北京地铁13A线改造工程供电方案探索

李 晶，邱丽丽

0 引言

近20年是我国城市轨道交通大发展的时期，随着多年的运营，部分设备系统进入更新改造期。随着车站周边已经形成稳定的客流，即使新建地铁线路也难以缓解既有线路的压力[1]，部分线路需要通过扩编改造等进行系统运能的提升。

系统运能的提升会带来系统供电能力的不足，如既有北京地铁13号线采用6B编组，存在满载率高问题[2]，为能满足客流需求，在其二期建设规划调整中，车辆扩编为8B编组。目前国内8辆编组列车均采用DC 1 500 V供电制式，如北京地铁6号线、7号线、16号线。北京地铁13A线是国内首条8辆编组车辆采用DC 750 V牵引供电制式的线路，存在牵引网电压等级低、电流大的问题。在保证既有线不中断运营的前提下，满足供电能力满足8B编组的需求，实现供电能力安全可靠提升，是一个值得研究的课题。

1 问题的提出

1.1 基础资料

北京地铁13号线既有线路采用B型车6辆编组，DC 750 V三轨供电。在《北京市城市轨道交通第二期建设规划调整（2019—2022）》中，将13号线西二旗—回龙观段一分为二形成西北部“X”形2条线路，详见图1[3]。

图1 13号线拆分运能提升方案示意图

拆分后，13A线从车公庄站至天通苑东站，线路全长31.2 km，设置车站19座。车辆编组为8辆编组B型车（6M2T），列车最高运行速度为80 km/h，0～40 km/h车辆启动加速度为0.83 m/s2，0～80 km/h平均加速度不小于0.5 m/s2。车辆电流及相关参数情况详见表1，车辆工作电压范围：DC 500～900 V。

表1 13A线8B车辆参数情况

1.2 存在问题

拆分后，考虑13A、13B两线乘客出行、车辆维修及调配需求，以及降低运营成本及工程建设成本，两线通过新龙泽站实现互联互通、资源共享。车辆均采用DC 750 V接触轨供电制式，与既有13号线保持一致。

结合既有段及新建段的车站、区间风井分布，若13A正线设置23座牵引变电所，同时各牵引所采用2套机组的常规接线方式，此时直流开关设备已选用到最大规格。牵引所均正常工作时，相邻牵引所构成双边供电，可以满足2 min发车间隔；当中间1座牵引所解列退出，由相邻的2座牵引所形成大双边供电时，牵引网电压低于500 V，钢轨电位高于120 V，均不符合规范要求。

若不考虑投资及土建条件受限等因素，设想可以通过增加牵引所实现全线大双边供电，但没有可以满足要求的直流开关设备，该方案不可行。可以看出，8辆编组车辆采用DC 750 V牵引供电制式的线路存在牵引网电压等级低、电流大的问题。

2 解决方案

针对改造项目特点，提出在牵引变电所增设第3套机组的接线方案。

2.1 主接线形式

三机组方案为在常规变电所主接线方案基础上增加3#整流机组，并设置单独的直流开关柜和10 kV进线开关柜，具体见图2。

图2 三机组牵引变电所主接线

2.2 运行方式

2.2.1 正常运行方式

1#、2#整流机组并联运行，能馈装置只工作于逆变状态，由1#、2#整流机组通过1#直流开关柜向牵引网双边供电，纵联开关（813、824）常开，满足2 min发车间隔。

3#整流机组工作于热备用状态，246、C60合闸，C30、C40分闸。

2.2.2 故障运行方式

（1）当一路10 kV电源故障时，母联断路器245投入，由另一路10 kV电源向全所负荷供电，满足2 min发车间隔。

（2）当Ⅰ段10 kV母线故障时，断开236、237馈线开关，退出1#、2#整流机组、1#直流开关柜和能馈装置，闭合813、824、C30、C40，由左邻所、右邻所、3#整流机组向供电分区进行三边供电，满足2 min发车间隔。

（3）1#或2#整流机组故障时，退出1#、2#整流机组、1#直流开关柜和能馈装置，闭合813、824、C30、C40，由左邻所、右邻所、3#整流机组向供电分区进行三边供电，满足2 min发车间隔。

（4）1#直流开关柜任意1回馈线故障时，有2种运行方式：a.投入备用直流断路器继续供电，满足2 min发车间隔；b.退出1#、2#整流机组、1#直流开关柜和能馈装置，闭合813、824、C30、C40，由左邻所、右邻所、3#整流机组向供电分区进行三边供电，满足2 min发车间隔。

（5）1#直流开关柜母线故障时，退出1#、2#整流机组、1#直流开关柜和能馈装置，闭合813、824、C30、C40，由左邻所、右邻所、3#整流机组向供电分区进行三边供电，满足2 min发车间隔。

（6）能馈装置故障时，断开822断路器和80断路器，退出能馈装置，不影响行车。

（7）2#直流开关柜任意1回馈线故障时，不影响正常供电（不考虑1#直流开关柜同时故障的情况）。

（8）2#直流开关柜母线故障时，退出2#直流开关柜和3#整流机组，不影响正常供电。

（9）其他特殊工况。牵引所正常双边供电情况下，可以满足以下两种特殊工况：a.一列车在该牵引供电区间中间启动，同时这2座车站及相邻区间列车正常启动和运行；b.当一列车故障停在区间，由一列8B车辆、一列6B车辆共同进行救援（车辆速度5 km/h），同时另一行有列车正常运行。

2.3 保护配置

为缩小框架保护动作范围，提高变电所可靠性，全所共设置4套框架保护装置，其余保护配置与常规变电所相同。框架保护动作范围如下：

（1）1#整流器、2#整流器、1#直流开关柜合设1套；框架电流保护跳闸（跳60、70、10、20、30、40、80、236、237、822，联跳左相邻所30、40、813、824，右邻所10、20、C30、C40、813、824）。

（2）能馈变流器设置1套；框架电流保护跳闸（跳822、80）。

（3）2#直流开关柜、3#整流器合设1套；框架电流保护跳闸（当C30、C40分闸时，跳C60、246；当C30、C40合闸时，跳C60、C30、C40、813、824，联跳右邻所10、20 、C30、C40、813、824）。

（4）负极柜单设1套，只报警，不跳闸。

2.4 逻辑关系

本方案6回直流馈线逻辑关系与常规变电所存在差异，其余均相同。

（1）直流馈线10断路器（20、30、40断路器类似）逻辑关系详见图3。

图3 直流馈线10断路器逻辑关系

a.10馈线断路器所有电流保护动作——联跳左相邻所30、813；

b.30馈线断路器所有电流保护动作——联跳右相邻所10、813、C30。

（2）直流馈线C40断路器（C30断路器类似）逻辑关系详见图4。

图4 直流馈线C40断路器逻辑关系

a.C40馈线断路器所有电流保护动作——联跳本所824、右相邻所20、C40、824；

b.C30馈线断路器所有电流保护动作——联跳本所813、右相邻所10、C30、813。

（3）纵联断路器合闸条件。813纵联开关合闸条件：16、36分闸。824纵联开关合闸条件：26、46分闸。

3 供电方案可靠性分析

（1）提高了变电所的供电可靠性。以开闭所兼牵引降压混合所为例，根据变电所设备类型及数量，按每台设备、每个位置均可能发生故障进行统计，变电所可能出现的故障工况共计167种。对于常规变电所主接线，有15种会造成牵引变电所解列的工况（占比8.8%），详见表2；对于三机组主接线方案，有5种工况（序号11～15项）会造成牵引变电所解列（占比2.9%），相比常规变电所主接线减少了10种。这5种极端故障工况分别是：两段10 kV母线同时故障、变电所交流屏完全退出、变电所直流屏完全退出、发生火灾，发生水灾。经调研，该5种极端工况在北京地铁实际运营中从未发生过，若发生火灾及水灾等情况，将导致停运，发生概率极低。

表2 导致牵引变电所解列的故障工况汇总

（2）避免了实际运营中出现的变电所解列工况。经向运营部门了解，近5年北京地铁全线网平均每年发生4、5次牵引所解列情况，根据统计学概率，推算13号线在高峰时段发生解列概率大概为10年1次。变电所解列主要原因：

a.10 kV环网电缆中间头故障。由于只能夜间检修，运营时段会采用“大双边供电方式”保证线路正常运营。

b.一回直流馈线故障。对于采用直流单母线的线路，需采用大双边供电方式保证线路正常运营。

c.框架保护动作。采用大双边供电方式保证线路正常运营。

采用三机组接线形式，在上述故障发生时，均可以避免本牵引所解列，保证2 min发车间隔。

（3）该方案可降低牵引所解列退出的概率，在大部分故障情况或检修操作情况下，三机组接线形式均可以保证2 min发车间隔；若出现极端故障导致整座牵引变电所解列退出时，发车间隔需调整为3 min（车辆及信号专业配合情况下，将列车启动电流调整至6 500 A）。

4 案例参考

类似的三机组供电方案在乌克兰地铁及香港地铁均有应用案例。其中乌克兰地铁是在每个牵引变电所设置3套整流机组，正常工况下，2套整流机组并列运行，1套整流机组备用；当2套整流机组故障时，第3套整流机组运行；不考虑整座牵引变电所完全解列的情况。香港地铁是在部分变电所设置3套整流机组，第3套整流机组作为整条线路的移动备用设备。

5 结语

为降低工程实施及后期运营的安全风险，对于改造工程，北京地铁13A线首选与既有13号线相同的750 V供电制式，并增加第三机组接线形式（第三机组的容量需结合实际情况确定）。该方案虽在大双边供电情况下存在3 min发车间隔的运力制约，但第3套整流机组降低了牵引所解列退出的概率，进一步提高了供电系统的可靠性。针对方案在极端故障工况下的供电能力仅能满足3 min行车间隔要求，应制定运营组织应急预案，以降低故障情况对运营的影响。

该供电系统在故障情况下制约运力的情况出现的概率较低，DC 750 V三机组接线方案是改造工程中一种新的探索，具有合理性和可实施性，可为轨道交通线路改造供电制式的选择提供借鉴及参考。