市域铁路牵引供电系统设计关键问题探讨

2022-07-15黄玲珍

城市轨道交通研究 2022年6期

黄玲珍

(中铁上海设计院集团有限公司， 200070，上海∥高级工程师)

社会经济发展加速了城市与城市之间、城市郊区与中心城区之间的交通需求，市域铁路作为快速、便捷的交通方式，缓解了居民的出行压力[1]。牵引供电系统为列车提供动力，其安全、可靠、不间断供电是市域铁路正常运营的关键。市域铁路牵引供电系统有别于城市轨道交通和城际铁路，其需同时满足快速、公交化的运营要求。以上海市域铁路嘉闵线(以下简为“嘉闵线”)为例，对该线路牵引供电系统设计中的供电制式选择、牵引变电所与电力变电所合建(以下简为“牵引电力合建变电所”)方案，以及其与轨道交通供电资源共享模式等关键问题进行了探讨。

1 市域铁路牵引供电制式选择

城市轨道交通通常采用直流750 V或直流1 500 V牵引供电制式，城际、客运专线采用单相工频25 kV交流牵引供电制式。交通线网的协调性、速度的适应性、供电能力的合理性及经济性等特点，决定了上海市域铁路牵引供电制式的选择。

上海市域铁路作为长江三角洲区域一体化交通网络的一部分，在运输组织上与国铁互联互通，需满足国铁跨线车的通行。上海市内已运营或即将改造并纳入上海市域铁路线网的金山支线、浦东铁路等均采用25 kV交流供电制式。上海市域铁路采用交流供电制式，可以实现长江三角洲区域一体化铁路交通网络开行大交路列车及互联互通的目标。

上海市域铁路设计速度采用120 km/h及以上，在建市域铁路机场联络线、嘉闵线的设计速度均为160 km/h，目前还未有能满足该设计速度的直流制式车辆，若重新研制势必造成成本增加。以嘉闵线为例，线路长约44 km，设15座车站，平均站间距3.110 km，最小行车间隔3 min。暂不考虑线路土建、车辆研发及购置等因素，对该线路交、直流牵引供电制式的工程投资进行对比，如表1所示。

交流牵引供电系统供电电压等级高，牵引供变电设施少，接触网结构简单。嘉闵线牵引供电系统采用交流供电制式与采用直流供电制式相比，工程投资可减少约500万元/km。因此，嘉闵线采用25 kV交流牵引供电制式，即可适应160 km/h的设计速度，在牵引供电工程投资上也更具备经济性。市域铁路整体工程的经济性可结合土建、车辆、信号、通信、检修维护进一步分析[1]。

表1 嘉闵线交、直流牵引供电制式下工程投资对比表

2 牵引电力合建变电所方案

2.1 市域铁路电力供电方案

市域铁路电力供电方式主要有分散式贯通供电方案和集中式环网供电方案[2]。

1) 分散式贯通供电方案:借鉴铁路贯通线供电方式，设1路10 kV一级负荷贯通线和1路10 kV综合负荷贯通线。车站从地方变电站引入2路10 kV电源，为通信、信号以及动力照明等综合负荷供电[3]。10 kV供电系统处于城市电网继电保护的中末端，运行易受其他用户的干扰；其电压等级较低，系统网压波动较大。若沿线既有电源点的备用容量难以满足本工程大负荷的需求，需对地区变电所进行较大的扩建、改建或新建。

2) 集中式环网供电方案：借鉴城市轨道交通中压环网供电方式，在全线负荷点设置配电所，通过配电所将来自城市电网的高压电源提供给沿线车站降压变电所。电源电压采用110 kV/35 kV或35 kV/35 kV。该供电方式具有电压等级高、电源可靠性高、要求城市电网提供的电源点少、外部电源费用少、有利于多条线路共享等优点。

以嘉闵线为例，该线路车站数量多，均为地下站，动力照明负荷重；高峰小时列车对数多，故障影响范围广。独立设置35 kV电力配电所的集中式环网供电方式的可靠性较好，更适用于市域铁路供电需求。

2.2 牵引电力合建变电所主接线方案

上海市域铁路连接市郊与市区，线路穿越城区，牵引变电所不可避免地选址于城市中心、商业繁华地带、开发区等用地紧张地段，征拆难度大。市域铁路采用27.5 kV牵引变电所与35 kV电力变电所合建方式，可实现土地集约化、资源共享化、工程投资经济化。牵引变电所占电力变电所合建主接线方案有以下3种：

1) 牵引、电力变压器共用110 kV电源。1组牵引变压器和电力变压器接自同1路110 kV电源进线，2路110 kV电源分列运行。牵引变压器采用一主一备方式，电力变压器采用双电源同时运行方式。牵引、电力变压器共享110 kV电源，变压器及其低压侧的设备分开设置，电力变压器与牵引变压器互不影响。该方案的主接线方式如图1所示。

注：ABC为电源相序，图2～3同。

2) 电力变压器接于牵引变压器27.5 kV侧母线。2台27.5 kV/35 kV电力变压器接于牵引变压器二次侧27.5 kV母线。因接触网是工频单相电源，牵引负荷波动频繁，将产生电压波动、谐波及负序等电能质量问题；牵引网检修影响电力变压器的供电；两相27.5 kV和三相35 kV电力变压器为非标设备，其定制需增加购置成本。该方案的主接线方式如图2所示。

3) 采用110 kV/27.5 kV/35 kV三绕组变压器。110 kV三绕组变压器二次侧分别为35 kV电力变压器绕组和27.5 kV牵引变压器绕组。电力绕组为通信、信号、动力照明等供电，牵引绕组为牵引网提供单相电源。该方案的优点是三绕组变压器设备结构紧凑、节省房建用地；缺点是变压器定制成本高，电力与牵引检修相互影响。该方案的主接线方式如图3所示。

图2 电力变压器接于牵引变压器27.5 kV侧母线主接线方案Fig.2 Power transformer connection to traction transformer 27.5 kV bus bar main wiring scheme

图3 110 kV/27.5 kV/35 kV三绕组变压器主接线方案Fig.3 110 kV/27.5 kV/35 kV three-winding transformer main wiring scheme

综上，推荐嘉闵线牵引电力合建变电所采用电力变压器与牵引变压器共享110 kV电源的主接线方式。

2.3 牵引电力合建变电所总平面布置

市域铁路牵引变电所多设置于铁路沿线，采用户外敞开式布置方式，房屋面积较大。市域铁路大多穿越市(郊)区，户外敞开式变电所的占地面积大，电气设备的噪声及布置影响城市环境和景观。而全户内布置型式变电所具有布局紧凑、占地面积少、设备安装运行环境好、便于维修等优点[4]。综合上述因素，嘉闵线牵引电力合建变电所采用全户内优化布置型式。

全户内优化布置的牵引电力合建变电所采用局部三层设计：第一层设有电力变压器室、牵引变压器室、110 kV组合电器室、SVG(动态无功补偿装置)室等房屋；局部夹层设有SVG室和通信室；第三层设有高压室、控制室、接地变和电阻柜室等。

按常规户外敞开式变电所布置时，场坪尺寸为120 m×100 m；按全户内一层牵引变电所布置时，场坪尺寸为100 m×42 m；按全户内二层牵引变电所布置时，场坪尺寸为75 m×40 m；采用优化后的全户内三层设计方案时，场坪尺寸为61 m×40 m，仅为户外敞开式设计方案的20.3%，为全户内一层布置方案的58.1%，为全户内二层布置方案的81.3%。牵引电力合建变电所全户内总平面优化布置方案如图4所示。

尺寸单位：mm图4 牵引电力合建变电所全户内总平面优化布置图Fig.4 Traction and electricity joint construction substation optimized indoor general layout plan

3 市域铁路与城市轨道交通供电资源共享模式

轨道交通主变电所采用110 kV/35 kV供电方式，通过中压供电网络为沿线牵引(混合)变电所及降压变电所供电。上海在建及规划市域(郊)铁路线路(长度超过600 km)，将与城市轨道交通形成网络化运营，且多处站点与规划城市轨道交通衔接。通过市域铁路与城市轨道交通主变电所资源共享，可减少外部电源投资[5]。

市域铁路与城市轨道交通主变电所共享的模式包括110 kV电源侧共享及35 kV电源侧共享[6]。