交直流转换场牵引供电系统技术研究

晋 钰，杨振龙

0 引言

新建水厂矿区至曹妃甸港区专用铁路从既有卑水线木厂口站引出，南与曹妃甸港相连，将剥岩土、尾矿砂等发送到曹妃甸地区填海[1]。既有卑水线为直流1 650 V 制式[2]，而水曹铁路拟采用干线铁路电气化交流25 kV 制式[3～6]，交、直流2 种制式的电气化接触网在接轨站如何实现安全可靠的转换是牵引供电系统设计的难点，该种设计在国内尚无商业运行的先例可借鉴，需进行相关研究。

1 国外运行经验

根据国外经验，实现相邻不同牵引供电制式接触网的电气分离，并保证2 个系统都能安全、有效地向机车供电，一般采用以下2 种方式[7]。

1.1 设供电系统转换车站方式

在系统区两侧的电气化铁道线路上或运输繁忙的交通系统中，为保证列车运行不受限制就需要大量的多流制牵引车辆。而多流制牵引车辆比单流制牵引车辆（单系统牵引车辆）的造价高。在这种情况下，采用同时配有双流制牵引车辆（适应相邻2 种牵引供电系统）和单流制牵引车辆的转换站会更为经济。

该种系统分离转换车站能够在同一线路上让进站的列车由一种供电制式的牵引车辆牵引，而出站的列车由相邻的另一种供电制式的牵引车辆牵引。系统转换车站牵引供电系统的设计和电路布置具备多样性。有的转换车站建有横向纵向分离的接触网，而不需要切换接触网；也有的转换车站若干股道的接触网可以由2 个供电系统供电。

装备有可切换接触网装置的系统转换车站，接触网可以分别由2 个供电系统供电，其所需切换的股道数量取决于股道的布局和运行需要。在轨道隔离区之上架设的分段绝缘器将接触网分成独立的供电分段，每个分段由专用的开关站供电。图1 为该种系统转换车站的原理图。接触网的绝缘等级要与具有较高标称电压的系统相匹配，还需进行车站的杂散电流防护[8～9]。

图1 设置系统转换车站方式示意图

由2 种牵引供电系统供电的转换车站可进行单流制牵引车辆和双流制牵引车辆的混合运行。慢车可以使用单流制牵引车辆，通过调车实现牵引车辆转换；快车可以采用双流制牵引车辆，从而节省调车更换牵引车辆的时间。目前在俄罗斯和德国、荷兰交界处的电气化铁路牵引供电系统隔离采用的是该种方式。

1.2 设置系统分离区方式

设置系统分离区方式要求电力机车采用造价更高的双流制牵引，即机车同时配备交、直流受电弓。这是由于在同样功率下直流系统需要更大的电流[8]，也需要相应设计特殊的受电弓，与交流供电线路相比，直流供电线路需要增加受电弓的质量和接触压力。电力机车需要降弓通过该系统分离区，类似于干线电气化铁路的无电区，两侧不同区段接触网之间采用合成材料制成的分段绝缘器进行绝缘，机车离开该区域后，升起与系统配套的受电弓继续运行。

西班牙马德里—塞维利亚高速铁路牵引供电系统需要AC 25 kV 和DC 3 kV 2 种供电制式的过渡转换，目前采用的是在区间线路设系统分离区方式，如图2 所示。

图2 设置系统分离区方式示意图

2 水曹铁路交直流转换方式

上述第2 种“系统分离区”方式需要配备双流制牵引的机车才能实现，国内尚无该类机车，而且淘汰既有卑水线运行直流机车的成本和代价都太大，业主不希望采用该方案。第1 种“系统转换车站方式”可利用国内成熟的交、直流机车运行，但需要对木厂口车站进行特殊设计。

在木厂口车站设置交直流系统转换场，可分别由交、直流系统供电，通过换挂机车来实现制式匹配。2 种制式的系统不能同时接通，否则会烧毁不同供电制式的供电设备、机车，造成较大的损失。因此该车场每个工作束同时只能运行与工作供电制式相同的机车，与工作供电制式不同的机车不允许升弓，更不能受电。

工作原理：木厂口转换场根据运输能力分为若干个工作束，每束能独立接受交流或直流供电，直流（交流）开闭所内每路馈线均设置直流（交流）自动投切装置，设置关联闭锁使交、直流不能同时向同一个工作束供电。要求每个工作束有独立的进、出场的走行线，可设置电分段与正线隔离，保证在某束场内发生电气故障时，不会影响到相邻正线、场束的运行，详见图3 所示。

图3 木厂口交直流转换场供电示意图

以第1 束为例，操作流程：直流机车牵引列车进入第1 束转换场后停车摘钩，直流机车经岔线折回卑水线，待驶出第1 束转换场的直流侧电分段，自动投切装置动作，切断直流开关，接通交流侧开关，交流机车驶入转换场，挂上列车，向曹妃甸方向运行。反方向同理。

另一种方案是将交、直流开闭所合建在一起，各工作束交、直流供电线合用，交、直流关联闭锁甚至可以用机械形式，可靠性更高，详见图4 所示。

图4 木厂口转换场供电合建交直流开闭所方案示意图

3 特殊设计

国内尚无商业运行先例可循，交直流转换场牵引供电设计是特殊设计。下面分析交、直流2 种系统的特性，以便选择更安全、可靠的供电设备。

3.1 开关设备

木厂口交直流转换场的束与束之间电气相互独立，且每束车场又要根据机车类型准确切换供电制式，对分段开关准确而频繁的投切能力要求很高，可参考国内铁路、城轨车辆制造厂试验线及铁道科学研究院环形试验线经验，选择成熟设备。

3.2 绝缘性能

交流系统为25 kV 制式，直流系统为1 650 V，绝缘等级与电压等级相对应，转换场的接触网绝缘等级要与具有较高标称电压的系统相匹配，即与交流系统匹配，按交流27.5 kV 耐压等级考虑。

3.3 载流能力

机车功率恒定的前提下，电压等级较低的线路机车带电电流大，因此，木厂口转换场的接触网载流能力需比较2 种系统，选择较大电流来配置，接触线截面需按直流系统最大电流配置。

该线开行5 000 t 列车，交流SS4 型机车额定牵引功率6 400 kW，机车电流250 A 左右，而直流系统下机车带电电流达到3 000 A 左右，远大于交流系统，因此接触网导线需按直流系统最大电流配置，区间正线采用规格为CTA-150 的双接触线+规格为JT-150 的双承力索+规格为JT-150 的双加强线线材组合方能满足要求，转换场各工作束增设股道间电连接，可按规格为CTA-150 的双接触线+规格为JT-150 的单加强线组合配置。但该导线配置在国内罕见，需要提高接触网支柱和基础容量。

3.4 杂散电流防护

直流系统电流较大，由于运营环境、经济及其它方面因素的限制，钢轨不可能完全绝缘于道床结构，不可避免地向轨道外部泄漏电流，形成杂散电流。杂散电流对周围钢筋结构、金属管线有腐蚀，影响其使用寿命和安全性，增加运营成本，因此，站内还需进行杂散电流防护：与网上分段配合设置钢轨绝缘和轨回流开关（接触器），轨回流开关（接触器）与网开关联动，加入闭锁。

3.5 对厂区布置要求

电气化专业作为项目的配套专业，为满足站场、线路和运输组织而设置供电设施，而交直流转换场因为其供电制式的特殊要求，要求转换场每个工作束都相对独立，因此，需要在站场方案设计前对站场专业提特殊要求，对每个工作束设置独立的进出场线、机车折返岔线，以满足设备安装及正常运行的需求。

4 结论

交直流转换场供变电开关、刀闸设备需要满足2 种制式下频繁投切和耐受电压的能力，同时接触网既要满足直流大电流，又要满足交流高电压。还要注意与网上分段配合设置钢轨绝缘和轨回流开关，与网开关联动。从便于确认的角度考虑，建议采用交、直流开闭所合建在一起的方案。为保证安全、可靠，可在开闭所内设置馈线电压在线监测装置跟踪监测各工作束的电压制式，作为投切不同制式电源的闭锁充要条件。为消除静电荷的危害，在每次转换电源时按“交（直）流电源停电—合接地开关放电—打开接地开关—合闸直（交）流电源”顺序操作。

工程设计尚须仔细研究解决诸多具体问题，希望本文对交直流转换牵引供电系统技术的研究和工程设计有一定指导作用。

[1] 新建水厂矿区至曹妃甸港区专用铁路预可研全一册文件[R].铁道第三勘察设计院集团有限公司，2011.

[2] GB50157-2003 地铁设计规范[S].

[3] TB10009-2005 铁路电力牵引供电设计规范[S].

[4] 电气化铁道设计手册 牵引供电系统[Z].北京：中国铁道出版社，1988.

[5] 曹建猷.电气化铁道供电系统[M].北京：中国铁道出版社，1987.

[6] 李群湛，贺建闽.牵引供电系统分析[M].成都：西南交通大学出版社，2007.

[7] Kießling, Puschmann, Schmieder.电气化铁道接触网[M].中铁电气化局集团译.北京：中国电力出版社，2004.

[8] CJJ49-92 地铁杂散电流腐蚀防护技术规程[S].

[9] 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.

[10] TB/T 2809-2005 电气化铁道用铜及铜合金接触线[S].

[11] TB/T 3111-2005 电气化铁道用铜及铜合金绞线[S].