长大坡道区间牵引网上下行并联供电探讨

张开波

( 中铁二院工程集团有限责任公司 成都 610031)

长大坡道区间牵引网上下行并联供电探讨

张开波

( 中铁二院工程集团有限责任公司 成都 610031)

针对城市轨道交通的长大坡道区间，利用列车势能与动能的转换，从节能和改善牵引网电压降指标的角度，提出在该牵引供电分区内的合适位置将上下行线路牵引网并联供电的具体实施方案，同时提出实现配套多边联跳保护的设置方案，并对其安全性及节能效果进行分析。结果表明：利用列车势能与动能的转换，对于工程长期运营的综合节能效果较为显著，具有巨大的经济及社会效益。

城市轨道交通；长大坡道区间；节能；牵引网电压降指标；牵引网并联；多边联跳保护

1 城轨交通牵引网供电方式现状

目前，国内绝大部分城市轨道交通工程牵引供电系统均采用了DC 1 500 V(或DC 750 V)架空牵引网(或接触轨)授流、走行轨回流的牵引网供电方式，仅很少部分采用DC 1 500 V接触轨授流、专用第四轨回流的牵引网供电方式。正常运行时，正线牵引网由相邻的牵引变电所双边供电。当正线任意一座牵引变电所发生故障退出运行时，由相邻的牵引变电所越区供电；根据故障退出运行牵引变电所位置的不同，越区供电又分为越区大双边供电和越区单边供电两种。

在通常情况下，无论城市轨道交通牵引供电系统采用何种牵引网供电方式，除了在每座牵引变电所通过直流母线将上下行牵引网并联外，还在线路正线各直流供电分区，使全线范围内的上下行线 路 牵 引 网 均为独立运行，参见图1。

《地铁设计规范》对于直流牵引供电系统电压及其波动范围的规定参见表1。

图1 上下行线路牵引网独立运行

标称值最高值最低值750900500150018001000

2 区间牵引网并联供电需求的提出

在国内大多数城市轨道交通工程建设中，由于线路的坡度起伏不大，或者有坡度线路的距离较短，因此，列车的势能转换为动能的优势不明显，同时上下行线路牵引网在运行过程中的电压降指标差异不大，因此在该区段内将上下行线路牵引网并联供电的必要性相对不大。

近年来，随着国内经济的发展、城市规模的不断扩大，地处丘陵、山区的二三线城市也陆续开始进行城市轨道交通工程的建设，由于该类城市的地形起伏较大，线路出现了一些具有典型特征的长大坡道区间。

在该类长大坡道区间内行车，对于按常规思路设计的上下行线路牵引网来说，有以下特点：

1) 对于上坡线路来说，在列车启动和行车过程中，列车持续取流，牵引网电流大，电能消耗大，导致牵引网的电压降过大。

2) 对于下坡线路来说，在列车行车过程中，牵引网电流很小，电能消耗小，牵引网的电压降很小。由于坡度很大、加之该区段内的列车在绝大部分时间内都不牵引取流，列车再生制动产生的电能不能被其他车辆吸收，列车制动只能采用电阻制动或闸瓦制动，不仅导致列车发热和闸瓦磨耗严重、污染隧道环境，而且导致下坡线路的牵引网载流能力和列车再生制动产生的能量均未得到充分利用。

例如，针对贵阳轨道交通1号线工程，线路为穿越黔灵山，在贵阳北站—蛮坡站区间设计了一个连续的长大坡道，线路坡度为28‰，区间长度为5.031 km(上行线路为上坡，下行线路为下坡)，两端的高差约为125 m，按一列定员满载的B型车6辆编组(4动2拖)的列车计算，该区间仅单列车单次运行具备的势能约为34.3×107J，折算电能约为95 kWh。该区间上下行列车运行牵引能耗计算参见表2。

表2 贵阳北站—蛮坡站区间牵引计算

表中牵引能耗为列车从牵引网取电运行所消耗的能量；制动能耗为列车制动时反馈的能量，该能量可部分被相邻车辆吸收，未吸收部分则被制动电阻或闸瓦摩擦以热能的形式消耗。如果考虑制动能耗未被其他列车吸收，该区间的牵引能耗约为249.613 kWh；而如果考虑制动能耗被其他列车完全利用，该区间的牵引能耗约为154.208 kWh。

在该区间上下行牵引网没有并联的情况下，下坡线路由于列车取流极小，牵引网的电压较高，导致列车再生制动产生的能量不能被其他列车吸收，列车只能采取车载电阻将该部分能量消耗，单列车在该区间每运行一次，则浪费了约95 kWh的势能；当该区间上下行牵引网并联后，如果行车组织实现在该区间内上下行线路均有列车同时运行，即使不考虑下坡列车的制动能耗完全被其他列车吸收的极端情况，仅考虑上下行列车对该区间内势能综合利用的效率,并按50%考虑，则每运行一对列车，在该区间内可节省的电能约为47.5 kWh。按照全线开通后初期行车184对/d、近期行车271对/d、远期行车328对/d考虑，则每天可节省电能约为：初期8 740 kWh/d、近期12 873 kWh/d、远期15 580 kWh/d，按照电费0.60元/kWh考虑，在不计入车辆闸瓦设备维护可节省的费用情况下，累积下来每年能节省的运营电费约为：初期191.4万元/年、近期281.9万元/年、远期341.2万元/年，也是很可观的。

针对该类长大坡道区间，下面仅从节能和改善牵引网电压指标等方面，提出在该牵引供电分区内的电压降指标最严重的位置实行“上下行线路牵引网并联供电”的方案，具体见图2。

图2 上下行线路牵引网并联运行

对于在该长大坡道区间两端的牵引变电所来说，其同时对该区间的上下行线路牵引网供电，由于列车运行工况的差异，会出现在运行过程中上下行线路牵引网电压指标的严重差异。如按常规设计思路，即按上坡线路牵引网的电压指标来考虑牵引变电所布点，可能会出现需要在该区间隧道内设置牵引变电所的情况。

如对于该特殊的长大坡道区间的牵引供电分区，采用图2所示的上下行线路牵引网并联运行方案，不仅可以均衡上下行线路牵引网的电压降指标，而且可以充分发挥列车的再生制动功能，节约电能消耗，甚至可以避免在该区间隧道内设置牵引变电所。

3 区间牵引网并联的实施及运行方案

3.1 区间牵引网并联供电的实施方案

方案1：采用直流快速断路器。在该供电分区的适当位置，采用直流快速断路器将上下行线路牵引网并联。

该方案由于不受相邻牵引变电所断路器的闭锁限制，运行方式灵活，调度简单，但其对设备的安装运行环境要求较高，需设置专门的设备房间，且相关的配套设施复杂，工程难度和投资较大。

方案2：采用电动隔离开关。在该供电分区的适当位置，采用电动隔离开关将上下行线路牵引网并联。

该方案电动隔离开关的分、合闸需受相邻牵引变电所断路器的闭锁限制，运行方式和调度相对复杂，但其对设备的安装运行环境要求较低，无需设置专门的设备房间，可以直接安装在区间隧道内或接触网立柱上，施工难度低且工程投资小。

3.2 区间牵引网并联供电的运行方案

在常规设计思路下，每个供电分区内上下行线路牵引网独立运行，供电分区内上行(或下行)线路牵引网发生故障时，仅上行(或下行)线路牵引网停电，即上行线路牵引网的故障不会影响下行线路的行车，同理，下行线路牵引网的故障不会影响上行线路的行车。

供电分区采用上下行线路牵引网并联供电后，在正常运行时，其运行方式与常规设计思路下供电分区基本一致，但当该供电分区内的牵引网发生故障时，由于同时涉及上下行线路牵引网供电，因此其运行方案不同。根据采用的不同并联开关设备，其运行方案如下。

方案1：采用直流断路器实现上下行牵引网并联供电。在上下行牵引网并联供电时，如果该供电分区的上行或下行线路牵引网发生故障，需同时断开上下行线路牵引网两端和中间并联的共5台直流断路器；断开后，对应牵引变电所内的上下行直流馈线断路器的自动重合闸功能启动，分别对上下行线路牵引网进行测试，确认后将没有故障的上行或下行线路牵引网恢复供电。在开关切换期间，上下行线路牵引网均会出现短时中断供电的情况。

在牵引网故障消除后，可择机直接合闸该直流断路器，将该供电分区上下牵引网恢复至并联供电。

方案2：采用电动隔离开关实现上下行牵引网并联供电。与方案1相同，如果该供电分区的上行或下行线路牵引网发生故障，需同时断开上下行线路牵引网两端的4台直流断路器，当通过线路测试，无法实现重合闸且确认两端的4台直流断路器均处于分闸状态时，将该上下行线路牵引网并联的电动隔离开关断开；在确认该并联隔离开关断开后，再分别对上下行线路牵引网进行测试，对非故障的上行或下行线路牵引网人工恢复供电。在开关切换期间，上下行线路牵引网均会出现短时中断供电的情况。与方案1相比，该方案中断供电的时间稍长，可达几分钟的时间。

在常规城市轨道交通工程的运营组织中，无论上下行牵引网是否并联运行，如同一供电分区内的上行或下行接触网出现故障，一般是该区段内的上下行均不再考虑正常行车，根据现场折返条件组织小交路临时折返运行。因此，当同一供电分区内的上行(或下行)接触网发生故障时，要求下行(或上行)接触网带电正常运行的意义不大。

在牵引网故障消除后，控制中心电力调度可根据运营情况，择机将上下行线路牵引网恢复至并联供电。

4 配套保护设置方案

采用直流断路器或者电动隔离开关实现上下行线路牵引网并联供电，其配套的保护设置方案基本一致。以下仅以采用电动隔离开关实现上下行线路牵引网的并联供电方案为例进行说明。

4.1 直流多边联跳保护设置方案

在上下行线路牵引网并联处设置一套直流多边联跳保护接口箱，其接线原理如图3所示。

4.2 直流多边联跳保护功能分析

对应上下行线路牵引网并联方案，配套的多边联跳保护设置方案应能完成以下功能。

1) 上下行线路牵引网直流断路器可以同时联跳。上下行线路牵引网并联后，在该供电分区内如发生牵引网故障，能同时将上下行线路牵引网供电的直流断路器全部断开。

2) 配套的直流多边联跳保护装置可以不带电运行。为保证配套的直流多边联跳保护的可靠运行，该多边联跳保护装置相关二次回路运行无需外部电源供电，直接通过上下行线路原有的联跳回路取电，避免由于相关的电源回路故障导致该多边联跳保护功能的失效。

3) 不影响原有上行或下行线路牵引网各自的双边联跳保护功能。无论该上下行线路牵引网并联开关是否投入，该直流多边联跳保护的相关二次回路元器件设备是否发生故障，上下行线路直流馈线断路器原有的双边联跳保护功能均不受影响。

4) 多边联跳保护功能的自动投入与退出。可根据该上下行并联开关的投入与退出，自动实现该供电分区上下行线路牵引网直流馈线断路器多边联跳保护功能的投入与退出。当上下行并联开关退出时，自动恢复为常规的上行或下行线路牵引网独立的双边联跳保护功能。

图3 并联供电处直流多边联跳保护原理

5) 与两端牵引变电所的运行方式无关。无论是正常运行还是两端某一座牵引变电所故障解列大双边运行时，该直流多边联跳保护装置各项功能均可不受影响，其多边联跳保护功能的投入与退出，仅与上下行并联开关是否投入有关。

图3所示的上下行线路牵引网并联处直流多边联跳保护方案，可以完全实现上述功能需求。

4.3 区间牵引网并联开关的控制回路该并联开关的分、合闸控制回路、闭锁回路与常规方式一致，此处不再赘述。

5 方案优缺点分析

1) 方案优点。在类似的长大坡道区间供电分区的合适位置，将上下行线路牵引网并联后，上坡线路的列车可以充分吸收利用下坡线路列车再生制动时产生的电能，不仅使得上坡线路牵引网的电压降指标得到改善，牵引能耗大幅降低，同时可在一定程度上延长列车制动系统的使用寿命。

2) 方案缺点。在上下行线路牵引网并联的供电分区内，当上下行线路牵引网的任何一处发生故障时，需同时跳开上下行线路牵引网两端的全部直流断路器，在断开故障线路牵引网，恢复上行或下行线路牵引网供电前，上下行线路牵引网均失电，尽管时间较短(几分钟内)，但上下行线路运营均会受到一定影响。

3) 方案风险分析。该供电分区上下行牵引网并联后，对于供电系统与机车车辆并没有其他新的故障类型出现。从运营的角度来说，同样仍只是停电后重新送电的操作过程。即使该供电分区范围内牵引网出现故障，导致上下行牵引网同时失电，仍可以通过保护装置及倒闸操作，在很短的时间内恢复为上下行牵引网独立运行的模式，在故障解除后，将该供电分区恢复为上下行牵引网并联的运行模式。因此，对运营有一定影响，但并没有增加新的安全风险。

6 结语

针对类似贵阳轨道交通1号线这类长大坡道区间，在该牵引供电分区内的合适位置将上下行线路牵引网并联供电。无论是正常运行还是某一座牵引变电所故障解列大双边运行时，只要在该牵引供电分区内的牵引网没有发生故障，均可长期将该供电分区上下行线路牵引网并联运行，利用列车势能与动能的转换，对于工程长期运营的综合节能效果较为显著，具有巨大的经济及社会效益。

[3] GB 50157―2013地铁设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社,2013.

[4] 中铁二院工程集团有限责任公司.贵阳市轨道交通1号线工程可行性研究长大连续坡道及运营安全研究[G].成都，2011.

[5] 中铁二院工程集团有限责任公司.贵阳市轨道交通1号线初步设计:第十篇 供电[G].成都，2012.

[10] 于松伟，杨兴山，韩连祥，等.城市轨道交通供电系统设计原理与应用[M].成都：西南交通大学出版社，2008.

(编辑：郝京红)

Discussion of Parallel Traction Power Supply Line on the Long Rampway Section

Zhang Kaibo

(China Railway Eryuan Engineering Group Co., Ltd.(CREEC),Chengdu 610031)

For a long rampway section of urban rail transit, a detailed scheme of parallel traction power supply line is put forward at the suitable position by using the conversion between potential energy and kinetic energy, from the perspectives of saving energy and improving traction network voltage drop index, and the setting program to realize supporting multilateral inter-tripping protection is also presented. The safety and energy saving effect of the scheme are analyzed, and it is shown that the comprehensive energy saving effect of long-term operation is remarkable with huge economic and social benefits by conversion of potential energy and kinetic energy of train.

urban rail transit; long rampway section; energy saving; traction network voltage drop index; parallel traction power supply line; multilateral inter-tripping protection

张开波，男，电气化高级工程师，从事地铁供电系统设计与研究， zkb 008@126.com

U231.8

A