山区城市地铁供电系统设计关键技术

曾之煜，敖娜娜

（1. 中铁二院工程集团有限责任公司，成都 610031；2. 四川省建筑设计研究院，成都 610000）

1 线路情况

贵阳市以山地、丘陵为主，贵阳轨道交通1号线作为该城市建设的第一条轨道交通线路，土建工程较为复杂，地面段、地下段及高架站交替，个别地段还需穿越峡谷，施工工法更是多种多样，同一个区间常出现明挖、暗挖等多种工法混用；个别地段还有连续长大坡道，坡度达28‰。1号线正线长34.464 km，其中地下线 29.022 km，高架线 2.997 km，地面线2.445 km；共设车站24座，其中地下车站20座，地面车站与高架车站各2座[1]。

供电系统设计作为整个地铁工程设计的重要环节，其功能不仅满足整个地铁工程的特点，还应贴近城市特点，满足用户的需求。本工程供电系统采用110/35 kV两级电压集中供电方式，牵引供电系统和动力照明供电系统共用35 kV供电网络[2-3]；共设置2座主变电所；牵引供电系统采用DC1 500V架空接触网供电、走行轨回流方式；共设置13座牵引降压混合变电所（其中正线11座，车辆段、停车场各1座），14座降压变电所。

2 列车再生制动能量回馈方案

国内不少城市设置了列车再生制动能量吸收/回馈装置，通过运营反馈，部分地区能量吸收/回馈取得了明显效果。本线贵阳北站—蛮坡站有一连续长大坡道，长约5 km，高差达125 m，线路坡度28‰。通过理论分析及软件仿真，列车在该区段制动时，释放的再生能量可观，但无法被相邻列车较好吸收，故该地段有必要设置再生制动能量吸收装置。同时经过比选论证，回馈至中压的方案为当前的主流技术，因此设计方案为在贵阳北站、雅关站、蛮坡站及延安路站牵引变电所设置再生制动能量回馈装置，将列车再生制动能量回馈至35 kV交流侧。另外从理论分析及仿真结果看出，全线其他牵引变电所也应设置再生制动能量回馈装置，但为节约初期建设成本，且在确定方案时（2013年）国内尚无回馈至35 kV侧方案的运营数据，因此其余牵引变电所暂做土建预留，待后续条件成熟时增设。车站牵引变电所需要吸收的再生制动能量如表1所示。

表1 车站牵引变电所需要吸收的再生制动能量Tab. 1 Regenerative braking energy required by the station traction substation

3 牵引网上、下行并联方案

由于前述贵阳北站—蛮坡站连续长大坡道的存在（贵阳北站牵引所距雅关站牵引所3 867 m，雅关站牵引所距蛮坡站牵引所2 802 m，这三个站均设再生制动能馈装置），导致牵引网供电有如下问题：1）下坡线路列车制动释放的再生能量无法有效吸收利用；2）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大；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。问题1基本上可由前述再生制动能量回馈装置解决，为解决问题2，同时进一步使列车再生制动能量就近被相邻列车吸收，提出在区间适当位置（距贵阳北站约2 km）将上、下行牵引网并联[4]，方案示意图见图1。

图1 牵引网上、下行并联Fig. 1 Parallel supply connecting the upward and downward of the traction network

考虑运营倒闸操作的便利性，并联开关采用电动隔离开关。将上、下行牵引网并联后，原有的直流双边联跳变成了多边联跳关系，即牵引网上、下行并联处左右牵引网任一行发生故障，都应联跳其他三个供电臂，本工程设置了专门的多边联跳保护装置实现上述功能。

根据行车调度规则，贵阳北站—蛮坡站区间内的上行或下行接触网出现故障时，该区段内的上、下行均不再考虑正常行车，根据设置的折返线组织小交路临时折返运行。因此，将牵引网上、下行并联后可能使故障范围扩大而对运营带来的影响可以忽略[5]。

4 特殊区段电缆敷设方案

全线35 kV环网电缆在高架、路基、地下隧道交替敷设，由于各种原因，个别设计方案在具体施工过程中需调整和优化，例如：1）路基段，原设计方案为电缆于线路两侧电缆槽内敷设，电缆槽尺寸为400 mm×400 mm，施工过程中发现土建施工完毕的电缆槽尺寸仅为250 mm×250 mm，难以满足现场安装的需要，同时，原设计方案中电缆槽内设置了泄水孔，但现场发现电缆槽内无排水措施，电缆长期浸泡于水中，安全存在极大隐患。因此现场调整为支架敷设方式，直接将支架固定在电缆槽旁已经硬化（C20以上混泥土）的地面上，同时需满足与弱电电缆的间距要求。2）高架或路基区段岔区过轨，原设计方案为环网沿线路中间疏散平台下方至岔区处，通过承轨台之间约10 cm的缝隙穿越，施工过程中发现，部分地段因土建误差导致缝隙只有6～7 cm而无法满足电缆转弯半径的要求，部分地段因岔区采用整体道床导致整个岔区无结构缝，并且电缆提前过轨又和弱电电缆及接触网立柱有冲突。该类问题现场解决办法为将缝隙不足10 cm的缝隙，处理凿宽以满足电缆转弯半径要求，在没有伸缩缝的地方直接在道床上开一个宽15 cm，深15 cm的浅槽。3）行政中心站—会展中心站区间有一条长约330 m的岔线，原设计方案为环网电缆均采用吊顶敷设，后为便于运营检修，均改为穿轨道过轨，与弱电电缆同侧敷设，同时满足与弱电电缆的间距要求[6]。

通过本工程环网施工可以看出，山区地铁环网电缆敷设对设计方案提出了更高的要求：首先山区土建工程复杂，土建施工误差可能较大，后续因为工期的原因只能由机电系统专业自己消化这些误差，因此供电系统设计需留有裕量；其次，山区地铁土建工法较多，隧道、桥梁、轨道形式多种多样，要求供电系统设计必须全面了解每种工法对本专业施工的影响，并提前做好预埋预留，宁多勿缺。

5 特殊区段接触网方案

5.1 高架段刚性悬挂方案

本线接触网悬挂类型为：正线隧道区段，接触网采用架空“П”型刚性悬挂[7]。

地面及高架区段一般采用架空柔性悬挂，特殊区段（贵阳北站—雅关站）采用架空“П”型刚性悬挂。因贵阳北站—雅关站在数座山包中穿越，高架与穿山隧道来回交错，其高架区段较短，不利于布置柔性接触网锚段关节，因此高架段采用刚性悬挂贯通，接触网立柱设于线路中间。特殊区段线路纵断面及接触网安装方式分别见图2、图3。

图2 特殊区段线路纵断面Fig. 2 The line profile in the special section

图3 特殊区段刚性悬挂安装Fig. 3 The rigid suspension installation in the special section

5.2 地面及高架车站悬挂方案

在地面及高架车站，车站采用岛式站台，为节约成本及配合景观协调，接触网不再单独设立柱，而利用既有车站结构钢柱进行安装。

5.3 过防淹门方案

图4 地面站接触网安装Fig. 4 Installation of the ground station catenary

本线工程穿越南明河，防淹门采用上下平面滑动的闸刀式防淹门，在发生河水倒灌时，防淹门启动，至上而下移动，直至封闭整个隧道。防淹门的这种操作方式对接触网系统具有破坏性，为尽量减小防淹门启动时对接触网系统的破坏范围，刚性悬挂通过防淹门时一般采用架设独立小锚段的方案，即设置一段刚性悬挂小锚段，分别与防淹门两侧的刚性悬挂形成锚段关节并实现电气连接。考虑到防淹门启动时，汇流排无法断开，将卡在防淹门闭合范围内，造成防淹门与底板间存在较大间隙，密闭性差，故在防淹门两侧分别对汇流排进行锚固，防淹门处汇流排采用外包接头连接。该方案在防淹门启动时，汇流排自外包接头处断开，不会掉落在防淹门闭合范围内，防淹门密闭性好，且对接触网系统的破坏范围小，在防淹门复位后架设恢复接触网所需的时间短。

6 接地网

为满足弱电系统的接地要求，综合接地网接地电阻要求不大于1 Ω。贵阳地处山区，地质多为中风化泥质灰岩或夹泥岩，平均土壤电阻率达到320 Ω·m，例如窦官站甚至高达 1 404 Ω·m。照此推算若不采用其他措施，该车站接地电阻高达9.1 Ω，远不能满足接地电阻的要求。因此，对于土壤电阻率小于 500 Ω·m的车站，采用换土并填充降助剂，对于土壤电阻率大于500 Ω·m的车站，采用降助剂和离子接地极，水平接地体采用T2紫铜排，垂直接地体采用纯铜棒和离子接地极交错布置。采用降助剂和离子接地极后，窦官站接地电阻理论计算值为0.7 Ω。接地网施工方案见图5。

7 结语

随着二、三线城市的崛起，未来还有更多的山区城市建设多种形式的轨道交通。本文仅列举了贵阳市轨道交通1号线工程的一些设计方案，目前首通段已试运营，设计方案已逐步实施，其设计功能也基本达到预期。但是文中提到的内容还需要进一步思考和总结，比如结合运营数据进一步优化后续线路再生制动能量回馈装置的配置方案，牵引网上、下行并联的实际效果，接地网能否在满足接地电阻要求的前提下进一步降低成本和施工难度，离子接地体对环境的影响等。只有不断思考和总结，地铁供电系统设计才更能符合城市的特点，更贴近用户的需求。

图5 垂直接地体安装Fig. 5 Vertical grounding installation