双流制列车过中性段供电切换方案

王志荣

(中铁电气化勘测设计研究院有限公司 天津 300250)



双流制列车过中性段供电切换方案

王志荣

(中铁电气化勘测设计研究院有限公司 天津 300250)

介绍德国、日本、西班牙等国家的轨道交通中性段供电切换方式，并对其技术方案进行对比。参考国内电气化铁道接触网电分相技术，对重庆铜梁试验线中性段供电切换方案的主要技术条件、设置位置、过中性段切换方案、接触网方案等进行研究，提出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，当列车通过中性段的惰行速度小于160 km/h时，建议采用器件式中性段方案。 关键词 轨道交通；双流制；中性段；供电切换

1 研究背景

采用双流制列车的快速交通源于欧洲，是为满足跨国、跨地区运输及不同时期建设线路的互通运行要求而逐步发展起来的一种轨道交通运营模式。双流制列车主要有可兼容AC 25 kV和DC 3 kV、AC 15 kV和DC 1.2 kV(750 V)、AC 25 kV和DC 1.5 kV等几种供电模式。通过交直流系统间设置的中性段完成对列车的供电切换，以达到跨地区或主城区与郊区、卫星城之间快速通行的目的。双流制列车具有舒适性好，速度快的特性，同时还可以节省投资。

采用双流制列车的轨道交通运行模式在我国还没有成功的应用先例。重庆铜梁试验线是国内正在开展研究的采用双流制列车的快轨交通项目，可借鉴国外的运行经验，结合我国地铁和铁路的牵引供电模式，对双流制列车过接触网中性段的供电切换方案进行研究。

2 国外现状及比较

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，目前已基本不再采用；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。笔者以德国“S-Bahn”系统、西班牙及日本铁路的中性段切换方式为例进行介绍。

2.1 德国现状

德国的“S-Bahn”系统起源于柏林。1924年柏林首条采用DC 800 V三轨系统的郊区铁路投入运行，成功的运行经验带动所有的郊区线网实现了电气化。从1930年12月1日起将这种连接两地的快速交通叫做“S-Bahn”[1]。

早期的“S-Bahn”系统多采用DC 750 V或DC 1 200 V的直流牵引系统，由于节能的要求，后来逐步采用AC 15 kV交流牵引系统。1992年9月，卡尔斯鲁厄轻轨实现了与铁路的共轨运行，成为世界上首次采用双流制轻轨系统的先例[2]。

采用双流制列车的“S-Bahn”系统在交直流系统间设置接触网中性段，如图1所示。接触网中性段包括直流侧的“a-b” 中性分段、“b-c”接地分段和“c-d”中性段，交流侧的“d-e”接地分段和“e-f”中性分段。钢轨对地绝缘安装，中性段钢轨通过绝缘节与直流侧及交流侧钢轨隔离，地面设置计轴设备以确定列车的位置[3]。

图1 德国“S-Bahn”系统中性段供电切换示意

在正常运行方式下，除jd1、jd2接地开关闭合外，其余开关均处于打开状态。以列车从直流侧驶向交流侧通过中性段为例，列车除需切换车上的断路器外，不需任何其他操作。

从直流侧驶来的列车在第一个受电弓通过“a”位置的分段绝缘器前，自动切断列车上DC系统的进线开关，列车依次滑行通过 “a-b” 中性分段、“b-c”接地分段、“c-d”中性分段、“d-e”接地分段和“e-f”中性分段，当列车完全通过“f”位置时，自动闭合列车上AC系统的进线开关。

若列车上DC系统的进线开关没有及时打开，列车第一个受电弓通过分段绝缘器“a”时，出现拉弧现象，列车继续滑行进入“b-c”接地分段时，出现接地故障，保护动作，接触网失电。从AC侧过来的列车通过中性段的供电切换方式同直流侧。这样列车不停车、不降弓直接通过中性段，完成交直流供电的转换。

为了避免在正常运行模式下列车前弓通过分段绝缘器“b”或“e”时造成拉弧现象，及进入“b-c”和“d-e”接地分段时造成短路故障，“a-b”、“e-f”中性分段和“c-d”中性段的长度一般要大于一列车的长度。

2.2 日本现状

日本由于战争的影响，直到1951年后，东京、大阪、名古屋等几座大城市才开始大规模发展城市轨道交通[4]。二战结束后，东京政府统一管理轨道交通系统的建设运营，地铁与郊区铁路的相互直通规划建设才正式实施[5]。

目前日本的铁路网络中共有10处设置了交直流系统中性段，除JR线黒矶站内有1处采用地面切换方式外，其余9处都采用车上切换方式。

以筑波线为例，筑波线是一条连接日本东京千代田区秋叶原站与茨城县筑波市筑波站之间的通勤线路，列车最高运行速度130 km/h，于2005年8月投入运行，在守谷站至未来平站高架区间设置了AC 20 kV和DC 1.5 kV接触网中性段。

以列车从直流侧驶向交流侧为例，供电切换方式如图2所示。在距离接触网 “a-b” 中性段700 m附近通过声音及显示器通知驾驶员接近中性区段；500 m附近接受定速运行的指示信息，自动打开列车真空断路器，进行车上电路的交直流切换；400 m附近驾驶员确认切换状态。在自动切换不成功的情况下，通过声音警告和切换开关的闪烁来督促驾驶员采用手动切换，当驾驶员手动切换完成后，切换开关停止闪烁，呈点亮状态，列车以无负荷状态惰行通过中性区段，待列车检测到异电源后，投入真空断路器。这样列车不停车、不降弓通过中性段，完成交直流供电的转换[6]。

图2 筑波线中性段供电切换示意

由于列车在无电状态下通过中性段，因此中性段的长度可小于一列车的长度。

日本都市快线上下行接触网中性段分别设置。从直流侧驶向交流侧的中性段接触网设置方案如图3所示，中性区长度约为60 m。

图3 直流—交流侧接触网中性段示意

从交流侧驶向直流侧的中性段接触网设置方案如图4所示，中性区长度约为20 m。

图4 交流—直流侧接触网中性段示意

2.3 西班牙现状

西班牙马德里—塞维利亚的高速铁路建于1992年，全长470 km[7]。在马德里—塞维利亚的线路上设置有AC 25 kV与DC 3 kV接触网中性段，交直流系统接触网间采用分段绝缘器进行绝缘，如图5所示。

图5 马德里—塞维利亚线中性段供电切换示意

列车通过接触网中性段时，司机要进行连续的列车控制，并进行必要的转换操作，降弓通过中性段。

在辅助接触悬挂的中性段上安装有电压互感器，如果疏忽导致受电弓被升起，电压互感器能触发变电所的断路器跳闸。如果该装置失灵，受电弓一旦进入系统分离区的接地段就会造成短路，使得相邻两侧变电所的线路保护装置动作而导致断路器跳闸[8]。

2.4 方案比较

在德国、西班牙的中性段方案中，都设置了接地的中性区段，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一列车的长度，接触网无电区较长，结构较复杂。当列车停在中性区段时，调度员需根据列车的停靠位置(通过地面计轴设施确定)进行开关倒闸作业，完成故障状态下列车通过中性段的交直流切换，事故处理程序较复杂，适用于列车中、高速通过中性段的运行工况。

日本的中性段设置方案，中性段长度不需要大于一列车的长度，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。当列车在中性区前惰行期间，如果列车开关自行切换失败，可通过驾驶员手动完成切换，列车不会停在中性段内，适用于列车中、低速通过中性段的运行工况。

3 铜梁试验线方案

根据重庆市城乡总体规划(2007—2020)及打造“一小时经济圈”的城市发展战略，为了提高轨道交通服务水平，构建多功能多层次的轨道交通服务体系，在重庆市轨道交通第二轮建设项目中，积极推行了互联互通网络化运营的理念[9]。在此背景下，重庆铜梁试验线拟规划建设成为新型的快轨交通，采用双流制列车实现铜梁试验线与轨道交通1号线的同车站换乘或贯通运行。

铜梁试验线分为两段，一段从轨道交通1号线终点尖顶坡站至璧山站,另一段从璧山站至铜梁站，需要在璧山站的站前或站后区间设置接触网中性段。

3.1 主要技术条件

3.1.1 线路

尖顶坡站至璧山站：线路长约5.9 km，其中60%为地下线路。

璧山站至终点铜梁站：线路长约30.8 km，其中68%为地面和高架线路。

3.1.2 车辆

采用双流制动车组列车，可同时兼容AC 25 kV和DC 1.5 kV两种供电模式，6辆编组，最高运行速度130 km/h。

3.1.3 供电制式

尖顶坡站至璧山站：采用DC 1.5 kV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。

3.1.4 信号

与轨道交通1号线信号系统兼容。

3.2 列车通过中性段供电切换方案

铜梁试验线的技术条件与日本筑波线有颇多的相似之处，双流制列车过中性段方案可以借鉴日本筑波线的经验，采用车上切换方式。以列车从直流侧驶向交流侧为例，列车通过中性段的速度定为100 km/h。

3.2.1 中性段的设置位置

3.2.1.1 确定列车加速段所需距离

根据行车专业提供的双流制列车在不同线路条件下的加速度参数表，计算确定列车加速到100 km/h所需的距离，即加速段距离。根据铜梁试验线行车资料及线路条件，加速段距离不宜小于800 m。

3.2.1.2 列车完成切换过程惰行距离

与信号、车辆专业确定列车以100 km/h的速度惰行时，列车接受信号、自动打开主断路器、完成直流—交流回路切换所需时间及安全距离，得出该距离不小于700 m。

根据接触网中性段设置方案确定中性段无电区的长度，参考日本筑波线的经验，中性段的长度不宜小于60 m。

与车辆专业确定列车检测到交流电后，完成切换所需的距离约为120 m。

由此可计算出列车从直流侧至交流侧完成切换所需的最小惰行距离L为

L=700+60+120=880 m

3.2.1.3 中性段位置

参考电气化铁道接触网分相装置不宜设在大于6‰的大坡道的规定[10]，根据铜梁试验线线路资料，接触网中性段宜设置在璧山站后区间地面及高架段。根据加速段及列车完成切换过程惰行距离确定中性段的具体里程范围。

3.2.1.4 计轴设备及警示标识位置

与信号、车辆专业配合确定计轴设备位置及警示标识位置。

3.2.2 列车通过中性段切换方案

如图6所示。列车出璧山站后经过约800 m的加速段，在A点处速度达到100 km/h。因此，在A点处设置标识，并与信号系统配合向列车发出指定信号，通知驾驶员已经接近中性区，应保持时速100 km/h匀速驾驶。当信号系统检测到列车已到达B位置时，向列车发出信号，自动打开列车进线主断路器开关，并进行车内交直流回路的切换。经过BC段时，驾驶员对受电弓开关状态及车内交直流回路切换状态进行确认，自动操作不成功时，驾驶员应手动操作切换。

图6 铜梁试验线中性段供电切换方案示意

若驾驶员确认列车主断路器分闸、交直流回路切换成功后，列车惰性通过CD段，在接触网中性段前跨D点处设置警示标识。

列车通过中性段DE段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处于分闸状态。

当信号系统检测到列车完全通过E点后，在EF段内列车检测到受电弓上全部为交流电源，在F点设置警示标识，此时通过信号确认，向列车发出投入主断路器信号，列车正常前行。

至此，列车通过中性段完成。从交流侧驶向直流侧时其切换原理与此相同。

3.3 中性段接触网方案

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，可以借鉴电气化铁道电分相技术，设为关节式中性段或器件式中性段[11]。

采用关节式中性段方案时，可参考电气化铁道的锚段关节式电分相设置，常用的有七跨式、八跨式、九跨式和十二跨式等几种电分相方案。该方案需要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。

采用器件式中性段方案时，可采用电气化铁道接触网传统的分相绝缘器[12]。分相绝缘器由3个绝缘棒组成，在导线上有6个接头，如图7所示。分相绝缘器总长约30 m，无电区长度可以通过增加绝缘棒数量调整。该方案对受电弓工作宽度无特殊要求。根据铜梁试验线行车资料，列车最高运行速度为130 km/h，建议采用分相绝缘器设置接触网中性段。直流至交流侧的接触网中性段可按图8所示方案设置，交流至直流侧的接触网中性段可按图9所示方案设置。

图8 铜梁试验线直流—交流侧接触网中性段方案

图9 铜梁试验线交流—直流侧接触网中性段方案

图7 器件式中性段示意

列车通过中性段时，存在车内交直流回路切换暂态过程及受电弓主断路器分闸、合闸过程，由于车内存在大量的储能元件，电动机在惰行工况下作为发电机使用、整流器与逆变器之间进行能量交换等，使得其中的暂态过程非常复杂。通过建立仿真模型验证，当列车从直流侧至交流侧运行时，由于直流回路稳压电容的放电效应等因素，其暂态至稳态的过程比从交流侧至直流侧运行时更复杂、需要的切换时间也更长[13]。因此，列车从直流侧至交流侧的中性段长度要大于其从交流侧至直流侧的长度。

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，列车通过中性段的惰行速度小于160 km/h时，建议采用器件式中性段方案。

中性段无电区的长度与列车通过速度、受电弓参数、列车主断路器分合闸时间、列车交直流回路切换时间、异电源检测时间等特性有关，需与车辆专业配合计算确定。

接触网中性段位置宜选择在地面或高架区段，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。

上述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，对于其他地区的不同线路情况，可以参照上述的分析方法，但数据不能照搬。

[1] ROBERT SCHWANDL.Berlin：S-Bahn history [EB/OL].[2016-02-26].http://www.urban rail.net/eu/de/b/s-berlin.htm.[2] 闫小勇，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)：34-37.

[3] 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.

[4] 鄢巨平，谭仲平.日本大都市轨道线网构架分析与思考[J].城市轨道交通研究，2002(1)：91-95.

[5] 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)：21-25.

[6] 中央复建工程咨询株式会社(CFK)，日本地下铁协会(JSA).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.

[7] 刘瑞常.西班牙高速列车服务质量高[EB/OL].(2001-10-25)[2016-2-26].http://news.xinhuanet.com/news/20011025/934064.htm.

[8] (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.

[9] 张乃基，吕莎，余鑫.重庆城市轨道交通网络化运行实践[J].都市快轨交通，2015，28(5)：13-15.

[10] 中华人民共和国铁道部.铁路电力牵引供电设计规范：TB10009—2005[S].北京：中国铁道出版社，2005：62.

[11] 吴积钦.受电弓与接触网系统[M].成都：西南交通大学出版社，2010：114.

[12] 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/T3037—2002[S].北京：中国铁道出版社，2002：2.

[13] 徐恺.双流制电力机车供电模式切换过程暂态特性研究[D/OL].湖南：湖南大学电气与信息工程学院，2014[2016-2-26].http://www.docin.com/p-986781948.html.

(编辑：王艳菊)

Power Supply Switching Scheme of Dual-Current Vehicle on Neutral Section

Wang Zhirong

(China Railway Electrification Survey Design & Research Institute Co., Ltd., Tianjin 300250)

The power supply switching mode in a neutral section in Germany, Japan and Spain is introduced and a comparison is made among their technical schemes. Referring to OHL phase breaking technology employed by domestic electrified railways, the power supply switching scheme for Chongqing Tongliang test line is studied in respect to technical conditions, locations, OHL laying scheme and switching scheme in the neutral section. It is suggested that the dual-current mode vehicle adopt the switching mode of no stopping and no lowering pantograph to pass the neutral section if the line conditions are permitted. Moreover, the device-type neutral section scheme is suggested if the train's inertia speed is less than 160 km/h in the neutral section.Key words: rail transit; dual-current system; neutral section; power supply switching

10.3969/j.issn.1672-6073.2016.06.025

2015-12-30

2016-03-06

王志荣，男，本科，高级工程师，从事轨道交通供电系统设计，wangzhirong@tjedi.com.cn

重庆市科技攻关项目(cstc2012ggC30001)

U231.8

A

1672-6073(2016)06-0125-05