市域軌道交通供電系統設置電分相對于相關專業的影響分析

鄧志翔

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，430063，武漢//高級工程師)

0 引言

我國首條真正意義上的市域軌道交通——溫州市域軌道交通S1線西段工程的開通試運營[2]，意味著以中心城區與外圍新城或組團城區之間通勤為目的的市域軌道交通模式得到了成功驗證。市域軌道交通具有更大的站間距、更高的速度目標值、“1 h都市圈概念”、公交化運營[3]等需求；相比較傳統的地鐵工程項目，市域軌道交通的建設周期更短、單位工程造價更低，對城市的可持續發展、資源的利用以及生態環境的保護都具有重要意義。

從牽引方式上看，市域軌道交通的建設一般分為兩種制式，即交流制式和直流制式。目前，以溫州市域軌道交通S1—S3線、臺州市域軌道交通S1—S3線及滁寧城際鐵路等為代表的市域軌道交通項目均采用交流制式，以寧高城際、蘇州軌道交通S1線、錫澄靖城際軌道交通錫澄段工程及鄭州機場至許昌市域鐵路等為代表的項目均采用直流制式。

交流牽引方式下，其單一主變電所的供電臂可以滿足15～20 km的供電需求，供電系統的整體投資相對直流供電系統更為經濟。然而，由于三相交流電的相位特性，不同相位的交流電之間會形成短路電流，因此必須設置電分相將兩個主變電所供電臂之間的不同相位的電流間隔開。

電分相中的“中性區”，又稱為“無電區”，即當列車行駛在“無電區”時，其牽引系統無法工作。此時，若列車進入“無電區”的初始速度過低，則可能出現列車無法通過自身慣性沖出“無電區”，從而導致列車“掉進”電分相無法駛出。一旦出現上述故障，后續列車也難以作為救援車輛，將失電列車從電分相中推出或拉出；一般只能等待內燃機車從車輛基地內進入正線然后趕往電分相區段，通過內燃機車連掛處理，將失電列車救援出來。這樣處理該類故障的時間將會變長，甚至會造成運營中斷，對于市域軌道交通的正常運營影響極大。

市域軌道交通中，列車的運行都是通過信號系統的控制來實現的。一般信號系統都會配置ATO(列車自動運行)子系統[4]，車載ATO信號系統在ATP(列車自動保護)子系統的保護下，控制列車的牽引和制動，保障列車的運行安全和線路的運營效率。

因此為了規避出現列車因過電分相速度不足而“掉進”電分相的事故，信號系統的設計過程中，應充分考慮電分相的設置位置對于行車能力的影響，同時要確保列車在進入電分相之前有足夠的速度和動能以沖過電分相區域。

1 電分相控制區域的構成

根據TB/T 3197—2018《列車過分相系統車載控制自動過分相裝置》，針對設計速度為250 km/h以下的工程線路，列車通過感應軌枕上預埋的磁鋼，控制牽引電機的“斷”和“合”，并利于列車的慣性沖過電分相區域。整個電分相控制區域有4個磁鋼G1—G4，分布于“中性區段”兩側，如圖1所示。

圖1 電分相軌枕磁鋼預留示意圖

由圖1可知:

1)當列車車載磁鋼接收裝置越過G1磁鋼時，列車進入預告模式，列車控制牽引電機電流平穩下降至零，此時斷開輔機系統，最后分斷主斷路器。

2)當列車車載磁鋼接收裝置越過G2磁鋼時，列車接收到迫斷信號。若列車已經接收到預告信號并按預告模式處理完畢，則接收到的迫斷信號不起作用；否則，列車封鎖牽引電機電流，并立即分斷主斷路器。

3)當列車車載磁鋼接收裝置越過G3磁鋼時，列車接收到“恢復1”信號。

4)當列車車載磁鋼接收裝置越過G4磁鋼時，列車接收到“恢復2”信號。

其中，“恢復1”和“恢復2”信號都可以使得車輛控制單元進入恢復模式，在該模式下發出“合主斷”指令，并控制輔機系統重新啟動，待輔機系統啟動完畢后，將牽引電機電流恢復到過電分相之前的工況。通常情況下，“恢復2”作為“恢復1”信號的備份，即當車載磁鋼接收裝置越過G3磁鋼并接收到“恢復1”信號時，車輛控制單元立即進入恢復模式；另一方面，G4磁鋼也作為列車反向運行時的預告分斷主斷路器的磁鋼。

根據《列車過分相系統車載控制自動過分相裝置》規定，通常a取35 m，b取170 m。另外L主要根據線路上運營列車的雙弓間距進行確定，即需保證其大于雙弓間距。

目前，以溫州市域鐵路S1線為例，L取180 m，正常情況下，列車失電惰行的距離(G1至G3磁鋼之間的距離)為420 m；然而在最不利情況下，即列車越過G3磁鋼時未能“合主斷”，在越過G4磁鋼時才實現恢復主斷功能，列車失電惰行的最長距離(G1至G4磁鋼之間的距離)為590 m。

2 電分相對于相關專業的影響

一般情況下，市域軌道交通線路縱斷面的最大坡度為20‰，困難情況下不超過30‰。根據基礎物理模型可知，在不同坡度、不同初始速度條件下，列車最大惰行距離如表1所示。

表1 各種工況下列車的最大惰行距離

表1中的計算結果與文獻[5]中的計算結果吻合，由表1中的數據可知，電分相所處線路的坡度不宜大于10‰，且進入電分相的入口速度不宜小于40 km/h。

對于駕駛列車而言，若采用完全人工駕駛模式，司機應保障列車進入電分相的速度不小于40 km/h；若列車處于ATO控車模式下，建議列車進入電分相的入口速度不宜小于60 km/h。

2.1 電分相處信號機的設置原則

在電分相前后設置信號機，信號機的布局如圖2所示。

圖2 電分相處信號機布局

信號機的設置原則，需滿足以下條件：

1)ATO模式下，列車在X1信號機前啟動，直至行駛到G1磁鋼處，此時列車的運行速度不應小于60 km/h。根據交流市域動車組的牽引能力曲線(見圖3)可知：當車速為0～40 km/h時，加速度為恒定值0.8 m/s2；當車速為40～140 km/h時，加速度不斷減小；當車速為60 km/h時，加速度約為0.5 m/s2。通過計算可知，在10‰坡道上，當列車從0加速至60 km/h時，列車行駛距離約250 m，那么X1信號機與G1磁鋼的距離不應小于250 m，即L1≥250 m。

圖3 牽引能力曲線

2)列車沖過電分相之后，若需在X2信號機前停車，必須保障列車自動過分相停車后，至少有1個弓能受電。按照最不利情況考慮，G4磁鋼與X2信號機的距離不應小于1列列車車長。以溫州市域鐵路S1線為例，1列遠期列車車長為140 m，即L2≥140 m。

2.2 電分相對于最小站間距的影響

市域軌道交通的平均站間距一般不小于2.5 km，但考慮到城市站點布局，市區部分設站會相對密集，即市區內的站間距較小；市郊部分設站相對稀疏，即市郊區域的站間距較大。正常情況下，建議電分相設置在站間距較大的區間，則列車在該區間運營調整的余量較大，有利于列車運營及節能運行。但電分相的設置受到主變電所地理位置、供電臂長度及行車密度等因素影響，不排除電分相必須設置于較小站間距的區間，則對于設置電分相的最小站間距則有一定的要求。區間組成具體要求如下：

1)電分相區段的線路縱斷面坡度不宜大于10‰，一般設置在平坡地段為宜；

2)最小站間距的設備布局如圖4所示，其中X1信號機距離G1磁鋼不小于250 m，G4磁鋼距離X2信號機不小于140 m；

3)考慮到站臺長度為140 m，則L3為70 m；

4)站臺1的站臺端距出站信號機X1的距離L4不小于5 m，進站信號機[6]X2距站臺2的站臺端的距離L5不小于8 m。

圖4 區間信號布點示意圖

綜上所述，在10‰上坡道條件下，設置電分相的最小站間距的長度為1 133 m。若反向行車時，即列車處于下坡道的情況下，即使G4磁鋼與站臺2的距離較小，列車在自身重力加速度下亦可完成惰行通過電分相。

2.3 節能坡對于電分相的影響

從工程實例出發，考慮到市域軌道交通一般采用的是高架和地面線路。若站間距較小時，區間節能坡[7]效應更加明顯，如圖5所示。

圖5 節能坡示意圖

由于雙線線路上下行區間的電分相一般為同坐標設置，因此電分相的設置應滿足：

1)不宜設置電分相在出站緩坡和進站緩坡上，因為出站緩坡和進站緩坡的長度一般較短，距離車站較近，且列車進站時經過節能坡減速后的速度較低，容易出現列車無法惰行通過電分相的事故。

2)電分相不宜設置在節能坡加速和減速區域，該區域內的縱斷面坡度較大，不利于列車惰行通過電分相。建議電分相設置在后續緩坡上，該區域內的縱斷面坡度較小，且列車運行至該區域的速度較高，具有足夠的速度可保證惰行通過電分相。

3 結語

交流供電制式在以高架和地面為主的市域軌道交通項目中，相對于傳統城市軌道交通的直流供電制式具有一定的造價成本優勢，然而交流供電制式所帶來的電分相對于區間行車存在一定的影響。為最大程度上減少電客車“掉進”電分相的風險，通過理論計算，分析得出了電分相所處區間的最大坡度值、最小站間距，以及電分相兩側的信號布點原則。其結論可以作為工程設計之初主變電所選址、站點及電分相設置及區間縱斷面坡度設計的參考依據，亦可作為信號專業在電分相處的布點設計依據。