单边供电系统断电区的地铁车辆通过策略

延娓娓　刘　帅

（中车长春轨道客车股份有限公司电气研发部，130062，长春∥第一作者，工程师）

目前，我国城市轨道交通系统主要以直流供电形式为主。即：牵引供电所从高压电网获取电能，经过降压变换和整流之后，将最终的直流电输送至线路上的牵引供电设备。直流供电的电压规格一般为750 V或1 500 V［1］。车辆受流方式一般分为两种，即第三轨受流和接触网受流，但不管使用何种受流方式，均要设置断电区［2-3］，即供电不连续区域。其目的主要是解决单个牵引供电所的供电能力有限和供电臂不能够无限长问题；此外，设置断电区可方便供电线路的检修，并可用于故障线路隔离［4］。

1　断电区分类

由于断电区的存在，牵引供电网络也衍生出了多种拓扑结构，尤其以单边供电方式和双边供电方式应用最为广泛［5］。

单边供电形式如图1所示，其每一个供电臂只由单一牵引变电所供电，接线方式较为简单，建造成本相对较低。由于单边供电的每段线路相互独立，当某供电臂发生短路时，故障不会扩散，但冗余性较差，且还需要保证不同供电臂的电压不能够相差过大，以免对车辆的高压系统造成影响［6］。

图1　单边供电系统断电区分布示意图

双边供电形式如图2所示，其每一个供电臂均由两个供电站同时供电，整个牵引供电系统的所有变电站通过供电设备形成并联网络，提高系统的冗余度和车辆再生制动的能量利用率；且供电网内不同区间的电压基本相同，也就避免了车辆通过断电区时因两供电臂电压差对列车牵引系统的冲击。但此种供电形式的建造成本较高，并且当出现局部短路时，故障可能会扩散，甚至引起系统的崩溃。

2　单边供电与车辆电路不匹配问题

经过长期的理论研究和生产实践发现，单边供电系统较为适合于线路长度较短、正线运行车辆较少的地铁线路［7］。上海浦东国际机场捷运系统的线路特点恰好与此相吻合，所以该项目采用了双电源互为冗余的单边供电方式。具体供电拓扑如图3所示。

图2　双边供电系统断电区分布示意图

该线路正线采用第三轨供电，线路共分为2部分，即 T1-S1-T4线（西线）和 T2-S2-T4线（东线）。东西线又分别包括左线和右线，其中东线由S2牵引变电所单边供电，西线由S1牵引变电所单边供电。正线上的断电区长度约为12 m，交叉渡线部分断电区长度约为38 m。

该线路车辆采用4辆编组形式的A型铝合金车，车辆单侧共设置6台受流器。受流器布置方式如图4所示。全列车两端受流器之间的距离约为53 m，半组车的两端受流器距离为22.8 m。

为了让车辆的各牵引逆变器均衡工作，并保证车辆在通过正线和交叉渡线的断电区时依然具有足够的牵引力，车辆设置了1条贯穿全车的高压母线，此线缆与车辆的所有受流器相连。通过这种连接方式，即使当全列车仅有1台受流器与第三轨接触，车辆全部的牵引逆变器均能够具有高压输入而正常工作［8-9］。

图3　浦东国际机场捷运系统供电拓扑图

图4　浦东国际机场捷运系统车辆受流器布置

正常情况下，车辆在各自所属的4条线路上往返运行。若因运营需求，左线或右线上的车辆可以通过S1或S2卫星厅后的交叉渡线来转换轨道。由于车辆在换轨过程中仅有1个电源供电，所以能够顺利通过断电区。但是当车辆通过T3航站楼前的交叉渡线时，由于头车的2个受流器间的距离大于断电区长度，在某一时刻会出现车辆通过自身的高压母线和受流器将分属于不同供电所的第三轨短接（如图5所示）。

该线路要求牵引网压额定值为1 500 V，波动范围为1 000～1 800 V。假设牵引供电网络的供电电能质量较高，在所有线上车辆同时牵引时，网压仍然能够保持在1 500 V［10］。如果其中一个供电臂的网压为1 500 V，另一个供电臂上的车辆在进行电制动且该供电臂的再生制动吸收能力较弱时，该供电臂的网压将会在短时间内达到1 800 V。如果此时有一列车经过T3航站楼的交叉渡线，车辆将短接两个供电臂，300 V的压差全部落在车辆的高压母线上。车辆选用的高压母线为2×95 mm2的电缆（符合EN50306标准）。此电缆的电阻特性为0.21 Ω/km，车辆的长度为94 m，粗略估算高压母线的电阻为0.010 5 Ω，则稳态时流过高压母线电流约为：

图5　车辆短接两个牵引供电所

由于线路和车辆母线上存在杂散电感（电感值与具体的车下线缆排布方式有关，具体数值难以确定，根据经验初步估计为毫亨级），则车辆分布参数电路可抽象为集中参数的RL等效电路模型（如图6所示）。

图6　车辆电路集中参数等效模型

该电路为典型的一阶线性电路，电流i的解析式为：

该电路的时间常数 为：

车辆高压母线的电流响应曲线如图7所示。由图可知，经过3时间后电路基本达到稳态，即30 ms后车辆高压母线电流约为28 kA。运营规则限制车辆要以不高于20 km/h的速度经过断电区，则车辆高压母线短接两供电臂的时间约为2.7 s。这段时间内，电路已经进入稳态，若不采取任何措施，车辆高压母线会因过电流而损坏，且牵引供电所的断路器也可能因此而跳断，造成大面积的牵引网停电。

图7　车辆高压母线电流响应曲线

3　两侧具有压差的断电区通过策略

为避免列车通过具有压差的断电区时产生过电流，上海浦东国际机场捷运系统车辆设置了高压母线断路器，即在两中间车之间设置1台高速断路器（见图8）。当列车即将进入断电区时，司机通过按钮发出高压母线断路器分断指令，此时列车的高压母线被分为两段，由于断电区的长度大于半组车两端受流靴的距离，则分断后的两段母线均不会短接两供电臂，而当列车运行至两端受电靴分属于不用供电臂时，因高速断路器切断了两段母线的电气连接，从而避免了过电流的产生。

为了保证系统的可靠性，防止高压母线断路器因机械故障等原因引起无法及时分段，另设置1台熔断器与高速断路器串联，作为断路器的后备保护。此外，除了能够在列车经过断电区时将高压母线分段外，高压母线断路器还能够隔离车辆的部分短路故障。如某半组车的牵引逆变器保护断路器前端出现对地短路时，高速断路器因过电流而断开，以保证无故障的半组列车正常工作，充分保障列车的可用性。

4　结语

图8　车辆高压母线中高速断路器设置

以上海浦东国际机场捷运系统为例，针对单边供电的牵引网与车辆电路的不匹配问题进行了深入分析，提出了设置高压母线高速断路器的解决方案。该方案在保证车辆能顺利通过两侧供电臂具有电压差的断电区的同时，可最大限度地提高车辆可用性。

提出的解决方案虽然能够避免了因车辆短接不同供电臂而产生的过电流故障，但由于车辆通过断电区的时间较短，两侧供电臂的电压差可能会对列车的牵引和辅助系统造成一定的冲击。当压差超过系统额定电压的10%时，车上的部分电气部件将承受因电压突变而损坏的风险。此问题需待线路建成后，通过现场调试试验加以解决。

［1］董晓冬，赵国伟，袁志宏.城市轨道交通工程直流牵引供电系统运行方式分析［C］∥2012中国城市轨道交通关键技术论坛暨第三届中国（长春）国际轨道交通论坛论文集.长春：中国土木工程学会，2012.

［2］战克强.城市轨道交通接触轨供电分段方式的探讨［J］.电气化铁道，2008（5）：38.

［3］胡懿洲.城市轨道交通接触轨电分段设置方式与改进建议［J］.铁道标准设计，2014，34（6）：124.

［4］赖声钢.接触轨系统在道岔区可能存在列车失电问题的原因分析及解决方案［J］.城市轨道交通研究，2015，18（5）：115.

［5］段术波.广州地铁X号线二期断电区问题分析［J］.中小企业管理与科技，2016（6）：222.

［6］桑艳艳.北京地铁直流牵引供电系统主接线及运行方式分析［J］.数字技术与应用，2010（8）：180.

［7］傅晓锋，康积涛，刘文.新型城市轨道直流牵引供电系统研究［J］.电气化铁道，2016，27（3）：42.

［8］程永谊，钮海彦.无锡地铁1号线列车母线高压电路设计与探讨［J］.现代城市轨道交通，2013（1）：14.

［9］李科，雷张文，朱伟健.五编组地铁车辆受流器配置方式分析［J］.技术与市场，2017，24（3）：42.

［10］姚升.地铁再生制动能量回馈装置设计［J］.中国科技信息，2016（22）：67.