市域轨道交通牵引供电制式的选择与优化

李 剑 刘孟恺 高 宏

（中铁二院工程集团有限责任公司，610031，成都∥第一作者，高级工程师）

随着我国城市轨道交通的迅猛发展，大型城市的轨道交通已由市区往郊区、市域延伸。如：广州市在结合珠三角城际轨道交通建设的基础上发展市域轨道交通，并与广州地铁互为补充；重庆开始规划主城区与江津、合川等卫星城之间的市域轨道交通；成都开始研究建设兼顾市域轨道交通功能与机场快线功能的18号线、19号线。这些工程都有各自所独有的功能定位，因此具有不同的技术标准和工程特点，在速度目标值、行车组织及运营管理、车辆编组及性能要求、站间距、换乘接驳点、线路走向、线路实施或规划延伸长度、投资及建设运营主体等方面，均与地铁有所区别。对这些项目的建设经验和制式选择进行总结，可逐渐形成市域轨道交通的相关建设标准。本文拟对其中的牵引供电制式进行重点探讨。

1 牵引供电制式的比较

国内外多条市域轨道交通线路牵引供电方式见表1。

表1 国内外多条市域轨道交通线路的牵引供电制式

关于交流25 kV、直流1 500 V（或750 V）两种制式，有大量文章对此开展了研究比选，比选结论如表2。

当采用集中供电方式时，交流牵引供电与直流牵引供电在系统结构上的区别十分明显，如图1所示。而在实际工程中，牵引供电制式还应综合考虑具体的技术标准、线站位、行车组织及运营管理等因素。

表2 牵引供电制式的比较［1］

图1 直流、交流牵引供电制式系统结构对比图

2 牵引授流方式的比较

牵引授流方式实质上体现了电气和机械两个方面的特点，在满足授流电气需要（载流能力）的同时，由于列车的高速运行，还需要满足授流机械作用（弓网关系）的需要。普通的地铁制式最高速度一般不大于80 km/h，满足授流电气需要是主要考虑的因素，而市域轨道交通因其运行的速度目标值较大，牵引授流制式受机械作用（弓网关系）影响的比重明显提高。

2.1 柔性架空接触网

在我国的干线电气化铁路工程中，得到广泛应用的柔性架空接触网，大多采用全补偿弹性链形悬挂和简单链形悬挂。链形悬挂的接触导线通过吊弦悬挂在承力索上，基本消除了接触导线的硬点，可以满足列车较高运行速度的要求。刚性架空接触网主要由接触导线、汇流排和支持装置等构成。目前，国内外采用链形悬挂接触网的线路，列车的最高试验速度已达到500 km/h，高速客运专线设计运行速度已达到350 km/h。

2.2 刚性架空接触网

刚性汇流排夹持接触线，通过与受电弓的接触滑动向列车供电。

架空柔性接触网较刚性悬挂接触网对高速度的适应性更好。刚性悬挂对设计、施工质量要求较高。

近年建成的瑞士Kerenzerzberg隧道刚性接触网设计速度为160 km/h，初期试验速度达到了185 km/h；奥地利Sittenberg隧道的刚性接触网初期试验速度达到了200 km/h。

2.3 不同授流方式接触网对土建净空的要求

在地下线路所占比例较大的情况下，交流25 kV架空接触网在经济上缺乏优势。交流25 kV接触网供电的主要特点是牵引供电工程本身造价相对较低。但是在地下建筑中,由于架空接触网电压较高，需要的建筑净空高度比直流牵引条件下的净空要高，从而会导致地下建筑土建工程造价增加15%左右［2］。市域轨道交通的土建净空还需考虑空气动力学效应等因素的影响。设计时速为140 km/h以上的市域轨道交通线路，接触网和空气动力学效应共同决定其土建的净空高度。

3 市域轨道交通车辆与牵引供电的关系

3.1 市域轨道交通车辆对供电的适应性分析

根据相关市域轨道交通车辆厂家提供的资料，一旦速度目标值达到140 km/h以上，最大加速度达到1 m/s2，8辆编组列车的功率一般将达到5 000～7 000 kW。这已经超过200 km/h城际铁路列车5 000 kW的常规水平［3］。铁路动车组与8辆编组市域轨道交通列车的功率曲线分别如图2和图3所示。

市域轨道交通车辆对交流、直流供电，以及柔性、刚性授流都有较好的适应性。与直流牵引供电相比，交流牵引供电电压较高，车辆电气结构更为复杂，但车辆电气回路承受的电流较小，能有效地减少大功率市域轨道交通车辆的受电弓数量，节能上更具优势。

图2 典型铁路动车组功率曲线

图3 市域轨道交通8辆编组列车功率曲线示例

图4 两种供电接触网馈线方式的故障影响示意图

同时，市域轨道交通车辆对柔性悬挂的适应性好于刚性悬挂，尤其是柔性悬挂对车辆受电弓的性能要求较低,磨耗较少，能减少车辆受电弓采购成本和运营成本。

3.2 供电系统故障特点及影响

市域轨道交通的服务水平要求很高，供电系统不仅要考虑正常运营的供电能力和服务水平，还应重点研究不同制式下故障服务水平和特点。

（1）主变电所的运行方式对故障产生的影响：铁路的牵引供电系统在正常运行时，一般至少满足越区供电范围内1对动车组运行。在1座主变电所（牵引变电所）故障退出的情况下，是不能满足铁路线的正常运行的，服务水平因此大幅度下降。城市轨道交通的主变电所故障退出情况下，一般须保证高峰小时的正常供电，不影响列车的正常运营。市域轨道交通主变电所的设置，可根据市区运量和郊区运量的不同需求，通过技术经济比较，合理确定故障情况下的供电能力。

（2）接触网的馈电结构对故障产生的影响：相比直流牵引供电，采用交流牵引供电时，主变电所直接对接触网供电，减少了环网电缆及牵引所等中间环节，简化了供电结构，相应减少了故障率；但是，一旦交流牵引供电主导流回路发生故障，将直接引起主变电所跳闸，影响面积将扩大到整个主变电所供电臂，在供电臂中运行的所有列车都将受到影响。因此，与直流牵引相比，交流牵引故障影响的范围较大，受影响的列车较多。两者故障范围的比较如图4所示。

（3）授流方式对故障产生的影响：柔性架空接触网一般采用全补偿简单链形悬挂，在具有更好弓网关系和更低磨耗特性的同时，也存在较多问题：①结构较复杂，运营中易产生位移或变形，维护工作量大；②故障影响范围大，安装调整和事故抢修复杂，需要配备较多的专业检修设备和人员，维护费用高；③故障情况下修复时间较长，断线可能较刚性接触网明显增大，断线影响范围至少一个锚段，恢复难度大、时间长。架空刚性悬挂则结构简单，稳定性好，不需经常调整、维护，运营维护工作量小；事故影响范围小，可局部更换，事故抢修方便、快捷；刚性悬挂的零部件种类很少，相应的备品备件数量也较少，维护费用较低。

综上所述可以看出，柔性架空接触网解决了与车辆相关（如受电弓）的接口问题，但对供电系统本身是不利的；而市域轨道交通的载流能力和服务水平要求都较高，需在实践中验证其可靠性和可用性。

4 牵引供电方式的优化

4.1 牵引供电方式的优化

综合考虑直流牵引和交流牵引这两种供电制式，可采用以下的供电方式优化方案（如图5所示）：主变电所母线不直接对接触网供电，而是在各车站设置分段开关站；主变电所通过供电电缆（或供电线）供至分段开关站，分段开关站对接触网供电，接触网分段与分段开关站一致。

图5 市域轨道交通牵引供电方式优化方案

由于电缆的输电能力相当于相同电压等级架空线或接触网的7倍，电阻较低，供电距离也同比例延长［4］。上述优化方案的电缆敷设可结合35 kV环网电缆通道实施。但此方案存在着地下区段电缆通道的设置以及相对较大的投资问题。

4.2 车辆对授流方式的适应性优化

目前城市轨道交通列车受电弓允许的最高运行速度为120 km/h，远低于干线电气化铁路新型受电弓允许的最高运行速度，因此，受电弓允许最高运行速度还有很大的提升空间。在隧道内由于气流影响，为保证受电弓的良好取流，需要选用允许运行速度较高的受电弓［5］。

国际上开展的相关研究表明，主动适应式受电弓能够较好地改善弓网关系及磨耗。

5 结语

市域轨道交通在电气、机械两个方面对牵引供电系统提出的要求，导致供电方式、变电设备、接触网授流方式的变化，对车辆、土建、弱电等的接口产生较大的影响。系统制式的选择，取决于供电系统本身的特点和相关接口的处理技术，以及经济性。

交流牵引供电相比直流牵引供电电压高、电能传输能力强、系统结构简单，具备明显的优势；刚性接触网具有载流能力强、运营可靠性高、维护简单等特点。如果能提高受电弓的适应性，改善弓网关系以满足市域轨道交通的速度要求，则刚性接触网更能满足市域轨道交通的运营特点和可靠性要求。

因此，通过优化各系统的适应性，交流牵引供电与刚性接触网的组合，是市域轨道交通隧道区段牵引供电制式的发展方向之一。地上或高架区段若采用交流牵引供电与柔性接触网，则应对供电分区和运行方式开展进一步的研究，优化系统接口（受电弓、土建等），以提高供电可靠性和安全性。