轨道交通采用25 kV交流制的电分相影响分析及处理对策

黄足平

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉 430063)



轨道交通采用25 kV交流制的电分相影响分析及处理对策

黄足平

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉 430063)

供电制式选择是轨道交通考虑的重要因素之一。回顾总结相关研究、文献的论述和结论，模拟列车在不同速度、不同坡道情况下断电通过电分相的工况。通过模拟结果，论述交流供电电分相对设站、站间距和列车运行的影响及处理措施。

轨道交通；电分相；交流制

1 概述

“十二五”期间我国轨道交通获得了极大发展，其中干线国家铁路完成投资3.58万亿元(新线投产3.05万km)，城市轨道交通完成投资1.1万亿元。2016年3月国家发布“十三五”国民经济计划纲要，轨道交通仍是发展重点，要建设“互连互通的现代基础设施网络，更好发挥对经济社会发展的支撑引领作用”。未来我国轨道交通将由干线高铁、城际铁路、城市地铁(含轻轨)向市域、郊区铁路延伸发展。

我国干线铁路采用统一的工频25 kV交流制式供电，城市轨道交通采用直流1 500 V或750 V电压制式供电。在未来的市域、市郊铁路建设中，供电制式的选择仍是须要认真考量的主要技术标准之一。由于采用工频25 kV交流制的牵引供电系统相较直流750 V或1 500 V制式不仅牵引供电本体投资节省，而且运营损耗也低，符合国家节能政策，对从事牵引供电的技术人员来讲极具吸引力，当然是首选。因此，在城市轨道交通，市域、郊区铁路建设中，采用何种牵引供电制式，必须将比选考虑的因素进行全面、综合比较。

有关轨道交通供电制式比较早的文献大多不是比较交流、直流制，而是论述采用直流750 V和1 500 V电压等级的比较[1-3]。

近年有一些专家和学者从不同角度对采用工频交流25 kV供电制式进行了分析。

朱俐琴从与干线电气化铁路兼容考虑，建议关注交流25 kV供电制[4]。

为合理选择牵引供电制式，文献[5-11]从线网规划及跨线运营、一次建设综合投资(尤其隧道净空开挖投资)、运营成本(包含再生制动能量利用)、迷流防护、供电能力、运营速度等方面进行了分析和比较，其基本观点如下所述。

(1)工频25 kV交流牵引供电相比直流1 500 V供电制式能适应更宽速度运营要求的需要，尤其大于140 km/h的运营线路适宜采用交流。

(2)供电制式的选择与线路功能定位在线网中的作用相关，应统筹考虑。线网衔接方式成为确定铁路牵引供电制式的决定因素。

(3)线路的敷设方式是采用交直流供电制式的一次性投资的决定性因素。采用交流供电制式的地下盾构区间土建投资比采用直流供电制式高(约2 500万元/km)。当地下线路超过一定比例时(如29%)，采用直流制式供电方式节省投资；在以高架敷设为主的线路，交流制式节省投资。

如前面叙述之外，由于交流牵引供电系统存在电分相，在某些条件下对运营存在不良影响。一条线路决定是否采用交流工频25 kV牵引供电，需对交流牵引供电系统电分相在一些条件下进行评估，以决定是否采用交流工频制或选择合适技术措施来处理这种不适。

2 交流电分相对设站和运输的影响

由于地铁采用直流牵引供电的牵引网在电气上是贯通的，列车负荷由多个电源按供电电源对负荷的阻抗按反比例分担负荷，直流牵引供电系统满足连续供电是没有问题的。所以，一条线路采用直流供电的不同牵引所的布点方案差异只是体现在数量和规模上的差异，只存在经济因素，不会构成技术障碍。

然而，交流供电在牵引网上形成分相转换区，轨道交通若采用交流25 kV制式，这个不足之处在某些条件下可能构成技术缺陷，导致交流供电方式不能采用，或者必须采取措施处理。

交流25 kV制式一般供电半径约50 km(视列车编组、速度、追踪间隔等形成的牵引网线负荷密度不同有差异)。若一条线路过短，则供电能力利用不充分，经济性下降，影响交流供电方式优势发挥。

站间距是考虑是否采用交流供电的必要因素，这在以往的设计中考虑不够。分相技术实现方式也对交流25 kV制式适应轨道交通具有影响。器件式电分相的断电距离较少(可做到小于100 m)，适应运营速度小于80 km/h，但对弓网不利，增加维修量。关节式电分相的断电距离较大(一般不小于300 m)，关节式电分相本身适应高速运行，但设站距离较小、运营速度较低时，列车通过电分相困难，从而制约了交流牵引在城市轨道交通、市域轨道交通中的应用。

表1为采用钢车体的温州市域动车组在不同坡道、不同初始速度情况下无动力惰行模拟列车断电通过电分相的距离和时间。

表1 温州市域轨道交通不同初始速度列车

模拟计算中，线路条件为地面线路。由表1所列数据可看出，在列车速度低于15 km/h时，在大于6‰的坡道上自然通过任何结构的电分相均存在问题；列车速度40 km/h且坡道大于20‰时，可以自然通过器件式分相，但难以通过关节式分相。

从表1还可以看到，如果仅满足于列车低速自然通过电分相，会影响列车运行时间进而影响运营能力。这在运输能力富余的线路中影响不大，但在运输能力需求较大的线路则必须加以考虑，毕竟国内城市轨道交通的追踪间隔大多为120 s，甚至有些线路追踪间隔低于120 s。

决策采用交流制式时，当线路坡度较小、通过速度较高时，对运营影响不大。

当线路坡度较大，采用较小的设站距离(如小于1 000 m)、较低的运营速度时，必须要对列车通过电分相进行仔细研究，考虑自然通过分相对运营的能力影响。如果交流制对运营时的正常行车造成影响，则应在技术上采取额外措施。原来单一目标选择的节能坡必须综合考虑，设站也要重新优化。如果改变这些站前工程影响太大，那么从供电系统上也可以采取多种措施。

3 克服电分相制约因素的措施及选用

如前所述，接触网电分相结构目前有器件式和关节式两种。为了有利于列车运行，应尽可能缩短无电区长度。工程设计中分相应尽量避开出站和大坡道地段。

如果能够接受器件式分相的缺点，这种分相的无电区是最短的。

若不接受器件式分相转而采用关节式分相，那么在列车运行速度不高(小于120 km/h)的情况下，降低接触网线索张力而采用小跨距的关节式分相是可选的技术方案。

如果为了满足不同运营情况的需要(如正常速度较高，但要求低速条件下也能通过)，那么就要在牵引供电本身采取额外的技术措施。目前可采用的措施如下。

(1)不同形式的自动过分相[12-13]

但目前自动过分相技术在我国得到成熟持久应用的案例不够多，而日本新干线的地面过分相应用较成熟。

(2)彻底解决过分相的同相供电[14-15]

若采用同相供电，则牵引网与直流制式一样为贯通式供电，可满足列车在低速度和较小站间距下的运行需要。

但鉴于目前的设备和器件技术发展水平，采用同相供电会增加投资并带来额外的功率损耗。选择时一定要进行经济技术对比。

4 结语

城市轨道交通(或市域轨道交通)的牵引供电制式是工程建设中的主要技术标准之一。制式的选用因线网规划及跨线运营、一次建设综合投资、运营成本(包含再生制动能量利用)、迷流防护、供电能力、运营速度等多种因素综合而定，不能一概而论，仍要结合具体工程具体情况进行综合比选。列车低速运行和大坡道均不适应自然通过交流供电电分相，应结合具体情况研究处理措施。

本文特别强调了采用交流供电电分相缺陷对设站问题、列车运行引起的问题及解决措施。这个影响仍要结合具体工程具体情况进行分析。设计者在进行技术比选时，应该在项目前期综合考虑到这个因素并做出科学合理决策，以避免工程出现重大设计缺陷。

[1] 方鸣.城市轨道交通的供电制式及馈电方式[J].中国铁路，2003(4)：49-53.

[2] 吴树强.城市轨道交通牵引供电方式的比较[J].城市轨道交通研究， 1998(3)：30-34.

[3] 郭其一.城市轨道车辆供电制式的分析研究[J].城市轨道交通研究，2011(8)：1-4.

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[5] 吴江涛.关于城际轨道交通牵引供电制式选择的探讨[J].世界轨道交通(技术与装备)，2009(8):42-45.

[6] 周宇冠.两种城际铁路设计思路的对比分析[J].城市轨道交通研究， 2012(6)：4-6.

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[9] 冯剑冰.城市轨道交通牵引供电系统制式选型的思考[J].现代城市轨道交通，2012(3)：100-104.

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[12]严云升.电力机车和电动车组自动过分相方案的发展方向[J].机车电传动，2004(6)：7-10.

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[15]张刚毅，李群湛.电气化铁道异相供电方式向同相供电方式的转换[J].电力系统自动化，2012(11)：142-145.

The Influence of 25 kV AC Neutral Section of Urban Rail Transit and Treatment Measures

HUANG Zu-ping

(China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.， Ltd.， Wuhan 430063， China)

The selection of power supply mode is one of the important factors of urban rail transit. This article analyses related researches and literatures， and simulates the situations where the train passes throw the neutral sections at different speed and grade. Based on the simulate results， this paper addresses the influence of the neutral sections with AC power supply on station setting， station spacing and train operation， and treatment measures

Urban rail transit; Neutral section; AC system

2016-07-22；

2016-08-04

黄足平(1965—)，男，教授级高级工程师，1987年毕业于西

南交通大学铁道电气化专业，工程硕士，E-mail：syshzp@126.com。

1004-2954(2016)11-0119-03

U231+.8

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2016.11.026