市域铁路网供电制式研究

文/郑聃

1 前言

城市规模和形态伴随城市化率的提升在扩大与多样化，新出现的多中心城市群具有城内人口集中、城间人口较少等特点，需要运量巨大、效率较高的公共交通设施加快人员的通勤。

市域铁路是一种提供快速较大容量，且为解决多城市中心城区便捷通勤的新型轨道交通系统。其特点为运量集中、效率要求高、线路长度较大、站间距长、地面高架段多等，国内轨道交通行业发展至今，市域铁路还未有其明确的供电制式以及匹配市域铁路的发展定位。

2 不同供电制式特点及比较

市域铁路源于轨道交通，在轨道交通领域，城际铁路采用工频AC25kV 单相交流牵引供电系统的标准制式；城市地铁线路早期采用DC750V 直流牵引系统制式，现如今普遍采用DC1500V 直流牵引系统制式[1]。

2.1 不同制式牵引供电系统特点比较

轨道交通行业由于采用的牵引供电制式不同，所呈现的技术特点也有其明显优缺点。交流制式和直流制式两者技术特点比较如表1 所示。

表1 不同牵引供电制式技术特点比较

2.2 牵引供电系统特点分析

直流供电制式适用于人员密集、机车启停率高、运营距离短的城市轨道应用场合；交流供电制式适用于线路较长、速度较快的城际干线铁路。

2.2.1 可靠性上，直流供电制式系统可以进行双边供电、大双边供电。因此，在停电倒闸效率及供电可靠性上，直流供电制式系统明显优于交流供电制式系统。

2.2.2 交流供电制式中的牵引整流机组等结构安装于结构狭小的机车空间处，受限于机车牵引容量所限，机车启停时，对谐波抑制率较低。交流机车牵引系统中的牵引变为不平衡变压器，牵引变压器引起的三相不平衡率和产生的高次谐波普遍大于平衡变压器，加剧交流制式铁路功率因素的劣化。

2.2.3 采用直流供电制式的机车因没有车载整流机组等装置，同等速度下，直流制式机车比交流制式机车可利用车内空间更大，电能损耗、钢轨磨耗更小、轴重更轻。

由上述分析可知，市域铁路建设中直流供电制式相对于交流供电制式具有较大的优势，但因目前采用的DC1500V 或者DC750V 直流供电系统在供电臂范围、杂散电流防护方面等的劣势，无法完全匹配市域铁路建设的需求，因此提出采用基于直流供电系统并且具备更高电压等级的DC3000V 牵引供电系统作为市域铁路的供电制式。

3 市域铁路供电系统DC3000V 研究

3.1 DC3000V 与DC1500V 直流牵引制式特性比较

DC3000V 供电制式铁路系统目前已成熟应用于意大利、波兰、西班牙等欧盟国家[2]。DC3000V 牵引供电系统具备的供电臂范围可达8～10km，在大双边供电情况下，供电臂可伸展到15km。采用DC3000V 电压等级供电制式的牵引供电系统相较于传统的DC750/1500电压等级供电制式的牵引系统，可在保证钢轨电位、牵引网网压等相关牵引供电参数的前提下，有效减小牵引变电所数量，减小直流电流，优化直流馈线电缆根数，减小接触网电气磨耗，改善接触网寿命[3]。

3.2 DC3000V 对变电所设备影响分析

变电所对土建的影响主要体现在牵引所牵引设备安装尺寸上，变电所牵引设备主要包括整流机组（整流变压器和整流器）、直流开关柜等。

3.2.1 整流机组的影响

DC3000V 牵引供电系统变压整流形式与DC1500V 牵引供电系统相同，在同等功率输出要求下，只需调整整流变压器线圈匝数变比，即可降压至AC2360V，整流器不需进行结构变化即可输出DC3000V 等级电压。因此，既有常用整流机组不需过多改造，即可输出DC3000V直流牵引供电。

3.2.2 直流开关柜设备的影响

DC3000V 直流开关柜设备属于中压DC3000V～DC10000V 直流配电网系统。中压直流系统已应用于国防舰船的综合电力系统中[4]。

目前由西安交通大学、海军工程大学等科研院所具备研发5kV、30kA 开断能力等级的直流真空断路器已投入实验应用阶段，得益于国内国防科技的发展，更多高压开断等级直流真空断路器或空气绝缘断路器将快速面市[5]。

应用于船舶工业DC3000V 直流开关柜产品其外形尺寸受到严格限制，根据目前市面上出现的DC3000V～DC5000V 直流开关柜产品调查，其外形尺寸不超过1800×1000×2300（长×宽×高mm），因此此尺寸直流空气/真空绝缘开关柜并不会占用变电所过多空间。

同时，DC3000V 机车牵引供电系统在部分欧盟国家已经采用成熟，因此若无法开发出适合国内机车牵引直流开关柜，可直接从国外引进相关配套技术。

3.2.3 杂散电流防护的影响

直流牵引供电系统为不接地对地绝缘安装系统，机车从接触网或接触轨取流，再通过电气连接的钢轨回流到邻近牵引所。“钢轨绝缘安装”为相对概念，运营后轨磨蹭在金属碎屑、空气污染物、雨水侵蚀等条件下的影响，使钢轨对道床的绝缘水平逐渐下降，且通过钢轨回流的电流会进入建筑物钢筋、油气管道等金属设施，造成严重的电化学腐蚀[6]。同时，残留于走形轨上的相对于“地”的电位会对人体造成损害。根据GB50157 规范规定，走行轨对“地”电位不可超过120V，但受制于钢轨焊接质量、轨缝连接电阻等安装工艺的影响，直流牵引供电系统中此项指标经常容易超标[7]。

DC3000V 直流牵引系统电压等级高于传统直流牵引系统。因此，若使用传统的杂散电流防护方案，则可能使杂散电流问题更加恶化。

解决杂散电流系统的根本性方案为增设专用回流轨或回流网方案[8]。增设专用回流轨方案虽然会增加直流供电系统投资，但是可减少全线如道床钢筋焊接、钢轨绝缘防护、轨旁设备、站台门等杂散电流防护等投资。目前，宁波地铁4 号线工程“回流轨”已投入运营，较好地避免了杂散电流对结构、轨旁设备、铁路沿线管道的侵害[9]。

3.2.4 对车辆系统的影响

DC3000V 为欧盟部分国家采用的城市轨道交通电气化铁路供电制式。国内中车浦镇车辆有限公司、中车株洲电力机车有限公司等都通过市场化竞争向国外出口过此电压等级车辆，因此国内的机车制造厂具备完整的DC3000V 机车生产能力，对于车辆的负极由连接车辆改造为连接集电靴的技术也非常成熟。

4 结语

本文通过对不同制式市域供电制式的研究可知，使用DC3000V 牵引供电制式的系统在变电所布点、减少电能损耗上都优于传统DC1500/DC750 直流供电系统；相较于交流供电牵引供电系统，直流供电系统有可靠性高、无过分相、谐波含量少等的技术优势。

得益于国内科技水平的发展，DC3000V 设备也日益成熟，我们可通过借鉴船舶等行业使用的DC3000～DC10000V 中压直流供电设备，补充完善国内轨道DC3000V 关键设备的研发空白。针对可能出现的DC3000V 系统中出现的杂散电流劣化的问题，提出相应的采用回流轨或回流网解决的方案。

在市域铁路建设上，DC3000V 供电系统非常契合市域铁路变电所布点、降低能耗、高可靠性、对城市电网冲击小等需求，在新一轮市域铁路建设中，我们优先考虑并采用DC3000V牵引供电系统；另外，还需时刻了解国内外市域铁路供电制式建设的动态，以此为下一轮国内市域铁路建设高潮的到来提供前瞻性研究工作。