突發(fā)災(zāi)害下城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)的適用性分析

林 珊 王洪杰

(廣州地鐵設(shè)計研究院股份有限公司， 510010， 廣州∥第一作者， 正高級工程師)

城市軌道交通作為大容量的公共交通工具，在突發(fā)災(zāi)害下其供電系統(tǒng)的適用性關(guān)系到列車的運(yùn)行、人員的疏散和環(huán)境的安全等關(guān)鍵問題。目前,對城市軌道交通供電系統(tǒng)正常方式下的供電可靠性的研究相對較多，如文獻(xiàn)[1]通過仿真計算的方法對配電網(wǎng)進(jìn)行可靠性評估，文獻(xiàn)[2-3]給出了提高配電網(wǎng)可靠性的方法和措施。以上研究多關(guān)注城市軌道交通供電系統(tǒng)在正常運(yùn)行方式下的可靠性分析，較少涉及在突發(fā)災(zāi)害下的適用性研究。

本文以廣州地鐵13號線為例，分析了“5.22”特大暴雨災(zāi)害對個別變電所牽引供電設(shè)備造成極其嚴(yán)重?fù)p壞情況下的供電系統(tǒng)供電能力和適用性，并結(jié)合后續(xù)恢復(fù)運(yùn)營及搶險救災(zāi)的過程，對城市軌道交通運(yùn)營牽引供電系統(tǒng)抗災(zāi)救災(zāi)給出相應(yīng)的建議。

1 廣州地鐵13號線牽引供電系統(tǒng)概況

廣州地鐵13號線(首期工程)線路全長約27.03 km，共設(shè)置11座地下車站。其在官湖站南側(cè)設(shè)置1座車輛段(含運(yùn)營控制中心)，設(shè)置2座主變電所(墩美和官湖)；采用A型車8輛編組，最高運(yùn)行速度為100 km/h。當(dāng)前開通試運(yùn)營期,行車對數(shù)為8對/h。供電系統(tǒng)采用110/33 kV兩級電壓制的集中供電方式，牽引供電系統(tǒng)采用直流1 500 V供電;全線所有車站及車輛段設(shè)置牽引降壓混合變電所，采用架空接觸網(wǎng)供電。

2 突發(fā)災(zāi)害下廣州地鐵13號線牽引供電系統(tǒng)的適用性分析

2.1 突發(fā)洪水災(zāi)害概況

2020年5月21日，廣州市突降特大暴雨，新塘鎮(zhèn)3 h最大降雨量達(dá) 297 mm。大量水體聚集形成局部地區(qū)洪水，致地鐵車站周邊路面水深最大達(dá) 1.85 m。受此影響，廣州地鐵13號線官湖站和新沙站等車站外出現(xiàn)區(qū)域性水淹，導(dǎo)致洪水倒灌至官湖站、新沙站及新塘站—官湖站、官湖站—新沙站區(qū)間隧道，短時間內(nèi)淹沒了官湖站、新沙站及部分區(qū)間隧道。廣州地鐵13號線自5月22日起全線暫停運(yùn)營。5月29日起，魚珠—沙村段恢復(fù)對外單一交路運(yùn)營;6月13日起，官湖—新沙段全線恢復(fù)對外運(yùn)營。

2.2 受損牽引供電系統(tǒng)供電能力分析

由于廣州地鐵13號線客流量較大，在完成車站及區(qū)間抽水后應(yīng)盡快恢復(fù)對外運(yùn)營，以減小社會影響。鑒于官湖站、新沙站兩站變電所供電設(shè)備受損嚴(yán)重，短時間內(nèi)難以修復(fù)或更換，在對接觸網(wǎng)完成清潔檢修之后，暫不具備雙邊供電條件，僅存在大單邊運(yùn)行可能性，故按此方式對其供電能力進(jìn)行核算并做適用性分析。

2.2.1 牽引供電能力核算原則

1) 直流牽引供電系統(tǒng)的電壓及其波動范圍應(yīng)符合表1的規(guī)定[4]。

表1 直流牽引供電系統(tǒng)的電壓及其波動范圍

2) 正常雙邊供電運(yùn)行時，站臺處走行軌對地電位不應(yīng)大于120 V，車輛基地庫線走行軌對地電位不應(yīng)大于60 V。當(dāng)走行軌對地電壓超標(biāo)時，應(yīng)采取短時接地措施。

3) 非故障區(qū)段(魚珠站—新塘站)，按正常運(yùn)行速度及發(fā)車間隔(高峰期8對/h)正常運(yùn)行。

4) 故障區(qū)段(新塘站(不含)—新沙站)按以下臨時供電運(yùn)行方式分別進(jìn)行核算：①新塘車輛段牽引變電所向線路末端大單邊支援供電；②官湖車輛段牽引變電所向正線支援供電(出入線正線接入點位于官湖站)，與新塘牽引變電所構(gòu)成雙邊供電，同時向新沙站方向單邊支援供電。

5) 在上述供電運(yùn)行方式下，故障區(qū)段(新塘站(不含)—新沙站)按以下列車運(yùn)行方式分別進(jìn)行核算：①在無法滿足水淹前正常運(yùn)行高峰期8對/h的行車間隔時，行車對數(shù)從8對/h起逐級核減；②在無法滿足正常運(yùn)行列車最高運(yùn)行速度100 km/h時，最高運(yùn)行速度從100 km/h起逐級核減。

2.2.2 牽引供電能力核算結(jié)果

1) 廣州地鐵13號線列車采用8節(jié)A型車編組，最高運(yùn)行速度為100 km/h。根據(jù)車輛參數(shù)，單列車最大起動電流約為5 700 A。新塘站—新沙站區(qū)段若按最高速度100 km/h運(yùn)行，當(dāng)該區(qū)段內(nèi)只有1列車運(yùn)行，并考慮該列車在最遠(yuǎn)端的新沙站起動且新塘站向新沙站單邊(約5 km)供電時，剛性接觸網(wǎng)及鋼軌上造成的電壓損失約為660 V。新塘車輛段牽引變電所整流機(jī)組的空載電壓實際值為1 630 V，即使以該電壓值壓降核算，亦無法滿足列車在新沙站末端啟動的需求;同時新塘站—白江站方向的牽引負(fù)荷將進(jìn)一步壓低新塘車輛段牽引變電所直流母線的電壓,即新塘車輛段牽引變電所向線路末端單邊支援供電無法支撐1列車以最高運(yùn)行速度100 km/h運(yùn)行。故列車運(yùn)行只能采取從100 km/h起逐級核減最高運(yùn)行速度的方式核算。

2) 為減小列車起動時的最大起動電流，應(yīng)避免列車達(dá)到最大起動電流速度值。經(jīng)與車輛廠家溝通得知，廣州地鐵13號線8A編組列車的最大起動電流出現(xiàn)在列車加速到約45 km/h時,在新塘向新沙大單邊供電的工況下，車輛應(yīng)限速在45 km/h以下。同時，由于新塘站—新沙站區(qū)段長約5 km，為避免此區(qū)段內(nèi)同時出現(xiàn)2列車在此供電臂內(nèi)運(yùn)行而導(dǎo)致牽引網(wǎng)網(wǎng)壓進(jìn)一步被拉低，應(yīng)加大行車間隔使此區(qū)段在同一時刻內(nèi)僅有1列車運(yùn)行。按照最高限速值為40 km/h粗略估算，1列車由新塘站勻速運(yùn)行至新沙站并折返至新塘站約用時15 min，因此核算此區(qū)段行車對數(shù)最大為4對/h，最高行車速度應(yīng)不高于40 km/h。

(1) 新塘站—新沙站區(qū)段按4對/h的發(fā)車間隔并限速運(yùn)行，仿真核算結(jié)果顯示其末端牽引網(wǎng)網(wǎng)壓可以得到大幅改觀(具體結(jié)果見表2)。由計算結(jié)果可知:限速40 km/h時，末端最低網(wǎng)壓已跌至接近1 000 V;同時考慮新塘站—白江站方向牽引負(fù)荷波動，限速40 km/h運(yùn)行時存在牽引網(wǎng)網(wǎng)壓跌至1 000 V以下的風(fēng)險。通過以上計算分析，新塘車輛段牽引變電所向線路末端采用大單邊支援供電時，在新塘站—新沙站區(qū)段車輛限速35 km/h的情況下,可保證4對/h的行車需求。但此時鋼軌電位高達(dá)180 V，存在一定運(yùn)行風(fēng)險。

表2 不考慮列車限功限流的計算結(jié)果

圖1為列車限流示意圖。由圖1可知,列車在牽引網(wǎng)網(wǎng)壓偏低時將自動限流或限功以降低加速度。結(jié)合車輛廠家有關(guān)數(shù)據(jù)可知，廣州地鐵13號線列車限流或限功的牽引網(wǎng)網(wǎng)壓范圍為1 000～1 350 V。

注：Imax——列車牽引電流最大值;I輔助——列車輔助負(fù)荷電流;Umin——牽引網(wǎng)最低非持續(xù)電壓;Un——系統(tǒng)拐點電壓;Umax——牽引網(wǎng)最高非持續(xù)電壓。

(2) 新塘站—新沙站區(qū)段按4對/h發(fā)車間隔并限速運(yùn)行，同時考慮列車在牽引網(wǎng)網(wǎng)壓偏低時自動限流或限功。經(jīng)進(jìn)一步仿真計算，其結(jié)果如表3所示。由表3可知，采取降速措施后，牽引網(wǎng)網(wǎng)壓得到了一定改善，基本可滿足列車正常運(yùn)行的要求。但在車輛限速40 km/h工況下，新沙站鋼軌電位仍高達(dá)139 V。考慮到官湖站和新沙站的鋼軌電位泡水后無法正常工作，為保證乘客安全，列車運(yùn)行最高速度宜取35 km/h。廣州地鐵根據(jù)13號線區(qū)間搶險完成后動車試驗結(jié)果顯示，按照以上限速和行車對數(shù)測試時，牽引網(wǎng)壓基本維持在1 300～1 400 V，基本與仿真結(jié)果一致。

表3 考慮列車低壓限功限流的計算結(jié)果

3) 官湖車輛段接入正線官湖站，當(dāng)該車輛段向正線支援供電時，可在一定程度上改善牽引網(wǎng)電壓及鋼軌電位;但由于經(jīng)出入段線供電時供電距離長約2 km，對正線末端網(wǎng)壓改善效果有限，同時會引起車輛段咽喉區(qū)的軌電位升高。本線在設(shè)計之初，由于正線供電質(zhì)量良好，未考慮車輛段向正線支援供電能力的需求，因此官湖車輛段出入段線的載流能力未考慮支援正線的工況。官湖站右線連接出段線，出段線接觸網(wǎng)為剛性接觸網(wǎng)連接雙承雙導(dǎo)接觸網(wǎng)，雙承雙導(dǎo)接觸網(wǎng)直接架設(shè)至試車線上網(wǎng)電纜處，支援正線時的電流通路不會受到接觸網(wǎng)載流量的限制；官湖站左線連接入段線，入段線接觸網(wǎng)為剛性接觸網(wǎng)連接雙承雙導(dǎo)接觸網(wǎng)，雙承雙導(dǎo)在咽喉區(qū)處即轉(zhuǎn)換為單接觸線;單接觸線連接上網(wǎng)電纜，車輛段支援正線工況下的接觸網(wǎng)載流量需求在650 A以上，單接觸線載流量無法滿足要求，則需將車輛段入段線路徑上的部分供電分區(qū)并聯(lián)(即短接咽喉區(qū)部分分段絕緣器)，以加大入段線至上網(wǎng)電纜處的接觸網(wǎng)載流截面。由于此方案存在實施難度較大及擴(kuò)大事故范圍的問題，因此，不推薦采用官湖車輛段牽引變電所向正線支援供電的方式。

3 突發(fā)災(zāi)害后廣州地鐵13號線供電系統(tǒng)的供電恢復(fù)

“5.22”特大暴雨災(zāi)害發(fā)生后，廣州地鐵統(tǒng)籌各方物資及相關(guān)單位，秉承“先通后復(fù)”的原則，積極開展搶險恢復(fù)工作。供電專業(yè)根據(jù)運(yùn)營恢復(fù)供電需求對供電設(shè)備按輕重緩急逐步恢復(fù)，主要搶險措施及方案如下。

3.1 變電設(shè)備恢復(fù)

根據(jù)各用電設(shè)備恢復(fù)供電的迫切性，結(jié)合備品備件和設(shè)備采購情況，排列出設(shè)備恢復(fù)優(yōu)先等級：首先,組織完成恢復(fù)官湖站、新沙站0.4 kV供電系統(tǒng)，為車站內(nèi)重要負(fù)荷(通信、信號、照明、風(fēng)機(jī)等)供電，保障各專業(yè)搶險用電需求，保障第一階段運(yùn)營恢復(fù)；其次,恢復(fù)新沙站直流牽引供電系統(tǒng)，實現(xiàn)新塘站—新沙站大雙邊供電，確保牽引供電可靠，盡早恢復(fù)水淹前正常運(yùn)行圖的運(yùn)營組織；最后,逐步實現(xiàn)各電壓等級剩余設(shè)備的正常供電。

受損供電設(shè)備在線網(wǎng)庫存有備品備件時，優(yōu)先利用備件進(jìn)行更換；對無備品備件的受損設(shè)備，則進(jìn)行現(xiàn)場修復(fù)或采購新備件替換：新沙、官湖動力變壓器利用既有備件及新線備件完成更換，新沙整流變壓器使用備件替換，整流器使用掛網(wǎng)試驗整流器替換，其余無備件設(shè)備逐級進(jìn)行現(xiàn)場修復(fù)或采購到貨后替換。

針對設(shè)備修復(fù)，根據(jù)廠家建議，若一次部分耐壓試驗合格，可不用更換，僅更換既有供電設(shè)備二次部分；一次高壓電纜本身就具有防水功能，不用更換，電纜頭清潔后進(jìn)行耐壓試驗結(jié)果再確定是否更換；二次控制電纜及通信線纜全部更換。具體設(shè)備修復(fù)方案主要如下：

1) 33 kV GIS(氣體絕緣開關(guān)柜)修復(fù)：①二次室內(nèi)損壞元器件申購備件更換；②繼保裝置申購新備件更換；③三工位操作機(jī)構(gòu)驅(qū)動電機(jī)及二次端子重新更換，其余機(jī)械部分根據(jù)實際情況進(jìn)行清理或更換零部件；④斷路器操作機(jī)構(gòu)的驅(qū)動電機(jī)及二次端子重新更換，其余機(jī)械部分根據(jù)實際情況進(jìn)行清理或更換零部件；⑤帶電顯示裝置使用新備件更換；⑥其余一次帶電部分無需更換。

2) 干式變壓器修復(fù)：①變壓器鐵芯現(xiàn)場清理；②現(xiàn)場更換鐵芯夾件絕緣部件；③現(xiàn)場更換高、低壓繞組。

3) DC 1 500 V開關(guān)柜修復(fù)：僅保留一次母排，其余部分全部更換。

4) 整流器修復(fù)：整套采購新設(shè)備更換。

3.2 接觸網(wǎng)設(shè)備恢復(fù)

接觸網(wǎng)恢復(fù)方案相對簡單：

1) 對上下行剛性接觸網(wǎng)匯流排、接觸線和絕緣部件等進(jìn)行清掃、擦拭、烘干并進(jìn)行絕緣測試；

2) 對隔離開關(guān)操作機(jī)構(gòu)箱進(jìn)行整體更換，隔離開關(guān)刀閘本體被水浸泡，先對其進(jìn)行擦拭、烘干后,再進(jìn)行絕緣測試；

3) 回流箱設(shè)備先進(jìn)行擦拭、清掃和烘干,再做絕緣測試；

4) 雜散電流監(jiān)測傳感器及監(jiān)測裝置整體更換。

3.3 設(shè)備運(yùn)維

供電設(shè)備恢復(fù)供電后，為保證設(shè)備安全可靠運(yùn)行，應(yīng)制定相應(yīng)的加密檢修標(biāo)準(zhǔn)并執(zhí)行。變電專業(yè)檢修周期由年檢變?yōu)榘肽隀z，對電纜頭等關(guān)鍵部位采取加密熱成像監(jiān)測等措施。接觸網(wǎng)專業(yè)檢修周期由半年檢變?yōu)榧緳z，對運(yùn)行隱患較大的絕緣部件按要求進(jìn)行絕緣性能抽樣送檢等。

4 結(jié)語

突發(fā)災(zāi)害下城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)的適用性是實現(xiàn)列車應(yīng)急運(yùn)行的保證。突發(fā)災(zāi)害后快速的供電恢復(fù)是恢復(fù)運(yùn)營能力、減小災(zāi)害影響的重要措施。通過對廣州“5.22”突發(fā)暴雨災(zāi)害后受損的廣州地鐵13號線牽引供電系統(tǒng)適用性進(jìn)行相關(guān)計算和分析，為受損狀態(tài)下盡早恢復(fù)運(yùn)營提出了降級運(yùn)營及限速限流的應(yīng)對方案。同時，針對供電系統(tǒng)及設(shè)備搶險恢復(fù)，本文介紹了在盡量短的時間內(nèi)，供電專業(yè)充分調(diào)配既有設(shè)備資源，按照供電恢復(fù)優(yōu)先級逐步進(jìn)行設(shè)備恢復(fù)及修復(fù)的方案措施，為城市軌道交通在突發(fā)災(zāi)害下的應(yīng)急處理提供參考思路和應(yīng)對經(jīng)驗。