，斷線可能較剛性接觸網明顯增大，斷線影響范圍至少一個錨段，恢復難度大、時間長。架空剛性懸掛則結構簡單，穩定性好，不需經常調整、維護，運營維護工作量小；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，相應的備品備件數量也較少，維護費用較低。

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

4 牽引供電方式的優化

4.1 牽引供電方式的優化

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化方案（如圖5所示）：主變電所母線不直接對接觸網供電，而是在各車站設置分段開關站；主變電所通過供電電纜（或供電線）供至分段開關站，分段開關站對接觸網供電，接觸網分段與分段開關站一致。

圖5 市域軌道交通牽引供電方式優化方案

由于電纜的輸電能力相當于相同電壓等級架空線或接觸網的7倍，電阻較低，供電距離也同比例延長［4］。上述優化方案的電纜敷設可結合35 kV環網電纜通道實施。但此方案存在著地下區段電纜通道的設置以及相對較大的投資問題。

4.2 車輛對授流方式的適應性優化

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

國際上開展的相關研究表明，主動適應式受電弓能夠較好地改善弓網關系及磨耗。

5 結語

市域軌道交通在電氣、機械兩個方面對牽引供電系統提出的要求，導致供電方式、變電設備、接觸網授流方式的變化，對車輛、土建、弱電等的接口產生較大的影響。系統制式的選擇，取決于供電系統本身的特點和相關接口的處理技術，以及經濟性。

交流牽引供電相比直流牽引供電電壓高、電能傳輸能力強、系統結構簡單，具備明顯的優勢；剛性接觸網具有載流能力強、運營可靠性高、維護簡單等特點。如果能提高受電弓的適應性，改善弓網關系以滿足市域軌道交通的速度要求，則剛性接觸網更能滿足市域軌道交通的運營特點和可靠性要求。

因此，通過優化各系統的適應性，交流牽引供電與剛性接觸網的組合，是市域軌道交通隧道區段牽引供電制式的發展方向之一。地上或高架區段若采用交流牽引供電與柔性接觸網，則應對供電分區和運行方式開展進一步的研究，優化系統接口（受電弓、土建等），以提高供電可靠性和安全性。