交流-直流雙制式接觸網(wǎng)隔離轉(zhuǎn)換區(qū)設(shè)置方案研究

劉 銳，田廣輝

0 引言

在我國城市化進(jìn)程不斷發(fā)展的大背景下，城市軌道交通建設(shè)得到了快速發(fā)展，許多大城市中心城區(qū)的軌道交通線網(wǎng)已基本形成，并逐漸向周邊城鎮(zhèn)組團(tuán)和衛(wèi)星城市延伸，形成新的市郊軌道交通網(wǎng)絡(luò)。由于中心城區(qū)軌道交通與市郊軌道交通功能定位和運(yùn)營需求不同，其采用的牽引供電制式通常不統(tǒng)一，中心城區(qū)軌道交通一般采用DC 1 500 V架空接觸網(wǎng)供電，市郊軌道交通一般采用AC 25 kV架空接觸網(wǎng)供電。為了提高運(yùn)營效率和服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)不同供電制式線網(wǎng)間的互聯(lián)互通運(yùn)營，需要采用交直流雙制式牽引列車及交直流雙制式牽引供電系統(tǒng)。

現(xiàn)階段，我國自主研制的交直流雙制式牽引列車已經(jīng)試驗(yàn)成功，但還沒有采用交直流雙制式牽引供電系統(tǒng)的軌道交通運(yùn)行線路，而目前在建的重慶市市郊軌道交通跳磴—江津線工程將填補(bǔ)國內(nèi)這方面的空白。本文以重慶跳磴—江津線工程為背景，對雙流制牽引供電系統(tǒng)中交流-直流接觸網(wǎng)隔離轉(zhuǎn)換區(qū)的設(shè)置方案進(jìn)行分析和研究[1，2]。

1 工程概況及車輛轉(zhuǎn)換方案簡介

重慶跳磴—江津線是連接重慶市主城區(qū)與江津區(qū)的一條市郊鐵路，采用山地雙流制As型車、AC 25 kV和DC 1 500 V雙制式架空接觸網(wǎng)供電，在建橋C區(qū)站—九龍園站區(qū)間設(shè)置列車交流-直流轉(zhuǎn)換區(qū)，其中轉(zhuǎn)換區(qū)往江津方向約25 km線路采用AC 25 kV架空接觸網(wǎng)供電，轉(zhuǎn)換區(qū)至主城區(qū)方向約3 km線路采用DC 1 500 V架空接觸網(wǎng)供電。該線在跳磴站設(shè)置與軌道交通5號線的聯(lián)絡(luò)線，并設(shè)置貫通運(yùn)營交路，運(yùn)營交路示意見圖1。

圖1 運(yùn)營交路示意圖

該工程采用的山地雙流制As型車以不降弓車輛自動切換完成交直流牽引模式的轉(zhuǎn)換，接觸網(wǎng)需設(shè)置交流-直流隔離轉(zhuǎn)換區(qū)，配合車輛完成轉(zhuǎn)換過程。以直流到交流為例，車輛的轉(zhuǎn)換過程如下：

如圖2所示，列車從建橋C區(qū)站啟動加速，行駛至信標(biāo)1時(shí)，信號系統(tǒng)向列車發(fā)出位置信息，列車接收并反饋后確認(rèn)列車進(jìn)入直-交轉(zhuǎn)換區(qū)；當(dāng)列車行駛至信標(biāo)2時(shí)，執(zhí)行減載指令，正常情況下在信標(biāo)2和信標(biāo)3之間完成減載指令，斷開直流牽引單元的主斷路器進(jìn)入惰行狀態(tài)；當(dāng)列車行駛至信標(biāo)3時(shí)，進(jìn)行第一次切換狀態(tài)確認(rèn)，若切換失敗，車輛屏將提示司機(jī)進(jìn)行人工切換操作；當(dāng)列車行駛至信標(biāo)4時(shí)，進(jìn)行第二次切換狀態(tài)確認(rèn)，若人工切換也失敗，將強(qiáng)制降下受電弓，若一切狀態(tài)正常，列車將在升弓狀態(tài)下惰行通過接觸網(wǎng)隔離轉(zhuǎn)換區(qū)，進(jìn)入到交流接觸網(wǎng)區(qū)域；隨后列車?yán)^續(xù)惰行至信標(biāo)5，此時(shí)列車將合上交流牽引單元的主斷路器，進(jìn)入交流牽引狀態(tài)，至此列車的直-交轉(zhuǎn)換完成。

列車從交流側(cè)行駛至直流側(cè)的交-直轉(zhuǎn)換過程同上，只是方向相反[3]。

圖2 直-交轉(zhuǎn)換信標(biāo)示意圖

2 交流-直流接觸網(wǎng)隔離轉(zhuǎn)換區(qū)設(shè)置方案

2.1 車輛需求

跳磴—江津線采用的山地雙流制As型車近期采用6輛編組：+Mc2?MTp2?M2+M1?MTp1? Mc1+，如圖3所示。列車設(shè)置兩個(gè)相互獨(dú)立的牽引單元，每個(gè)牽引單元設(shè)雙弓，雙弓間距約為13 m，兩個(gè)牽引單元間相鄰受電弓間距約為47 m，最遠(yuǎn)受電弓間距約為73 m。車輛遠(yuǎn)期將采用7輛編組，但牽引單元及受電弓間距保持不變。

圖3 列車編組示意圖（單位：m）

車輛要求接觸網(wǎng)隔離轉(zhuǎn)換區(qū)的長度設(shè)置為78 m，大于雙弓最大間距（73 m），這是因?yàn)檐囕v在轉(zhuǎn)換過程中不能使受電弓一端接觸到直流電壓的同時(shí)另一端接觸到交流電壓，否則會出現(xiàn)邏輯報(bào)錯(cuò)；同時(shí)接觸網(wǎng)隔離轉(zhuǎn)換區(qū)的長度也不能太長，因?yàn)樵诙栊袝r(shí)，隔離轉(zhuǎn)換區(qū)越長，將增大列車停在轉(zhuǎn)換區(qū)的風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 接觸網(wǎng)隔離轉(zhuǎn)換區(qū)設(shè)置方案

接觸網(wǎng)隔離轉(zhuǎn)換區(qū)的設(shè)置除需滿足車輛交直流轉(zhuǎn)換的需求外，還需要確保雙流制牽引供電系統(tǒng)在線路運(yùn)營的各種工況下均能夠安全穩(wěn)定可靠運(yùn)行，防止交、直流兩種供電系統(tǒng)間短路，且當(dāng)列車因故障造成行駛速度下降、停在轉(zhuǎn)換區(qū)時(shí)，能夠便于救援。

根據(jù)跳磴—江津線工程的實(shí)際情況，結(jié)合國外既有工程交流-直流接觸網(wǎng)隔離轉(zhuǎn)換區(qū)的設(shè)置經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)以下3種方案，并進(jìn)行比選。

2.2.1 方案一 采用FRP（玻璃鋼材質(zhì)）接觸線絕緣

該方案參考了日本筑波線方案，如圖4所示，交、直流接觸網(wǎng)之間采用兩段20 m長的FRP接觸線隔離出一段總長78 m的交流-直流接觸網(wǎng)隔離轉(zhuǎn)換區(qū)，利用FRP接觸線優(yōu)良的絕緣性能確保交、直流供電系統(tǒng)間的絕緣可靠。

該方案的優(yōu)點(diǎn)：接觸網(wǎng)設(shè)置簡單；弓網(wǎng)關(guān)系良好；交、直流供電系統(tǒng)間絕緣可靠。缺點(diǎn)：經(jīng)過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)目前不能自主生產(chǎn)FRP接觸線產(chǎn)品，暫不具備實(shí)施條件；當(dāng)列車落入接觸網(wǎng)無電區(qū)時(shí)，只能采用救援車或鄰車救援方式將列車拖出。

圖4 接觸網(wǎng)隔離轉(zhuǎn)換區(qū)方案一（單位：m）

2.2.2 方案二 采用6臺分相絕緣器絕緣

該方案如圖5所示，交、直流接觸網(wǎng)之間采用6臺分相絕緣器（a、b、c、d、e、f）隔離出一段總長78 m的交流-直流接觸網(wǎng)隔離轉(zhuǎn)換區(qū)，隔離轉(zhuǎn)換區(qū)接觸網(wǎng)由ab、bc、cd、de、ef五部分組成，bc、de區(qū)接觸網(wǎng)分別通過常閉隔離開關(guān)G3、G4接地，在直流段接觸網(wǎng)、ab、bc區(qū)接觸網(wǎng)之間設(shè)置常開聯(lián)絡(luò)隔離開關(guān)G1、G2，在de、ef區(qū)及交流段接觸網(wǎng)之間設(shè)置常開聯(lián)絡(luò)隔離開關(guān)G5、G6[4]。

圖5 接觸網(wǎng)隔離轉(zhuǎn)換區(qū)方案二（單位：m）

該方案的優(yōu)點(diǎn)：所有設(shè)備和材料均可以采用國產(chǎn)化產(chǎn)品；通過設(shè)置接觸網(wǎng)常接地區(qū)避免因分相絕緣器故障或列車轉(zhuǎn)換故障帶電誤闖造成交、直流供電系統(tǒng)間發(fā)生短路；當(dāng)列車因故落入轉(zhuǎn)換區(qū)時(shí)，可以通過隔離開關(guān)的倒閘操作縮短接觸網(wǎng)隔離轉(zhuǎn)換區(qū)的無電區(qū)長度，使列車受電弓可以分別從直流接觸網(wǎng)或交流接觸網(wǎng)取流自行駛出轉(zhuǎn)換區(qū)。缺點(diǎn)：在78 m的接觸網(wǎng)區(qū)域內(nèi)設(shè)置了6臺分相絕緣器及6臺隔離開關(guān)的連接線纜，接觸網(wǎng)負(fù)荷大，硬點(diǎn)多，嚴(yán)重影響弓網(wǎng)關(guān)系；6臺隔離開關(guān)閉鎖關(guān)系復(fù)雜，倒閘操作困難，容易發(fā)生誤操作。

2.2.3 方案三 采用4臺分相絕緣器絕緣

該方案如圖6所示，交、直流接觸網(wǎng)之間采用4臺分相絕緣器隔離出一段總長78 m的交流-直流接觸網(wǎng)隔離轉(zhuǎn)換區(qū)，隔離轉(zhuǎn)換區(qū)接觸網(wǎng)由ab、bc、cd三部分組成，bc區(qū)接觸網(wǎng)通過常閉隔離開關(guān)G2接地，ab、cd區(qū)為中性區(qū)接觸網(wǎng)，通過聯(lián)絡(luò)隔離開關(guān)G1、G3分別與直流段接觸網(wǎng)和交流段接觸網(wǎng)相連[5]。

圖6 接觸網(wǎng)隔離轉(zhuǎn)換區(qū)方案三（單位：m）

該方案的優(yōu)點(diǎn)：所有設(shè)備和材料均可以采用國產(chǎn)化產(chǎn)品；通過設(shè)置接觸網(wǎng)常接地區(qū)避免因分相絕緣器故障或列車轉(zhuǎn)換故障帶電誤闖造成交、直流供電系統(tǒng)間發(fā)生短路；當(dāng)列車因故落入轉(zhuǎn)換區(qū)時(shí)，可以通過隔離開關(guān)的倒閘操作縮短接觸網(wǎng)隔離轉(zhuǎn)換區(qū)的無電區(qū)長度，列車再配合升降弓操作可以分別從直流接觸網(wǎng)或交流接觸網(wǎng)取流自行駛出轉(zhuǎn)換區(qū)；對比方案二，該方案減少了2臺分相絕緣器和若干上網(wǎng)線纜，降低了接觸網(wǎng)負(fù)荷，可以有效改善弓網(wǎng)關(guān)系；減少開關(guān)數(shù)量后也使閉鎖關(guān)系更簡單，倒閘操作更便利。缺點(diǎn)：列車在落入轉(zhuǎn)換區(qū)的自救過程中需要進(jìn)行受電弓的升降弓操作配合。

通過對以上方案的對比分析，推薦方案三作為跳磴—江津線工程交流-直流接觸網(wǎng)隔離轉(zhuǎn)換區(qū)的實(shí)施方案。

3 列車轉(zhuǎn)換過程中交流-直流接觸網(wǎng)隔離轉(zhuǎn)換區(qū)的狀態(tài)過程分析[6]

以列車從直流側(cè)向交流側(cè)行駛為例，列車進(jìn)入交流-直流接觸網(wǎng)隔離轉(zhuǎn)換區(qū)前處于升弓但不取流的惰行狀態(tài)，由于列車同一牽引單元雙弓母聯(lián)連通，當(dāng)?shù)谝粻恳龁卧肮M(jìn)入到ab中性區(qū)接觸網(wǎng)時(shí)，ab中性區(qū)接觸網(wǎng)通過受電弓及受電弓母聯(lián)與直流段接觸網(wǎng)連通而帶直流電，當(dāng)前后弓均進(jìn)入ab中性區(qū)后，ab中性區(qū)接觸網(wǎng)恢復(fù)與直流段接觸網(wǎng)絕緣狀態(tài)，隨后第一牽引單元前弓進(jìn)入bc接地區(qū)接觸網(wǎng)，ab、bc區(qū)接觸網(wǎng)通過受電弓及受電弓母聯(lián)連通均處于接地狀態(tài)，當(dāng)前后弓均進(jìn)入bc接地區(qū)接觸網(wǎng)后，ab中性區(qū)接觸網(wǎng)恢復(fù)絕緣不帶電狀態(tài)，當(dāng)?shù)谝粻恳龁卧肮M(jìn)入cd中性區(qū)接觸網(wǎng)后，bc、cd區(qū)接觸網(wǎng)通過受電弓及受電弓母聯(lián)連通均處于接地狀態(tài)，當(dāng)前后弓均進(jìn)入cd中性區(qū)后，cd中性區(qū)接觸網(wǎng)恢復(fù)絕緣不帶電狀態(tài)，當(dāng)?shù)谝粻恳龁卧肮M(jìn)入交流段接觸網(wǎng)后，cd中性區(qū)接觸網(wǎng)通過受電弓及受電弓母聯(lián)與交流段接觸網(wǎng)連通而帶交流電，當(dāng)前后弓均進(jìn)入交流段接觸網(wǎng)后，cd中性區(qū)接觸網(wǎng)恢復(fù)與交流段接觸網(wǎng)絕緣狀態(tài)。列車第二牽引單元雙弓通過時(shí)的狀態(tài)同上，由于列車兩個(gè)牽引單元相互獨(dú)立，因此依次通過時(shí)互不干擾。

當(dāng)列車未能及時(shí)切斷牽引回路主斷路器，帶電誤闖交流-直流接觸網(wǎng)隔離轉(zhuǎn)換區(qū)時(shí)，會發(fā)生嚴(yán)重拉弧，持續(xù)電弧會在bc接觸網(wǎng)接地區(qū)造成當(dāng)前供電制式下接觸網(wǎng)對地短路，從而使當(dāng)前制式供電系統(tǒng)短路保護(hù)跳閘并退出運(yùn)行，避免發(fā)生交流、直流供電系統(tǒng)間的短路從而造成更大的危害。

4 車輛落入轉(zhuǎn)換區(qū)的救援方案[7，8]

列車的交直流轉(zhuǎn)換方案決定了列車必須有一定的初速度才能在惰行狀態(tài)下順利通過轉(zhuǎn)換區(qū)，當(dāng)初速度不滿足要求時(shí)，列車可能停在轉(zhuǎn)換區(qū)內(nèi)的任何位置，這時(shí)就需要在交流-直流接觸網(wǎng)隔離轉(zhuǎn)換區(qū)進(jìn)行開關(guān)倒閘操作，并配合列車兩個(gè)牽引單元的交替切換牽引使其自行駛出轉(zhuǎn)換區(qū)。列車落入轉(zhuǎn)換區(qū)的救援工況分為兩種，對應(yīng)不同的開關(guān)倒閘操作和列車牽引單元切換方式。本節(jié)以列車從直流側(cè)行駛至交流側(cè)為例進(jìn)行分析。

如圖7所示，列車牽引單元一的受電弓落在分相絕緣器c往直流方向轉(zhuǎn)換區(qū)的任意位置時(shí)為工況一，此時(shí)列車的自救方案如下：閉合聯(lián)絡(luò)隔離開關(guān)G1、G3，使ab、cd中性區(qū)接觸網(wǎng)分別帶直流電和交流電，列車降下牽引單元一的受電弓，由牽引單元二的直流牽引回路牽引行駛，直至牽引單元一的受電弓完全進(jìn)入到cd接觸網(wǎng)區(qū)域時(shí)停車，此時(shí)降下牽引單元二的受電弓，升起牽引單元一的受電弓，由牽引單元一的交流牽引回路牽引行駛至信標(biāo)5（見圖2）后，升起牽引單元二的受電弓，兩牽引單元均采用交流牽引模式恢復(fù)到正常牽引狀態(tài)。

圖7 落入轉(zhuǎn)換區(qū)的救援工況一

如圖8所示，列車牽引單元一的受電弓落在cd中性區(qū)接觸網(wǎng)范圍內(nèi)時(shí)為工況二，此時(shí)列車的自救方案如下：閉合聯(lián)絡(luò)隔離開關(guān)G3，使cd中性區(qū)接觸網(wǎng)帶交流電，列車降下牽引單元二的受電弓，由牽引單元一的交流牽引回路牽引，列車行駛至信標(biāo)5（見圖2）后，升起牽引單元二的受電弓，兩個(gè)牽引單元均采用交流牽引模式恢復(fù)到正常牽引狀態(tài)。

圖8 落入轉(zhuǎn)換區(qū)的救援工況二

列車從交流側(cè)行駛至直流側(cè)的救援模式同上，只是方向相反。針對救援工況還需在軌旁設(shè)置相應(yīng)的停車對位標(biāo)。

5 結(jié)語

交流-直流接觸網(wǎng)隔離轉(zhuǎn)換區(qū)需要根據(jù)具體工程的實(shí)際需求開展設(shè)計(jì)，對于不同線路的不同需求應(yīng)提供不同的應(yīng)對措施，但其設(shè)計(jì)應(yīng)遵循以下3個(gè)原則：

（1）以配合交直流雙制式牽引列車順利完成交直流牽引轉(zhuǎn)換為目的。

（2）確保交直流雙制式供電系統(tǒng)運(yùn)行的安全性、穩(wěn)定性和可靠性，避免發(fā)生交、直流供電系統(tǒng)間短路[9]。

（3）針對運(yùn)營中可能發(fā)生的故障工況提供有效的救援條件。