双流制列车通过中性段的供电切换方案研究*

王志荣

(中铁电气化勘测设计研究院有限公司, 300250, 天津∥高级工程师)



应用技术

双流制列车通过中性段的供电切换方案研究*

王志荣

(中铁电气化勘测设计研究院有限公司, 300250, 天津∥高级工程师)

初步研究了重庆铜梁试验线交直供电系统间设置的中性段供电切换方案。在线路条件允许的情况下，建议双流制列车通过接触网中性段时采用不停车、不降弓的车上切换方式进行供电切换。接触网中性段位置宜选择在地面或高架区段。

城市轨道交通; 双流制列车; 中性段; 供电切换方案

Author′s address China Railway Electrification Survey Design & Research Institute Co.,Ltd.,300250,Tianjin China

在我国的城市轨道交通网络中,市区域线多采用DC 1 500 V的供电制式,列车速度通常设计在100 km/h内；而市郊线采用AC 25 kV供电制式,且列车的运行速度可大于120 km/h。若郊线列车与市区线列车要实现同车站直接换乘或贯通运行,则需在交直流供电系统间设置中性段。

根据重庆市城乡总体规划(2007—2020年)及打造“一小时经济圈”的城市发展战略,重庆铜梁试验线拟规划建设成为新型的快速轨道交通,采用双流制列车以实现铜梁试验线与重庆轨道交通1号线(以下简称为“1号线”)的同站换乘或贯通运行[1]。

铜梁试验线规划分两段建设：一段从1号线终点尖顶坡站至璧山站;另一段从璧山站至终点铜梁站。由于已开通运营的1号线采用DC 1 500 V供电制式,而铜梁试验线采用AC 25 kV供电制式,故若要实现铜梁试验线与1号线的同站换乘或贯通运行,就必须采用能兼容AC 25 kV和DC 1 500 V两种供电模式的双流制列车,同时在璧山站站前或站后区间设置交直流系统中性段,来完成对双流制列车供电的切换。

采用双流制列车的快速轨道交通是一种用于连接主城区与郊区、卫星城的轨道交通运营模式,在我国还没有成功应用的先例。因此，有必要借鉴国外实用线路的经验,对重庆铜梁试验线双流制列车过中性段的供电切换方案进行一些前瞻性的研究。

1 国外的运行经验

采用双流制列车的轨道交通运营模式源于欧洲,在德国、法国、西班牙等国家至今有二十多年的运行历史[2]。在亚洲,日本开展地铁与国铁直通运营的规划较早,东部的JR常磬线、西部的JR北陆本线等也有近二十年的运营经验[3]。

国外双流制列车通过中性段的供电切换方式一般有两种,一种为地面开关切换方式;另一种为列车开关切换方式,包括列车降弓和不降弓通过中性段两种方式。

1.1 地面开关切换方式

该方案中，接触网中性段设在车站内,其长度大于一列列车的长度。接触网既要满足交流电源供电要求,也要满足直流电源供电要求。列车在中性段内通过地面开关和列车交直流回路的切换来完成交直流供电的切换。图1为日本JR线黒磯站内中性段地面切换方案示意。该方案在国外使用较少,日本也仅此1处。

图1 日本JR黒磯站中性段切换方案示意图

1.2 列车开关切换方式

列车开关切换时通过地面的信号设备、计轴设备及调度员、驾驶员等的相互配合,通过列车自身开关的切换,来完成交直流系统对列车供电的切换。列车开关切换方式包括列车降弓和不降弓通过中性段2种方式。

1.2.1 列车不降弓方式

列车不降弓通过中性段的切换方式有较多应用。在欧洲比较典型的有德国汉堡的“S-Bahn”系统,在亚洲日本的筑波线也比较有代表性。

德国汉堡“S-Bahn”的双流制线路中,设有AC 15 kV和DC 1 200 V的接触网中性段。列车过中性段的供电切换方式如图2所示。以从直流侧至交流侧为例,列车在第1个受电弓通过“a”位置的分段绝缘器前首次切断直流供电；列车滑行通过“a—b”中性分段、“b—c”接地分段、“c—d”中性段、“d—e”接地分段和“e—f”中性分段；当列车完全通过“f”位置时,开启交流供电。这样列车可不停车、不降弓直接通过中性段,完成交直流供电的转换[1]。

日本的筑波线于2005年8月投入运行，采用TX2000型双流制列车,其最高运行速度130 km/h。在守谷站至未来平站间高架区间设置了AC 20 kV和DC 1 500 V接触网中性段。

图2 德国“S-Bahn”系统中性段切换方案示意图

列车从直流侧至交流侧的供电切换方式如图3所示。列车加速到达A点时,通过声音及显示器通知驾驶员接近中性区段。列车到达B点时通过地面设施自动打开列车真空断路器,进行车上电路的交直流切换。列车到达C点时驾驶员确认切换状态;在自动切换不成功的情况下,驾驶员可进行手动切换。然后列车惰行通过“D—E”中性区段,待列车检测到交流电源后,投入真空断路器。这样列车可不停车、不降弓通过中性段,完成交直流供电的转换[4]。

1.2.2 列车降弓方式

在西班牙马德里—塞维利亚的线路上设有一处AC 25 kV与DC 3 kV接触网中性段。其中性段供电切换示意如图4所示。当列车通过中性段时,通过司机必要的转换操作,使列车降弓通过中性段[5]。

图3 筑波线中性段供电切换示意图

图4 马德里-塞维利亚线中性段供电切换示意图

2 国内现状

在国内虽然还没有采用双流制列车成功运行的轨道交通线路,但也有一些相关的研究成果。如中国南车株洲电力机车有限公司为南非“窄轨”铁路研制的双流制22E型电力机车已成功下线。这标志着我国双流制电力机车装备的制造技术已经成熟[6]。国内新建的水厂矿区至曹妃甸港区专用铁路(采用AC 27.5 kV)与既有卑水线(采用DC 1 650 V)在木厂口站接轨,并在木厂口站设置交直流系统转换场的方案。国内也有对其相关的研究[7]。

随着我国轨道交通的发展,地区铁路与城市轨道交通连接的需求已经出现。例如，上海轨道交通11号线规划延伸到江苏省的昆山市,且不排除今后与地区铁路连接;广东省也开始规划珠三角城际轨道交通与广州、深圳地铁的兼容问题[8]。另外,国家发展与改革委员会和交通运输部于2015年12月8日联合发布了《京津冀协同发展交通一体化规划》,提出了建设“轨道上的京津冀”的设想：未来,京津冀地区将形成以干线高铁、城际铁路、区域快线、地铁为支撑的四个层次的轨道交通网。因此,采用双流制列车的轨道交通运营模式在我国将会有很好的应用前景。

3 铜梁试验线方案

3.1 主要技术条件

(1) 线路：尖顶坡站至璧山站线路长约5.9 km,其中地下隧道(缙云山隧道)区段长约3.6 km。璧山站至铜梁站线路长约30.8 km,其中68%为地面和高架线路。

(2) 行车与车辆：车辆采用新型双流制电动车组,采用6辆编组(4动2拖),最高运行速度为130 km/h。列车通过中性段的惰行速度初定为100 km/h。

(3) 供电制式：尖顶坡站至璧山站采用DC 1 500 V架空接触网供电制式。璧山站至终点铜梁站采用AC 25 kV架空接触网供电制式。

(4) 信号：与1号线信号系统兼容。

3.2 列车的切换方式

根据前面的介绍,德国与西班牙的双流制线路中性段均采用车上切换方式,且中性段都设置了接地分段,以防止列车自动切换失败带电进入中性段时对车辆和接触网系统造成损坏。中性段长度均要大于1列列车的长度,且接触网无电区较长,地面设施较多,接触网结构较复杂。

日本的双流制线路中性段长度不需要大于1列列车的长度,接触网无电区较短,只有几十米,结构简单,设置位置灵活,且不需要设置地面开关,造价相对也低。

由于铜梁试验线的主要技术条件与日本筑波线有颇多相似之处,故双流制列车过中性段切换方式可参考日本筑波线的经验,采用车上切换方式。

3.3 中性段的设置位置

根据线路专业提供的资料,尖顶坡站至璧山站间的线路60%为地下隧道线路,不宜设置中性段。因此仅研究璧山站后设置中性段的可行性。

根据日本筑波线的经验,首先要计算列车出站加速段所需距离、惰行过程中列车完成交直流切换所需安全距离、中性段无电区的长度、过中性段后完成切换所需距离等。另外，参考电气化铁道相关标准，接触网分相装置不宜设在大于6‰的大坡道上,再考虑线路曲线半径等因素，综合确定中性段的设置位置。

根据行车、车辆资料进行的初步计算,列车从完成加速开始惰行,到通过中性段后合上主断路器，整个切换过程需要的距离不小于900 m。根据铜梁试验线线路资料,接触网中性段可设置在璧山站后区间地面及高架段。在实际的工程设计中,可根据具体的计算参数来确定中性段的具体里程。

3.4 中性段接触网设置方案

研究接触网中性段的方案,首先要确定中性段无电区需要的长度,然后确定中性段接触网的悬挂类型。

3.4.1 中性段无电区长度

中性段无电区的长度与列车交直流回路切换的动态过程密切相关。由于缺少国内双流制列车的具体资料,故以日本双流制列车为例,简要介绍切换的动态过程。列车在交流供电模式下的主回路原理示意图如图5所示。列车在直流供电模式下的主回路原理示意图如图6所示。

图5 列车交流供电主回路示意图

列车通过中性段时,存在受电弓主断路器分、合闸及车内交直流回路切换等暂态过程。

当列车从交流侧至直流侧时,列车出站加速进入稳定运行状态,进入惰行区后主断路器分闸,切除空载变压器时会产生截流过电压。在惰行工况下,电动机作为发电机在使用，整流器与逆变器之间进行能量交换。由于列车内部有大量的储能元件,故其中的暂态过程非常复杂。双流制列车进入直流区段合闸时,直流电流中还会产生交流分量等。

图6 列车直流供电主回路示意图

当列车从直流侧至交流侧时,列车从出站加速进入直流稳定运行状态，进入惰行区主断路器分闸，惰行工况下电动机同样作为发电机使用。中间的过渡过程与交流侧至直流侧相似,但是四象限整流器投入后从暂态启动到稳定的过程比直流电源投入复杂得多。同时,由于切换过程中直流回路稳压电容的放电、充电等因素,其暂态过程比交流侧至直流侧时更复杂，需要的切换时间也更长。从直流侧至交流侧中性段的长度一般也要大于从交流侧至直流侧长度。对于列车交直流切换过程的暂态分析,国内已有相关的研究[9]。

中性段无电区的长度与列车通过速度、受电弓参数、列车主断路器分合时间、列车交直流回路切换时间、异电源检测时间等特性有关。在实际的工程设计中，中性段无电区的长度应根据车辆专业提供的具体参数进行计算确定,有条件时进行必要的试验验证。

3.4.2 中性段接触网的悬挂方案

交直流系统间的接触网中性段类似于电气化铁道的中性段(又称电分相)。因此,可借鉴电气化铁道电分相技术,设置关节式中性段或器件式中性段。

3.4.2.1 关节式接触网中性段

关节式接触网中性段为1个独立的锚段,与两端接触网电气绝缘。设置关节式中性段时,可参考电气化铁道接触网常用的七跨式、八跨式及九跨式等几种电分相方案。

以七跨式关节中性段方案(如图7所示)为例,当跨距为45 m时,中性区长度约为75 m。中性区(无电区)长度可随跨距的增加进行调整。该方案要求受电弓有足够的工作宽度,以满足关节处的空气绝缘间隙要求。

图7 七跨式关节中性段示意图

3.4.2.2 器件式接触网中性段

器件式接触网中性段为一个锚段中的一部分,通过安装分段绝缘器,将中性段与其两侧的接触网电气绝缘。双流制列车的运行速度一般小于160 km/h,器件式中性段可采用电气化铁道接触网传统的分相绝缘器[10]。

分相绝缘器由3个绝缘棒组成,且在导线上有6个接头(如图8所示)。分相绝缘器总长约为30 m,无电区长度可通过增减绝缘棒数量来调整。器件式中性段接触网悬挂方案对受电弓工作宽度无特殊要求。铜梁试验线直流侧至交流侧的接触网中性段可按图9所示方案设置。交流侧至直流侧的接触网中性段可按图10所示方案设置。

图8 器件式中性段示意图

图10 铜梁试验线交流侧→直流侧接触网中性段方案图

3.5 列车通过中性段切换方式

铜梁试验段列车从直流侧行驶至交流侧时,其供电切换方案如图11所示。

图11 铜梁试验线中性段供电切换方案示意图

列车出璧山站后经过长约800 m的加速段,并在A点处速度达到100 km/h。在A点处设置标识,并配合信号系统,可通过声音及显示器通知驾驶员已经接近中性区,应保持100 km/h匀速驾驶。

当列车到达B位置时,可通过信号系统或地面设施向列车发出信号,自动打开列车主回路断路器,并进行车内交直流回路的切换。

BC段内驾驶员对主回路断路器状态及车内交直流回路切换状态进行确认。确认列车交直流回路切换成功后,列车惰性通过CD段。若自动切换不成功时,在CD段内,驾驶员应完成手动操作切换。

在D点处设置警示标识。列车以无负荷状态惰行通过中性段DE段。列车通过中性段DE时不同受电弓会同时检测到直流、交流两种电源信号,列车需保持主断路器分闸状态。

在F点设置警示标识。只有当列车完全通过E点,且在EF段内列车检测到受电弓上全部为交流电源后,再通过F点时确认信号,向列车发出投入主断路器信号。列车开始加速前行。

至此,列车通过中性段完成。从交流侧驶向直流侧时的切换原理与此相同。

4 结语

双流制列车通过中性段的供电切换方案是需要多专业配合才能完成的系统性方案,需要供电、行车、车辆、线路、信号等专业的密切配合。

在线路条件允许的情况下,双流制列车通过接触网中性段的供电切换建议采用不停车、不降弓的车上切换方式。

接触网中性段位置宜选择在地面或高架区段,以有利于地面信号设备的设置及司机对安全标识的确认,同时便于日常的运营维护管理。

铜梁试验线的中性段方案是基于工可阶段的基础数据确定的。对于其它地区的不同线路情况,可参照上述的分析方法,但数据未必适用。

[1] 德国ILF工程咨询公司,德国汉堡咨询公司,重庆市轨道交通(集团)有限公司.中德金融合作项目重庆“都市快轨”(S-Bahn)铜梁试验线工程可行性研究报告[R].重庆:重庆市轨道交通(集团)有限公司,2012.

[2] 闰小勇,张万胜.关于我国发展轻轨与铁路共轨运行系统的探讨[J].石家庄铁道学院学报,2003,16(4):34.

[3] 明瑞利,叶霞飞.东京地铁与郊区铁路直通运营的相关问题研究[J].城市轨道交通研究,2009(1):21.

[4] 中央复建工程咨询株式会社,日本地下铁协会.日本的交直流切换运行及交直流两用电车技术[R].重庆:重庆市轨道交通(集团)有限公司,2013.

[5] (德)Kieβling,Pusschman,Shmieder.电气化铁道接触网[M].中铁电气化局集团有限公司译.北京:中国电力出版社,2004:316.

[6] 阳建.中国专门为南非研制的“双流制”电力机车下线[EB/OL].(2015-04-10)[2016-01-06].http:∥news.xinhuanet.com/2015-04/10/c_1114930989.htm.

[7] 晋钰,杨振龙.交直流转换场牵引供电系统技术研究[J].电气化铁道,2012(3):20.

[8] 谢维达.多流制列车及其在我国的应用前景[J].城市轨道交通研究,2010(3):特约时评.

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[10] 中华人民共和国铁道部.25 kV电气化铁道接触网用分相绝缘器:TB/T 3037—2002[S].北京:中国铁道出版社,2002.

“巴铁”将在秦皇岛市进行试运行

由中国原创发明的新型公共交通工具“巴铁”模型车将于今年8月亮相，并将在秦皇岛市进行试运行。 “巴铁”又称为“宽体高架电车”，是一种集城市快速公交(BRT)与地铁优点于一身的发明。车身总长度为58～62 m，总高度为4.5～4.7 m，宽为7.8 m，分上下两层，上层载客，下层镂空。镂空底层高度为2.1～2.2 m，无论静止还是行驶，2 m以下的小汽车均可自由通行。在行驶中，小汽车与“巴铁”互不干扰，有效避免了现有传统公交车和小汽车争路的现状。“巴铁”行驶速度为60～80 km/h，较一般公交快。它可与设在路边的公交站或天桥对接，无论是直行、停站，都不会影响底下汽车的通过。“巴铁”综合造价约2 000万美元/km，仅为地铁造价的16%～20%，建设施工周期为地铁的20%。据计算，每辆“巴铁”可代替40辆普通燃油公交大巴，大大减少城市空气污染及碳排放。据巴铁科技发展有限公司董事长白志明介绍，早在2010年“巴铁”的理念提出后，就被美国《时代周刊》报道并逐渐受到人们关注，作为中国自主研发的新型公共交通工具，第一个“巴铁”模型车正在江苏生产中，将于7月底前完成，并将在秦皇岛市试运行。此外，除了秦皇岛，河南省周口市规划了120 km的“巴铁”专用线，该公司还与尼日利亚、巴西、墨西哥、西班牙、印度尼西亚和阿根廷签订了意向协议。

(摘自2016年5月26日中新网，记者 李茜报道)

Power Supply Switching Scheme for Dual-current Vehicle Passing the Pantograph Neutral Section

WANG Zhirong

Based on a preliminary study on the power supply switching scheme on the neutral section of AC and DC power supply system for Chongqing Tongliang Testing Line, a new power switching scheme is proposed that when a dual-current vehicle passes the pantograph neutral section, the train will neither stop nor lower the pantograph, and the location of pantograph neutral section should be set on the ground or in the elevated sections.

urban rail transit; dual-current system train; neutral section; power supply switching scheme

*重庆市科技攻关项目(cstc2012ggC30001)

U 223.5+1

10.16037/j.1007-869x.2016.06.026

2016-01-14)