交流-直流双制式接触网隔离转换区设置方案研究

刘 锐，田广辉

0 引言

在我国城市化进程不断发展的大背景下，城市轨道交通建设得到了快速发展，许多大城市中心城区的轨道交通线网已基本形成，并逐渐向周边城镇组团和卫星城市延伸，形成新的市郊轨道交通网络。由于中心城区轨道交通与市郊轨道交通功能定位和运营需求不同，其采用的牵引供电制式通常不统一，中心城区轨道交通一般采用DC 1 500 V架空接触网供电，市郊轨道交通一般采用AC 25 kV架空接触网供电。为了提高运营效率和服务标准，实现不同供电制式线网间的互联互通运营，需要采用交直流双制式牵引列车及交直流双制式牵引供电系统。

现阶段，我国自主研制的交直流双制式牵引列车已经试验成功，但还没有采用交直流双制式牵引供电系统的轨道交通运行线路，而目前在建的重庆市市郊轨道交通跳磴—江津线工程将填补国内这方面的空白。本文以重庆跳磴—江津线工程为背景，对双流制牵引供电系统中交流-直流接触网隔离转换区的设置方案进行分析和研究[1，2]。

1 工程概况及车辆转换方案简介

重庆跳磴—江津线是连接重庆市主城区与江津区的一条市郊铁路，采用山地双流制As型车、AC 25 kV和DC 1 500 V双制式架空接触网供电，在建桥C区站—九龙园站区间设置列车交流-直流转换区，其中转换区往江津方向约25 km线路采用AC 25 kV架空接触网供电，转换区至主城区方向约3 km线路采用DC 1 500 V架空接触网供电。该线在跳磴站设置与轨道交通5号线的联络线，并设置贯通运营交路，运营交路示意见图1。

图1 运营交路示意图

该工程采用的山地双流制As型车以不降弓车辆自动切换完成交直流牵引模式的转换，接触网需设置交流-直流隔离转换区，配合车辆完成转换过程。以直流到交流为例，车辆的转换过程如下：

如图2所示，列车从建桥C区站启动加速，行驶至信标1时，信号系统向列车发出位置信息，列车接收并反馈后确认列车进入直-交转换区；当列车行驶至信标2时，执行减载指令，正常情况下在信标2和信标3之间完成减载指令，断开直流牵引单元的主断路器进入惰行状态；当列车行驶至信标3时，进行第一次切换状态确认，若切换失败，车辆屏将提示司机进行人工切换操作；当列车行驶至信标4时，进行第二次切换状态确认，若人工切换也失败，将强制降下受电弓，若一切状态正常，列车将在升弓状态下惰行通过接触网隔离转换区，进入到交流接触网区域；随后列车继续惰行至信标5，此时列车将合上交流牵引单元的主断路器，进入交流牵引状态，至此列车的直-交转换完成。

列车从交流侧行驶至直流侧的交-直转换过程同上，只是方向相反[3]。

图2 直-交转换信标示意图

2 交流-直流接触网隔离转换区设置方案

2.1 车辆需求

跳磴—江津线采用的山地双流制As型车近期采用6辆编组：+Mc2−MTp2−M2+M1−MTp1− Mc1+，如图3所示。列车设置两个相互独立的牵引单元，每个牵引单元设双弓，双弓间距约为13 m，两个牵引单元间相邻受电弓间距约为47 m，最远受电弓间距约为73 m。车辆远期将采用7辆编组，但牵引单元及受电弓间距保持不变。

图3 列车编组示意图（单位：m）

车辆要求接触网隔离转换区的长度设置为78 m，大于双弓最大间距（73 m），这是因为车辆在转换过程中不能使受电弓一端接触到直流电压的同时另一端接触到交流电压，否则会出现逻辑报错；同时接触网隔离转换区的长度也不能太长，因为在惰行时，隔离转换区越长，将增大列车停在转换区的风险。

2.2 接触网隔离转换区设置方案

接触网隔离转换区的设置除需满足车辆交直流转换的需求外，还需要确保双流制牵引供电系统在线路运营的各种工况下均能够安全稳定可靠运行，防止交、直流两种供电系统间短路，且当列车因故障造成行驶速度下降、停在转换区时，能够便于救援。

根据跳磴—江津线工程的实际情况，结合国外既有工程交流-直流接触网隔离转换区的设置经验，设计以下3种方案，并进行比选。

2.2.1 方案一 采用FRP（玻璃钢材质）接触线绝缘

该方案参考了日本筑波线方案，如图4所示，交、直流接触网之间采用两段20 m长的FRP接触线隔离出一段总长78 m的交流-直流接触网隔离转换区，利用FRP接触线优良的绝缘性能确保交、直流供电系统间的绝缘可靠。

该方案的优点：接触网设置简单；弓网关系良好；交、直流供电系统间绝缘可靠。缺点：经过调研发现，国内目前不能自主生产FRP接触线产品，暂不具备实施条件；当列车落入接触网无电区时，只能采用救援车或邻车救援方式将列车拖出。

图4 接触网隔离转换区方案一（单位：m）

2.2.2 方案二 采用6台分相绝缘器绝缘

该方案如图5所示，交、直流接触网之间采用6台分相绝缘器（a、b、c、d、e、f）隔离出一段总长78 m的交流-直流接触网隔离转换区，隔离转换区接触网由ab、bc、cd、de、ef五部分组成，bc、de区接触网分别通过常闭隔离开关G3、G4接地，在直流段接触网、ab、bc区接触网之间设置常开联络隔离开关G1、G2，在de、ef区及交流段接触网之间设置常开联络隔离开关G5、G6[4]。

图5 接触网隔离转换区方案二（单位：m）

该方案的优点：所有设备和材料均可以采用国产化产品；通过设置接触网常接地区避免因分相绝缘器故障或列车转换故障带电误闯造成交、直流供电系统间发生短路；当列车因故落入转换区时，可以通过隔离开关的倒闸操作缩短接触网隔离转换区的无电区长度，使列车受电弓可以分别从直流接触网或交流接触网取流自行驶出转换区。缺点：在78 m的接触网区域内设置了6台分相绝缘器及6台隔离开关的连接线缆，接触网负荷大，硬点多，严重影响弓网关系；6台隔离开关闭锁关系复杂，倒闸操作困难，容易发生误操作。

2.2.3 方案三 采用4台分相绝缘器绝缘

该方案如图6所示，交、直流接触网之间采用4台分相绝缘器隔离出一段总长78 m的交流-直流接触网隔离转换区，隔离转换区接触网由ab、bc、cd三部分组成，bc区接触网通过常闭隔离开关G2接地，ab、cd区为中性区接触网，通过联络隔离开关G1、G3分别与直流段接触网和交流段接触网相连[5]。

图6 接触网隔离转换区方案三（单位：m）

该方案的优点：所有设备和材料均可以采用国产化产品；通过设置接触网常接地区避免因分相绝缘器故障或列车转换故障带电误闯造成交、直流供电系统间发生短路；当列车因故落入转换区时，可以通过隔离开关的倒闸操作缩短接触网隔离转换区的无电区长度，列车再配合升降弓操作可以分别从直流接触网或交流接触网取流自行驶出转换区；对比方案二，该方案减少了2台分相绝缘器和若干上网线缆，降低了接触网负荷，可以有效改善弓网关系；减少开关数量后也使闭锁关系更简单，倒闸操作更便利。缺点：列车在落入转换区的自救过程中需要进行受电弓的升降弓操作配合。

通过对以上方案的对比分析，推荐方案三作为跳磴—江津线工程交流-直流接触网隔离转换区的实施方案。

3 列车转换过程中交流-直流接触网隔离转换区的状态过程分析[6]

以列车从直流侧向交流侧行驶为例，列车进入交流-直流接触网隔离转换区前处于升弓但不取流的惰行状态，由于列车同一牵引单元双弓母联连通，当第一牵引单元前弓进入到ab中性区接触网时，ab中性区接触网通过受电弓及受电弓母联与直流段接触网连通而带直流电，当前后弓均进入ab中性区后，ab中性区接触网恢复与直流段接触网绝缘状态，随后第一牵引单元前弓进入bc接地区接触网，ab、bc区接触网通过受电弓及受电弓母联连通均处于接地状态，当前后弓均进入bc接地区接触网后，ab中性区接触网恢复绝缘不带电状态，当第一牵引单元前弓进入cd中性区接触网后，bc、cd区接触网通过受电弓及受电弓母联连通均处于接地状态，当前后弓均进入cd中性区后，cd中性区接触网恢复绝缘不带电状态，当第一牵引单元前弓进入交流段接触网后，cd中性区接触网通过受电弓及受电弓母联与交流段接触网连通而带交流电，当前后弓均进入交流段接触网后，cd中性区接触网恢复与交流段接触网绝缘状态。列车第二牵引单元双弓通过时的状态同上，由于列车两个牵引单元相互独立，因此依次通过时互不干扰。

当列车未能及时切断牵引回路主断路器，带电误闯交流-直流接触网隔离转换区时，会发生严重拉弧，持续电弧会在bc接触网接地区造成当前供电制式下接触网对地短路，从而使当前制式供电系统短路保护跳闸并退出运行，避免发生交流、直流供电系统间的短路从而造成更大的危害。

4 车辆落入转换区的救援方案[7，8]

列车的交直流转换方案决定了列车必须有一定的初速度才能在惰行状态下顺利通过转换区，当初速度不满足要求时，列车可能停在转换区内的任何位置，这时就需要在交流-直流接触网隔离转换区进行开关倒闸操作，并配合列车两个牵引单元的交替切换牵引使其自行驶出转换区。列车落入转换区的救援工况分为两种，对应不同的开关倒闸操作和列车牵引单元切换方式。本节以列车从直流侧行驶至交流侧为例进行分析。

如图7所示，列车牵引单元一的受电弓落在分相绝缘器c往直流方向转换区的任意位置时为工况一，此时列车的自救方案如下：闭合联络隔离开关G1、G3，使ab、cd中性区接触网分别带直流电和交流电，列车降下牵引单元一的受电弓，由牵引单元二的直流牵引回路牵引行驶，直至牵引单元一的受电弓完全进入到cd接触网区域时停车，此时降下牵引单元二的受电弓，升起牵引单元一的受电弓，由牵引单元一的交流牵引回路牵引行驶至信标5（见图2）后，升起牵引单元二的受电弓，两牵引单元均采用交流牵引模式恢复到正常牵引状态。

图7 落入转换区的救援工况一

如图8所示，列车牵引单元一的受电弓落在cd中性区接触网范围内时为工况二，此时列车的自救方案如下：闭合联络隔离开关G3，使cd中性区接触网带交流电，列车降下牵引单元二的受电弓，由牵引单元一的交流牵引回路牵引，列车行驶至信标5（见图2）后，升起牵引单元二的受电弓，两个牵引单元均采用交流牵引模式恢复到正常牵引状态。

图8 落入转换区的救援工况二

列车从交流侧行驶至直流侧的救援模式同上，只是方向相反。针对救援工况还需在轨旁设置相应的停车对位标。

5 结语

交流-直流接触网隔离转换区需要根据具体工程的实际需求开展设计，对于不同线路的不同需求应提供不同的应对措施，但其设计应遵循以下3个原则：

（1）以配合交直流双制式牵引列车顺利完成交直流牵引转换为目的。

（2）确保交直流双制式供电系统运行的安全性、稳定性和可靠性，避免发生交、直流供电系统间短路[9]。

（3）针对运营中可能发生的故障工况提供有效的救援条件。