复合功能市域快线车辆供电制式选择研究

崔艳鹭

(1.轨道交通工程信息化国家重点实验室(中铁一院)，西安 710043；2.陕西省铁道及地下交通工程重点实验室(中铁一院)，西安 710043)

1 研究背景及意义

成都轨道交通13号线是成都市“中心穿越.全局覆盖.远景预留.互联互通”的市域快线网的重要组成部分，线路西起温江，东至简阳天府机场，兼顾城市交通功能和机场线功能，全线长约98.5 km，设站35座，如图1所示。车辆推荐采用与快线网中18.19号线一致的8辆编组A型车，最高运行速度140 km/h[1]。从供电制式适应性角度分析，鉴于13号线在中心城内平均站间距约1.5 km，对应最高行车速度约100 km/h左右，DC1500 V直流车基本满足要求；而城外段平均站间距达5.4 km，能够适应最高140 km/h的运行速度，需采用交流供电车辆，经查，同时满足上述需求的双流制式系统在国内虽尚无实际应用，但在国外已有成熟案例可供参考，因此，有必要对于本条线采用双流制的合理性进行研究，即在中心城内采用DC1500V接触网供电，外围采用AC25 kV接触网供电制式。

图1 成都轨道交通13号线线路走向示意

2 国外典型双流制式线路概览

经过调研，国外线路中采用双流制式供电的成功案例有：日本的常磐.筑波.水户线，法国的RER-A线，欧洲的萨尔布吕肯至勒巴赫线等，主要技术标准如表1所示。

表1 国外典型双流制式线路

国外的双流乃至多流制式机车已经投入使用多年，欧洲的BR189型多流制式电力机车可以适应AC25 kV-50 Hz.AC15 kV-16.7 Hz.DC1500 V.DC3000V四种供电制式[2]，日本JR货运公司的EF510-500多流制式机车可以适应AC20 kV-50 Hz.AC20kV-60 Hz.DC1500V三种供电制式[3]，瑞士RhB公司的ALLEGRA双流制式车能够适应AC11kV-16.7 Hz和DC1000 V两种供电制式[4].目前瑞士ABB公司的CC750MS型双流制式车能够适应我国典型的供电制式AC25 kV-50 Hz和DC1500 V[5]。经过了解，目前长春客车厂的As型双流制市域快轨车辆能够适应AC25 kV-50 Hz和DC1500 V两种制式[6]，已有样车下线，但尚无实际应用经验。

日本JR东日本旅客铁道公司的常磐.水户线及首都圈新都市铁道公司的筑波快线共三条线路均采用双流供电制式，其中常磐快线中日暮里至取手区间采用DC1500 V供电制式，取手站以北区域，藤代至岩沼区间采用AC20 kV供电制式；水户线作为连接宇都宫线与常磐线横贯日本北关东区域的重要线路，小山车站至友部车站区间采用AC20 kV供电制式，小山车站附近采用DC1500 V供电制式；筑波快线在秋葉原至守谷区间采用DC1500V供电制式，在守谷至筑波区间则采用AC20 kV供电制式[7-9]。

常磐.水户.筑波3条线路采用双流制式的主要原因主要有以下3个方面。

(1)通勤铁路受到东京法规限制，东京附近一定区域内必须使用直流供电制式[10]，因此常磐线取手站以南区域与筑波线守谷站以南区域均采用直流制式，此外，筑波线守谷站以南有不少隧道路段，若使用交流供电制式会使隧道造价升高也是该段采用直流供电制式的原因[9]。

(2)位于茨城县石冈市柿冈的气象厅地磁测所附近不能采用直流供电制式，因此常磐线取手站以北区域，筑波线守谷站以北区域均采用交流供电制式[7，9]。

(3)水户线小山车站以外与常磐线同样使用交流供电制式，但由于小山车站内部采用直流供电，因此车辆需同时兼容两种供电制式[8]。基于上述因素，3条线路最终均采用双流制式供电方式。

巴黎市域快线(RER)全长587 km，共计5条线路，分别为A.B.C.D.E线，如图2所示。其中A线是连接巴黎东郊与西北郊的重要线路，长达108 km，由5段线路组成，其中1977年开通的A1.A2.A4线采用DC1500 V供电制式，由RATP负责运营，1979年新建的A3.A5线采用AC25 kV供电制式，由SNCF负责运营[11]。由于建设时序不同，且运营单位不同等历史原因，先期由RATP建设的地下段为尽量缩小隧道断面，减小工程规模，采用了DC1500 V的供电方式，后期由SNCF建设的城外段多采用地面或高架敷设方式，站间距也较城区段更大，因此选择采用AC25 kV供电方式。由于线路的不断延伸，为满足城市外围各地与中心城区交流互通的需要开行了采用双流制式的贯通列车。

图2 巴黎RER线网

3 牵引供电方式综合比选

3.1 单一供电制式交.直流选择

3.1.1 交.直流供电制式的适用性及优缺点对比

国内常用交.直流供电制式分别为AC25kV与DC1500V。对于AC25kV制式而言，主要优点在于电压等级高，供电半径能够达到80 km[12]，供电设施相对较少，供电系统本身的投资较直流制式少。主要缺点在于线路中需要设置电分相，对于列车的通过速度有较大影响[13]，此外，该种供电制式会产生三相不平衡和少量谐波，对于电力系统有一定影响，并且交流电气化铁路也会对沿线的通信设施设备产生一定影响，需要进行相应的电磁干扰防护。

对于DC1500V制式而言，主要优点在于电压等级低，对于隧道的净空要求低，对于常规地铁线路而言隧道较多，可以节省土建的投资。

3.1.2 不同速度目标值下交.直流供电制式的适用性

目前，国内交流牵引供电线路最高运营时速已经超过300 km/h，而世界范围内直流供电制式的线路最高运营速度为香港机场线保持的135 km/h[14]。国内目前DC1500 V供电制式下，广州地铁3号线北延线最高运行速度为120 km/h，上海地铁11号线最高运行速度为100 km/h。当线路速度目标值超过140 km/h时，国内外的运营案例显示，绝大多数采用AC25 kV供电制式[15]。不同速度目标值下的对供电制式的选择影响如表2所示。

表2 不同速度等级对牵引供电制式选择影响

3.1.3 小结

经分析，结合本线最高运行速度为140 km/h，城外段(约占70%)平均站间距达5.4 km的实际情况，若全线采用单一供电制式，推荐采用AC25 kV交流供电制式，后续着重对交流及双流供电制式进行比选研究。

3.2 交流.双流供电制式对比分析

3.2.1 运营维护影响分析

两种供电制式情况下的运营维护差别主要表现在供电系统设备及车辆方面。

(1)供电系统维护

由于两种供电制式都采用接触网悬挂形式，其区别在于绝缘子规格不同，其他方面基本一致，因此，在接触网方面的运营维护量基本相同。

双流制供电方式下，牵引降压变电所数量较多，牵引所内的设备数量也较多，相对交流供电系统的维护量略大。

(2)车辆维护

采用双流供电的车辆在传统直流车辆供电设备的基础上需增加适用于交流供电的变压器.整流器以及斩波器等设备[16]，因此较纯交流供电车辆维护量更大。

3.2.2 变电所及主变电站影响分析

(1)AC25 kV单制式下变电所及主变电站的设置

若采用AC25 kV单制式时，全线需要设置主变电站(牵引电力合建所).分区所.车站降压变电所。车站范围内无牵引降压混合变电所，牵引负荷均由主变电所牵引变压器负责供电，车站动力照明部分由主变电所的电力变压器负责供电。主变电站110 kV部分采用单母线接线，电力变压器与牵引变压器共用110 kV母线，电力变压器采用110/35 kV供给车站动力照明负荷，牵引变压器采用110/27.5 kV供给全线牵引负荷。因此主变电所内需要设置4台变压器，主变低压侧电压等级为35.27.5 kV两种，主变电站的规模较常规线路主所规模大。分区所一般采用全室内布置方式，与车站降压所合建[17]。

(2)双制式下变电所及主变电站的设置

若采用双制式供电方式，全线需要设置主变电站(牵引电力合建所).牵引变电所.分区所.车站牵引降压混合变电所.降压变电所。

直流区段车站范围内设置牵引降压混合变电所，牵引负荷均由混合所牵引变压器负责供电，车站动力照明部分由车站动力变压器负责供电。直流区段设置的主变电站(牵引电力合建所)与交流制式的相同。

交流区段车站范围内无牵引降压混合变电所，牵引负荷均由牵引变电所的牵引变压器负责供电，车站动力照明部分由主变电所的电力变压器负责供电。

综上所述，双制式下牵引变电设施更为复杂，变电所的种类更多。

3.2.3 牵引能耗影响分析

不同供电制式下牵引能耗对比如表3所示。

从表3可以看出，采用双流制式供电的列车牵引耗电量高于采用AC25 kV的牵引耗电量。

表3 AC25kV与双流制能耗对比

若采用双流制式供电，线路长度为98.5 km，全日开行列车480对，每度电按0.6元计算，则牵引耗电双流制式列车比AC25 kV多支出1 070.6万元/年。

3.2.4 供电系统投资比较

不同供电制式下供电系统投资对比如表4所示。

通过表4可以看出，交流制式比双流制式全线供电系统节省投资1.27亿元。

表4 AC25 kV与双流制供电系统投资表对比

3.2.5 车辆影响分析

(1)车辆购置费

经调研询价，初近远期采用AC25kV制式市域A型车较双流制式车减少车辆购置费分别为2.4，5.96，6.92亿元，如表5所示。

表5 车辆购置费比较

(2)国产化情况分析

目前世界范围双流制式城市轨道交通车辆主要由西门子.庞巴迪.三菱重工等国外企业生产，国内尚无采用双制式的运营线路。长客厂.四方厂.株机厂均有技术储备，但只有长客厂有样车下线，其研发.设计.制造.试验周期长，购置成本较高。

(3)双制式车辆存在问题

采用双制式(AC25 kV.DC1500 V)供电形式车辆要安装适应两种电压制式的高压设备，存在以下问题。

①较AC25 kV供电制式增加一套交直流转换装置，设备复杂.安装空间紧张.防护要求复杂.电磁兼容要求高[18]。

②设备不统一，维护和检修费用高，全寿命周期成本高。

③由于设备利用率低，相对耗能较高，性价比较差。

④与单一电压制式相比，可靠性较差。

3.2.6 土建工程影响分析

不同供电制式对城市轨道交通土建工程的影响主要体现在隧道断面尺寸上。通过对接触网悬挂形式及安装高度.轨道结构.空气动力学等方面进行综合比选，在采用双流供电制式时，13号线主城区段(直流)宜采用内径6.0 m.外径6.7 m的盾构隧道断面尺寸，若全线采用交流供电，管片尺寸需增大至内径6.8 m.外径7.5 m。由于城外段运行速度达到140 km/h，只能采用交流供电，因此两种制式土建投资相同。经测算，按照城区段地下盾构区间总长度20.64 km双线延米计算[19]，采用交流供电制式土建投资较双流制式全线增加5.71亿元。

3.3 比选结论

鉴于成都轨道交通13号线全线长达98.5 km，且市域段占全线长度约70%，须采用最高140 km/h的速度目标值，因此单一直流制式无法适应本线需求。通过对交流与双流制式的比选发现，双流制式的运营维护量更大，牵引变电设施更为复杂，变电所的种类更多，且在工程投资方面，双流制式供电系统投资较交流高，同时车辆购置费较高，且研发周期长，在可靠性.性价比方面也存在诸多问题，虽然在土建工程方面投资节省较为明显，但经综合比较后仍较采用单一交流供电制式增加2.48亿元，且远期列车牵引耗电每年多支出1 070.6万元。综上所述，考虑到全线采用单一制式较采用双流制式技术更加成熟，有利于市域快线之间的互联互通，变电设施较少，利于运营维护，且投资总体较为节省，故推荐13号线全线采用AC25 kV单制式供电方式。

4 思考与展望

随着国内城市轨道交通规划建设的日益成熟，多层次.多制式协同发展的局面成为新常态，组团连接式.穿心式等多种类型的复合功能市域快线不断出现[20]。由于其既要在城区范围多设站，充分收集客流，也要在市域段快速穿越，保证时间目标的实现，因此常会出现同一条线路存在两种或两种以上速度目标值的情况，需要对供电制式进行充分论证，宜采用技术成熟度高.适应性强.投资可控的方案。13号线车辆供电制式选择的方法和步骤能够为其他类似线路提供参考与借鉴，同时也应注意到，虽然其最终选择采用交流供电制式，但并不意味着此类线路均适合采用单一交流供电制式，试想，若某条线路地下限速段占比较高，在较大段落适宜采用直流制式时，大幅降低土建投资或将主导供电制式选择，此外，还应综合考虑各条线路间互联互通的需求，并从线网规划层面做好统筹安排。

国务院近期发布的《关于推动都市圈市域(郊)铁路加快发展的意见》(国办函〔2020〕116号)对市域(郊)铁路未来的发展起到了很好的指导与促进作用。随着都市圈.城市群的快速扩张，类似成都轨道交通13号线这种兼具市区与市域复合功能的快线将日益增多。从目前国内双流制式发展的最新情况看，采用双流制式As车的重庆江(津)跳(蹬)线已于2020年10月开工，由国家铁路局颁布的《市域(郊)铁路设计规范》中亦明确表示其适用于交流.直流和双流供电制式的新建项目，相信在不久的将来，我国会有越来越多的双流制式线路产生，并进一步带动都市圈.城市群的发展，值得持续关注。