同相供電技術(shù)在溫州市域鐵路S1線變電所出口電分相中的應(yīng)用

蔡端陽(yáng)

(浙江省軌道交通運(yùn)營(yíng)管理集團(tuán)有限公司， 310005， 杭州∥高級(jí)工程師)

與長(zhǎng)距離的干線電氣化鐵路不同，城市軌道交通主要在城市之中穿行，其站間距較短，列車需要頻繁地起動(dòng)與制動(dòng)，傳統(tǒng)的交流牽引供電系統(tǒng)電分相對(duì)列車運(yùn)行的影響較大。為適應(yīng)城市軌道交通站間距短、列車起停頻繁的特點(diǎn)，溫州市域鐵路S1線(以下簡(jiǎn)為“S1線”)在采用傳統(tǒng)的交流牽引供電系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，引進(jìn)了同相供電技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了以負(fù)序?yàn)橹鞯碾娔苜|(zhì)量治理。同相供電技術(shù)在S1線運(yùn)用后，變電所出口處的4臺(tái)電分相隔離開關(guān)有2臺(tái)處于常閉狀態(tài)，上、下行線路各形成2個(gè)絕緣錨段關(guān)節(jié)(見圖1)。如若出現(xiàn)緊急情況，列車在絕緣錨段關(guān)節(jié)區(qū)域迫停，再次起動(dòng)時(shí)將可能出現(xiàn)接觸網(wǎng)設(shè)備燒傷、甚至斷線的事故。針對(duì)變電所出口絕緣錨段關(guān)節(jié)的研究，以減小列車迫停于禁停區(qū)域的概率為目標(biāo)，避免不必要的救援對(duì)城市軌道交通運(yùn)輸秩序產(chǎn)生影響；提出了列車迫停于禁停區(qū)域的自主救援方案，為同相供電技術(shù)應(yīng)用后的行車和供電設(shè)備提供了一定的理論依據(jù)。

1 S1線牽引供電系統(tǒng)概況

S1線線路全長(zhǎng)53.45 km，全線共設(shè)置車站18座，平均站間距為2.73 km。牽引供電系統(tǒng)采用交流制式，共設(shè)兩座110 kV牽引變電所。牽引變電所出口電壓為27.5 kV，接觸網(wǎng)額定電壓為25 kV[1]。

S1線的設(shè)計(jì)速度為120 km/h。動(dòng)車組采用2個(gè)受電弓，正常運(yùn)行時(shí)，采用單弓受流；另一臺(tái)備用，處于折疊狀態(tài)。2個(gè)受電弓的間距為38.45 m。

與電氣化干線鐵路相比， S1線具有站間距短、列車起停頻繁的特點(diǎn)；與傳統(tǒng)地鐵相比， S1線具有行車速度快、列車容量大的特點(diǎn)。

為了解決“站間距短、列車起停頻繁”與“行車速度快、列車容量大”之間存在的矛盾， S1線在采用傳統(tǒng)的交流牽引供電系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，引進(jìn)了同相供電技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了以負(fù)序?yàn)橹鞯碾娔苜|(zhì)量治理。

S1線牽引供電系統(tǒng)示意如圖1所示。

注：① 牽引變壓器1#B和2#B互為備用，隔離開關(guān)2011、6011、2021、6021處于閉合狀態(tài)；1#B主用時(shí)，斷路器201、601處于閉合狀態(tài)，斷路器202、602處于斷開狀態(tài)；2#B主用時(shí)，斷路器202、602處于閉合狀態(tài)，斷路器201、601處于斷開狀態(tài)。② 同相供電裝置1#、3#與2#、4#互為備用。③ 母聯(lián)開關(guān)2001、2002處于閉合狀態(tài)。④ 饋線隔離開關(guān)2111、2121、2131、2141，饋線斷路器211、212、213、214，上網(wǎng)隔離開關(guān)Z01、Z02、Z03、Z04均處于閉合狀態(tài)。⑤ 上下行并聯(lián)開關(guān)1A203、1A129處于斷開狀態(tài)。⑥ 分相開關(guān)1B131、1B130處于閉合狀態(tài)；分相開關(guān)1B202、1A201處于斷開狀態(tài)。

2 列車在絕緣錨段關(guān)節(jié)區(qū)域內(nèi)迫停的危害

同相供電技術(shù)的應(yīng)用，解決了電能質(zhì)量的問(wèn)題，提高了電源適應(yīng)性，同時(shí)也提升了列車的運(yùn)力，具有較好的節(jié)能效果。但由于同相供電技術(shù)的應(yīng)用，變電所出口電分相區(qū)域無(wú)電區(qū)域消失，取而代之的是絕緣錨段關(guān)節(jié)。文獻(xiàn)[2]規(guī)定，站場(chǎng)、區(qū)間接觸網(wǎng)中不同供電臂的電分段兩端為列車禁停區(qū)域，因此認(rèn)為該規(guī)定對(duì)于變電所出口絕緣錨段關(guān)節(jié)區(qū)域同樣適用。

列車在絕緣錨段關(guān)節(jié)區(qū)域迫停(見圖2)分為如下兩種情況：

一是列車迫停于絕緣錨段關(guān)節(jié)過(guò)渡段。列車受電弓處于絕緣錨段關(guān)節(jié)過(guò)渡段時(shí)，受電弓與接觸網(wǎng)工作支接觸良好，但與非工作支接觸不良。當(dāng)接觸網(wǎng)工作支與非工作支的間距小于75 mm[3]，列車再次起動(dòng)時(shí)，由于起動(dòng)電流較大，將會(huì)導(dǎo)致工作支的接觸網(wǎng)電壓瞬時(shí)下降，此時(shí)非工作支的電壓維持不變，從而在工作支和非工作支之間瞬時(shí)形成較大的電位差，導(dǎo)致非工作支與列車受電弓之間出現(xiàn)嚴(yán)重的拉弧、放電現(xiàn)象。由于列車起動(dòng)初速度低，無(wú)法迅速熄弧，弧光產(chǎn)生的能量將迅速積聚，在接觸網(wǎng)補(bǔ)償張力的作用下，輕則燒傷接觸網(wǎng)，重則出現(xiàn)斷線事故[4]。

二是列車迫停于絕緣錨段關(guān)節(jié)等高段區(qū)域。列車受電弓處于絕緣錨段關(guān)節(jié)等高段區(qū)域時(shí)，理論上列車起動(dòng)不會(huì)導(dǎo)致拉弧、放電的現(xiàn)象；但由于等高段區(qū)域較短，列車起動(dòng)后初速度低，加速過(guò)程受電弓取流較大，列車在等高段區(qū)域內(nèi)起動(dòng)后進(jìn)入其過(guò)渡段時(shí)，仍有可能出現(xiàn)較為嚴(yán)重的拉弧、放電現(xiàn)象。

注：市城鐵路動(dòng)車組為4節(jié)編組;單節(jié)車廂長(zhǎng)度約為26 m;兩弓間距為38.45 m。圖2 列車在絕緣錨段關(guān)節(jié)區(qū)域迫停示意圖Fig.2 Schematic diagram of forced stop of train in insulated anchor section

由此可知，列車迫停后，如若受電弓處于絕緣錨段關(guān)節(jié)等高段區(qū)域，以及受電弓處于工作支與非工作支的間距小于75 mm[3]的過(guò)渡段區(qū)域時(shí)，列車再次起動(dòng)運(yùn)行都會(huì)給接觸網(wǎng)設(shè)備運(yùn)行帶來(lái)極大的安全風(fēng)險(xiǎn)。

因此，在列車正常運(yùn)行過(guò)程中，應(yīng)嚴(yán)禁在絕緣錨段關(guān)節(jié)等高段區(qū)域及工作支與非工作支的間距小于75 mm[3]的過(guò)渡段區(qū)域內(nèi)停車。

3 列車在絕緣錨段關(guān)節(jié)區(qū)域的禁停范圍

S1線牽引變電所出口設(shè)置有四跨式電分相，由于上、下行線路各有1把電分相開關(guān)(小里程方向)處于閉合狀態(tài)，故電分相部位不存在無(wú)電區(qū)，上、下行線路各形成了兩個(gè)絕緣錨段關(guān)節(jié)。S1線小里程方向的絕緣錨段關(guān)節(jié)等高段兩側(cè)的過(guò)渡段工作支與非工作支的供電取自同一供電臂，不存在第2節(jié)闡述的危害問(wèn)題；S1線大里程方向的絕緣錨段關(guān)節(jié)等高段兩側(cè)的過(guò)渡段工作支與非工作支的供電取自不同供電臂，列車如果迫停于第2節(jié)闡述的禁停范圍內(nèi)，列車重新起動(dòng)將會(huì)給接觸網(wǎng)設(shè)備造成較大的風(fēng)險(xiǎn)。

中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司制定了“預(yù)留接觸網(wǎng)電分相處設(shè)置禁停標(biāo)的說(shuō)明”[5],該說(shuō)明將整個(gè)電分相范圍全部劃入列車禁停區(qū)域，但該四跨式電分相總長(zhǎng)度為123 m(線路小里程方向絕緣錨段關(guān)節(jié)長(zhǎng)51 m、無(wú)電區(qū)長(zhǎng)22 m，大里程方向絕緣錨段關(guān)節(jié)長(zhǎng)50 m)。S1線動(dòng)車組兩弓間距為38.45 m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)方給出的禁停區(qū)域長(zhǎng)度。如若列車在設(shè)計(jì)方給出的禁停區(qū)域內(nèi)迫停，司機(jī)無(wú)法確認(rèn)受電弓的實(shí)際位置，更無(wú)法確定重新啟動(dòng)列車是否會(huì)導(dǎo)致接觸網(wǎng)放電、拉弧現(xiàn)象。為避免該事故，需出動(dòng)救援列車或采用其中1個(gè)供電臂停電的方式進(jìn)行救援，救援時(shí)間將會(huì)較長(zhǎng)，影響范圍很大，將嚴(yán)重影響軌道交通正常運(yùn)營(yíng)秩序。

通過(guò)深入分析可知，并非列車在整個(gè)電分相區(qū)域內(nèi)迫停都會(huì)對(duì)接觸網(wǎng)設(shè)備造成危害，因此可對(duì)設(shè)計(jì)方給出的禁停范圍進(jìn)行優(yōu)化。

由于S1線小里程方向的絕緣錨段關(guān)節(jié)工作支和非工作支為同一供電臂取電，不存在列車重新起動(dòng)危害問(wèn)題，因此可將小里程方向的絕緣錨段關(guān)節(jié)排除在禁停區(qū)域以外，只考慮大里程方向的絕緣錨段關(guān)節(jié)。

S1線大里程方向的絕緣錨段關(guān)節(jié)總長(zhǎng)度為50 m，等高段長(zhǎng)度為5～10 m(視現(xiàn)場(chǎng)工藝而定)，中心柱等高點(diǎn)兩側(cè)過(guò)渡段長(zhǎng)度分別為20 m 和22.5 m(等高段長(zhǎng)度為10 m時(shí)，其兩側(cè)過(guò)渡段的長(zhǎng)度為20 m；等高段長(zhǎng)度為5 m時(shí)，其兩側(cè)過(guò)渡段的長(zhǎng)度為22.5 m)。通過(guò)本文第2節(jié)的分析可知，只有在非工作支與工作支間距小于75 mm時(shí)，重新起動(dòng)列車才會(huì)對(duì)接觸網(wǎng)設(shè)備造成損害。

在絕緣錨段關(guān)節(jié)處，在接觸網(wǎng)工作支至轉(zhuǎn)換柱一跨的距離內(nèi)，將導(dǎo)線升高500 mm成為非工作支，并將其拉至錨柱處下錨。因此，本文按照非工作支距工作支的最大距離500 mm來(lái)計(jì)算非工作支與工作支間距小于75 mm的過(guò)渡段長(zhǎng)度，如圖3所示。等高段長(zhǎng)度為5 m時(shí)，兩側(cè)過(guò)渡段長(zhǎng)度為22.5 m，則非工作支與工作支間距小于75 mm時(shí)的過(guò)渡段長(zhǎng)度為3.375 m；等高段長(zhǎng)度為10 m時(shí)，兩側(cè)過(guò)渡段長(zhǎng)度為20 m，則非工作支與工作支間距小于75 mm時(shí)的過(guò)渡段長(zhǎng)度為3 m。通過(guò)計(jì)算可知，列車重新啟動(dòng)真正會(huì)有危險(xiǎn)的過(guò)渡段長(zhǎng)度為3.000～3.375 m。

圖3 絕緣錨段關(guān)節(jié)禁停區(qū)域核算示意圖Fig.3 Calculation diagram of joint prohibited parking area of insulated anchor section

為了安全起見，絕緣錨段關(guān)節(jié)等高段長(zhǎng)度取最大限度10 m，兩側(cè)非工作支與工作支間距小于75 mm的過(guò)渡段長(zhǎng)度取最大限值3.375 m，故列車重新起動(dòng)真正會(huì)影響到的接觸網(wǎng)設(shè)備造成危害的區(qū)域長(zhǎng)度為16.75 m。

為了進(jìn)一步確保安全，應(yīng)避免列車低速起動(dòng)直接進(jìn)入禁停區(qū)域，在列車行車方向接近禁停過(guò)渡段的區(qū)域，再考慮15 m的列車提速距離，通過(guò)計(jì)算得出列車在絕緣錨段關(guān)節(jié)處的禁停區(qū)域長(zhǎng)度為32 m。

綜上所述，將設(shè)計(jì)方給出的禁停區(qū)域由整個(gè)電分相長(zhǎng)度123 m優(yōu)化縮短至32 m，將極大地減小列車迫停于禁停區(qū)域的概率，以避免不必要的救援給軌道交通線路正常運(yùn)營(yíng)造成影響。

4 列車在絕緣錨段關(guān)節(jié)禁停區(qū)域迫停后的處置措施

列車運(yùn)行過(guò)程中，倘若因緊急狀況迫停于禁停區(qū)域時(shí)，緊急狀況解除后不可直接起動(dòng)列車。禁停區(qū)域的長(zhǎng)度僅為32 m，動(dòng)車組兩弓間距為38.45 m。司機(jī)可以通過(guò)對(duì)照判斷受電弓的位置，實(shí)現(xiàn)自主救援。具體措施如下：

一是列車前弓處于工作狀態(tài)，并落入禁停區(qū)域時(shí)，應(yīng)降前弓、升后弓后再起動(dòng)列車運(yùn)行；二是列車后弓處于工作狀態(tài)，并落入禁停區(qū)域時(shí)，應(yīng)降后弓、升前弓后再起動(dòng)列車運(yùn)行，如圖4所示。

圖4 動(dòng)車組列車升、降弓示意圖Fig.4 Schematic diagram of pantograph bow raising and lowering of EMU train

動(dòng)車組列車受電弓間距要比禁停區(qū)域的長(zhǎng)度至少長(zhǎng)6.45 m，該余量保證了兩個(gè)受電弓不可能同時(shí)落入禁停區(qū)域，彌補(bǔ)了司機(jī)的觀測(cè)誤差，確保了行車安全。

5 列車受電弓位置標(biāo)志的設(shè)置

列車迫停后，為便于司機(jī)準(zhǔn)確判斷受電弓的所處位置，可采取如下措施：

1) 結(jié)合禁停區(qū)域的長(zhǎng)度和動(dòng)車組受電弓的實(shí)際位置，在適當(dāng)位置設(shè)置醒目標(biāo)志(見圖5)。列車迫停后，司機(jī)可通過(guò)對(duì)照標(biāo)志來(lái)判斷受電弓的所處位置。

2) 結(jié)合禁停區(qū)域的長(zhǎng)度和動(dòng)車組受電弓的實(shí)際位置，對(duì)相鄰防護(hù)欄的相應(yīng)范圍噴涂醒目顏色(見圖5)。列車迫停后，司機(jī)可通過(guò)對(duì)照顏色來(lái)判斷受電弓的所處位置。

圖5 列車受電弓所處位置標(biāo)志設(shè)置示意圖Fig.5 Schematic diagram of location mark setting of train pantograph

在設(shè)置輔助標(biāo)志或顏色的基礎(chǔ)上，再給司機(jī)配發(fā)應(yīng)急處置提示卡，卡片上注明標(biāo)志或顏色與列車受電弓的對(duì)應(yīng)關(guān)系。當(dāng)列車在禁停區(qū)出現(xiàn)迫停狀況后，司機(jī)可以借助提示卡準(zhǔn)確地對(duì)受電弓位置進(jìn)行判斷，從而避免誤判的情況發(fā)生。

6 結(jié)論

1) S1線采用交流牽引供電系統(tǒng)，并引進(jìn)了同相供電技術(shù)，解決了列車設(shè)計(jì)速度高、容量大與站間距小、列車起停頻繁之間的矛盾。

2) 應(yīng)視變電所出口電分相處的絕緣錨段關(guān)節(jié)為供電和行車的關(guān)鍵部位，一方面，可以盡量避免列車在絕緣關(guān)節(jié)禁停區(qū)域內(nèi)停車；另一方面，列車出現(xiàn)緊急迫停之后應(yīng)能正確處置，以最大程度地降低對(duì)城市軌道交通線路正常運(yùn)營(yíng)的影響。

3) 本文闡述的絕緣錨段關(guān)節(jié)部位禁停區(qū)域，列車迫停于禁停區(qū)域后的處置措施，以及便于司機(jī)判斷列車受電弓位置的措施，理論上能夠保證列車緊急迫停后的起動(dòng)安全，可以避免接觸網(wǎng)設(shè)備燒傷或斷線事故，以及避免不必要的救援對(duì)軌道交通線路正常運(yùn)營(yíng)造成影響，同時(shí)也為城市軌道交通的發(fā)展和同相供電技術(shù)的廣泛應(yīng)用提供了一定的技術(shù)支撐。