市域鐵路牽引供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)關(guān)鍵問(wèn)題探討

黃玲珍

(中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司， 200070， 上海∥高級(jí)工程師)

社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展加速了城市與城市之間、城市郊區(qū)與中心城區(qū)之間的交通需求，市域鐵路作為快速、便捷的交通方式，緩解了居民的出行壓力[1]。牽引供電系統(tǒng)為列車提供動(dòng)力，其安全、可靠、不間斷供電是市域鐵路正常運(yùn)營(yíng)的關(guān)鍵。市域鐵路牽引供電系統(tǒng)有別于城市軌道交通和城際鐵路，其需同時(shí)滿足快速、公交化的運(yùn)營(yíng)要求。以上海市域鐵路嘉閔線(以下簡(jiǎn)為“嘉閔線”)為例，對(duì)該線路牽引供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的供電制式選擇、牽引變電所與電力變電所合建(以下簡(jiǎn)為“牽引電力合建變電所”)方案，以及其與軌道交通供電資源共享模式等關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了探討。

1 市域鐵路牽引供電制式選擇

城市軌道交通通常采用直流750 V或直流1 500 V牽引供電制式，城際、客運(yùn)專線采用單相工頻25 kV交流牽引供電制式。交通線網(wǎng)的協(xié)調(diào)性、速度的適應(yīng)性、供電能力的合理性及經(jīng)濟(jì)性等特點(diǎn)，決定了上海市域鐵路牽引供電制式的選擇。

上海市域鐵路作為長(zhǎng)江三角洲區(qū)域一體化交通網(wǎng)絡(luò)的一部分，在運(yùn)輸組織上與國(guó)鐵互聯(lián)互通，需滿足國(guó)鐵跨線車的通行。上海市內(nèi)已運(yùn)營(yíng)或即將改造并納入上海市域鐵路線網(wǎng)的金山支線、浦東鐵路等均采用25 kV交流供電制式。上海市域鐵路采用交流供電制式，可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)江三角洲區(qū)域一體化鐵路交通網(wǎng)絡(luò)開(kāi)行大交路列車及互聯(lián)互通的目標(biāo)。

上海市域鐵路設(shè)計(jì)速度采用120 km/h及以上，在建市域鐵路機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線、嘉閔線的設(shè)計(jì)速度均為160 km/h，目前還未有能滿足該設(shè)計(jì)速度的直流制式車輛，若重新研制勢(shì)必造成成本增加。以嘉閔線為例，線路長(zhǎng)約44 km，設(shè)15座車站，平均站間距3.110 km，最小行車間隔3 min。暫不考慮線路土建、車輛研發(fā)及購(gòu)置等因素，對(duì)該線路交、直流牽引供電制式的工程投資進(jìn)行對(duì)比，如表1所示。

交流牽引供電系統(tǒng)供電電壓等級(jí)高，牽引供變電設(shè)施少，接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。嘉閔線牽引供電系統(tǒng)采用交流供電制式與采用直流供電制式相比，工程投資可減少約500萬(wàn)元/km。因此，嘉閔線采用25 kV交流牽引供電制式，即可適應(yīng)160 km/h的設(shè)計(jì)速度，在牽引供電工程投資上也更具備經(jīng)濟(jì)性。市域鐵路整體工程的經(jīng)濟(jì)性可結(jié)合土建、車輛、信號(hào)、通信、檢修維護(hù)進(jìn)一步分析[1]。

表1 嘉閔線交、直流牽引供電制式下工程投資對(duì)比表

2 牽引電力合建變電所方案

2.1 市域鐵路電力供電方案

市域鐵路電力供電方式主要有分散式貫通供電方案和集中式環(huán)網(wǎng)供電方案[2]。

1) 分散式貫通供電方案:借鑒鐵路貫通線供電方式，設(shè)1路10 kV一級(jí)負(fù)荷貫通線和1路10 kV綜合負(fù)荷貫通線。車站從地方變電站引入2路10 kV電源，為通信、信號(hào)以及動(dòng)力照明等綜合負(fù)荷供電[3]。10 kV供電系統(tǒng)處于城市電網(wǎng)繼電保護(hù)的中末端，運(yùn)行易受其他用戶的干擾；其電壓等級(jí)較低，系統(tǒng)網(wǎng)壓波動(dòng)較大。若沿線既有電源點(diǎn)的備用容量難以滿足本工程大負(fù)荷的需求，需對(duì)地區(qū)變電所進(jìn)行較大的擴(kuò)建、改建或新建。

2) 集中式環(huán)網(wǎng)供電方案：借鑒城市軌道交通中壓環(huán)網(wǎng)供電方式，在全線負(fù)荷點(diǎn)設(shè)置配電所，通過(guò)配電所將來(lái)自城市電網(wǎng)的高壓電源提供給沿線車站降壓變電所。電源電壓采用110 kV/35 kV或35 kV/35 kV。該供電方式具有電壓等級(jí)高、電源可靠性高、要求城市電網(wǎng)提供的電源點(diǎn)少、外部電源費(fèi)用少、有利于多條線路共享等優(yōu)點(diǎn)。

以嘉閔線為例，該線路車站數(shù)量多，均為地下站，動(dòng)力照明負(fù)荷重；高峰小時(shí)列車對(duì)數(shù)多，故障影響范圍廣。獨(dú)立設(shè)置35 kV電力配電所的集中式環(huán)網(wǎng)供電方式的可靠性較好，更適用于市域鐵路供電需求。

2.2 牽引電力合建變電所主接線方案

上海市域鐵路連接市郊與市區(qū)，線路穿越城區(qū)，牽引變電所不可避免地選址于城市中心、商業(yè)繁華地帶、開(kāi)發(fā)區(qū)等用地緊張地段，征拆難度大。市域鐵路采用27.5 kV牽引變電所與35 kV電力變電所合建方式，可實(shí)現(xiàn)土地集約化、資源共享化、工程投資經(jīng)濟(jì)化。牽引變電所占電力變電所合建主接線方案有以下3種：

1) 牽引、電力變壓器共用110 kV電源。1組牽引變壓器和電力變壓器接自同1路110 kV電源進(jìn)線，2路110 kV電源分列運(yùn)行。牽引變壓器采用一主一備方式，電力變壓器采用雙電源同時(shí)運(yùn)行方式。牽引、電力變壓器共享110 kV電源，變壓器及其低壓側(cè)的設(shè)備分開(kāi)設(shè)置，電力變壓器與牽引變壓器互不影響。該方案的主接線方式如圖1所示。

注：ABC為電源相序，圖2～3同。

2) 電力變壓器接于牽引變壓器27.5 kV側(cè)母線。2臺(tái)27.5 kV/35 kV電力變壓器接于牽引變壓器二次側(cè)27.5 kV母線。因接觸網(wǎng)是工頻單相電源，牽引負(fù)荷波動(dòng)頻繁，將產(chǎn)生電壓波動(dòng)、諧波及負(fù)序等電能質(zhì)量問(wèn)題；牽引網(wǎng)檢修影響電力變壓器的供電；兩相27.5 kV和三相35 kV電力變壓器為非標(biāo)設(shè)備，其定制需增加購(gòu)置成本。該方案的主接線方式如圖2所示。

3) 采用110 kV/27.5 kV/35 kV三繞組變壓器。110 kV三繞組變壓器二次側(cè)分別為35 kV電力變壓器繞組和27.5 kV牽引變壓器繞組。電力繞組為通信、信號(hào)、動(dòng)力照明等供電，牽引繞組為牽引網(wǎng)提供單相電源。該方案的優(yōu)點(diǎn)是三繞組變壓器設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊、節(jié)省房建用地；缺點(diǎn)是變壓器定制成本高，電力與牽引檢修相互影響。該方案的主接線方式如圖3所示。

圖2 電力變壓器接于牽引變壓器27.5 kV側(cè)母線主接線方案Fig.2 Power transformer connection to traction transformer 27.5 kV bus bar main wiring scheme

圖3 110 kV/27.5 kV/35 kV三繞組變壓器主接線方案Fig.3 110 kV/27.5 kV/35 kV three-winding transformer main wiring scheme

綜上，推薦嘉閔線牽引電力合建變電所采用電力變壓器與牽引變壓器共享110 kV電源的主接線方式。

2.3 牽引電力合建變電所總平面布置

市域鐵路牽引變電所多設(shè)置于鐵路沿線，采用戶外敞開(kāi)式布置方式，房屋面積較大。市域鐵路大多穿越市(郊)區(qū)，戶外敞開(kāi)式變電所的占地面積大，電氣設(shè)備的噪聲及布置影響城市環(huán)境和景觀。而全戶內(nèi)布置型式變電所具有布局緊湊、占地面積少、設(shè)備安裝運(yùn)行環(huán)境好、便于維修等優(yōu)點(diǎn)[4]。綜合上述因素，嘉閔線牽引電力合建變電所采用全戶內(nèi)優(yōu)化布置型式。

全戶內(nèi)優(yōu)化布置的牽引電力合建變電所采用局部三層設(shè)計(jì)：第一層設(shè)有電力變壓器室、牽引變壓器室、110 kV組合電器室、SVG(動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置)室等房屋；局部夾層設(shè)有SVG室和通信室；第三層設(shè)有高壓室、控制室、接地變和電阻柜室等。

按常規(guī)戶外敞開(kāi)式變電所布置時(shí)，場(chǎng)坪尺寸為120 m×100 m；按全戶內(nèi)一層牽引變電所布置時(shí)，場(chǎng)坪尺寸為100 m×42 m；按全戶內(nèi)二層牽引變電所布置時(shí)，場(chǎng)坪尺寸為75 m×40 m；采用優(yōu)化后的全戶內(nèi)三層設(shè)計(jì)方案時(shí)，場(chǎng)坪尺寸為61 m×40 m，僅為戶外敞開(kāi)式設(shè)計(jì)方案的20.3%，為全戶內(nèi)一層布置方案的58.1%，為全戶內(nèi)二層布置方案的81.3%。牽引電力合建變電所全戶內(nèi)總平面優(yōu)化布置方案如圖4所示。

尺寸單位：mm圖4 牽引電力合建變電所全戶內(nèi)總平面優(yōu)化布置圖Fig.4 Traction and electricity joint construction substation optimized indoor general layout plan

3 市域鐵路與城市軌道交通供電資源共享模式

軌道交通主變電所采用110 kV/35 kV供電方式，通過(guò)中壓供電網(wǎng)絡(luò)為沿線牽引(混合)變電所及降壓變電所供電。上海在建及規(guī)劃市域(郊)鐵路線路(長(zhǎng)度超過(guò)600 km)，將與城市軌道交通形成網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營(yíng)，且多處站點(diǎn)與規(guī)劃城市軌道交通銜接。通過(guò)市域鐵路與城市軌道交通主變電所資源共享，可減少外部電源投資[5]。

市域鐵路與城市軌道交通主變電所共享的模式包括110 kV電源側(cè)共享及35 kV電源側(cè)共享[6]。

3.1 110 kV電源側(cè)共享

110 kV電源側(cè)共享模式設(shè)置6臺(tái)變壓器：2臺(tái)110 kV/27.5 kV牽引變壓器為市域鐵路牽引網(wǎng)供電，2臺(tái)110 kV/35 kV電力變壓器為市域鐵路電力供電，2臺(tái)110 kV/35 kV主變壓器為軌道交通線路供電。該模式的主接線方式與圖1類似，增加了2臺(tái)軌道交通專用主變壓器。

3.2 35 kV電源側(cè)共享

35 kV電源側(cè)共享模式的常用主接線方式主要有T接方式和兩級(jí)母線方式，如圖5所示。

1) T接方式：從變壓器二次側(cè)出線端子處引出。共享工程分別設(shè)置獨(dú)立的35 kV母線，市域鐵路電力供電系統(tǒng)與城市軌道交通供電系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立。

2) 兩級(jí)母線方式：在變壓器二次側(cè)設(shè)置兩級(jí)35 kV母線，第一級(jí)35 kV母線為市域鐵路與城市軌道交通共用；第二級(jí)35 kV母線分別為市域鐵路與城市軌道交通設(shè)置，且各線路35 kV供電系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立。

a) T接方式

b) 兩級(jí)母線方式圖5 35 kV電源側(cè)共享方式Fig.5 35 kV power side sharing mode

T接方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，母線相互干擾小；兩級(jí)母線方式適用于共享主變電所距離較遠(yuǎn)、饋線回路較多、線路建設(shè)時(shí)序相差較大的線路。

3.3 供電資源共享方案分析

市域鐵路與城市軌道交通110 kV電源側(cè)共享和35 kV電源側(cè)共享方案，從故障影響、運(yùn)營(yíng)管理、占地面積、工程投資等方面進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較[7]，見(jiàn)表2。

表2 兩種供電資源共享方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

市域鐵路與城市軌道交通供電資源共享模式的選擇，需結(jié)合線網(wǎng)規(guī)劃、建設(shè)時(shí)序，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜合比較后再確定。

4 結(jié)語(yǔ)

上海市域鐵路嘉閔線采用交流牽引供電制式，在與國(guó)鐵互聯(lián)互通、運(yùn)輸組織需求、經(jīng)濟(jì)性等方面具有較為明顯的優(yōu)勢(shì)。推薦嘉閔線牽引電力合建變電所總平面采用全戶內(nèi)三層優(yōu)化布置型式，該型式節(jié)省占地面積、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。該線路與城市軌道交通供電資源的共享模式可結(jié)合供電系統(tǒng)的可靠性、建設(shè)時(shí)序適應(yīng)性等方面來(lái)確定。