关于城际轨道交通牵引供电制式选择的探讨.doc

关于城际轨道交通牵引供电制式选择的探讨 中国城际轨道交通建设已进入快速发展和建设时期，以环渤海湾京津冀地区、长江三角洲地区、珠江三角洲地区三大经济区城际轨道交通网为代表的多条城际轨道交通已经建成或正在实施，新调整的中长期铁路网规划也将城际轨道交通规划发展扩展到长株潭、成渝以及中原城市群、武汉城市圈、关中城镇群、海峡西岸城镇群等地区。在有些城际轨道交通项目的前期规划研究阶段，尤其是在地区内城市轨道交通比较发达，彼此联系比较紧密的情况下，城际轨道交通牵引供电系统是采用单相工频25kV交流供电还是直流1500V供电，往往会成为重点专题提出。本文试从分析决定城际轨道交通项目牵引供电制式的相关因素着手，得出决定因素，提出确定牵引供电制式的基本原则与思路。 1 重要概念1.1 城际轨道交通 城际轨道交通（又叫城际铁路），是指在人口稠密的经济发达地区城市间，采用公交化便捷、快速、大运量的客运轨道交通系统。城际轨道交通有三大基本特点：快速、公交化。具体表现为短编组、高密度，实现1-2h的时空距离目标；深入城市中心；和城市的交通系统能够有机地、有效地衔接，尽可能做到乘客的零换乘。具体到某一条城际轨道交通线路，根据其在线网地位、服务对象、范围和质量要求的不同，会有相应的功能定位，从而形成自身独特的技术标准和工程特点。 在规划一个地区或城市群的区域轨道交通网时，往往会按高速客专、城际轨道交通、城市轨道交通三种层次考虑构建网络，围绕线网结构功能清晰、各种交通运输方式全面协调发展的目标，在服务范围、功能定位、技术标准等方面明确其联系和区别。城际轨道交通既是干线铁路服务的补充和完善，又是城市轨道交通服务的延伸和提高，各线路全面协调发展。1.2 牵引供电制式 牵引供电制式是指供电系统向电动车辆或电力机车供电所采用的电流制、电压等级和供电方式。历史上，牵引供电制式曾随着电动车辆和机车功率特性要求、牵引电动机及电力电子技术的发展而发展演变，现已基本定型。中国干线电气化铁路和城市轨道交通发展至今，由于一起步前人就结合国情，汲取和总结了国外多年发展的经验，决策采用单相工频25kV交流制和直流750V（600V）、1500V供电这两种普遍认为先进的牵引供电制式，并已形成国家标准。 （1）单相工频25kV交流制。 单相工频25kV交流制一般适用于运量大、负荷重、速度高、运输距离长的干线电气化铁路，如普速客货共线铁路、200-250km/h客货共线铁路或客运专线、300km/h及以上高速铁路或客运专线，并已基本形成不同层次的技术标准体系。部分国家或地区的城郊快线铁路或机场线采用单相工频25kV交流制，如香港东西铁路（东铁34km，西铁30.5km，最高速度160km/h、架空柔性接触网）、曼谷机场快线（线路长28.8km、最高速度160km/h、架空柔性接触网）马来西亚吉隆坡机场快线（线路长57km、最高速度160km/h、架空柔性接触网）、韩国机场高速线（线路长61.7km、最高速度120km/h、隧道内采用刚性悬挂接触网）。 （2）直流牵引供电制式。 直流牵引供电制式适用于列车功率不大、供电半径较小、列车密度高且启动频繁的城市轨道交通。中国各城市的城市轨道交通均采用直流牵引供电制式。在城轨牵引供电系统方案研究和设计时，供电电压等级是采用750V或者1500V供电，向车辆授电是采用架空接触网还是接触轨，采用架空接触网时，悬挂方式是采用柔性还是刚性，采用接触轨时是上部授流还是下部授流，这应属确定直流牵引制式后牵引网供电方式比选的范畴。中国香港地区LAR机场快线采用直流1500V供电，如香港（线路长35km，最高速度130km/h、架空柔性接触网）、北京市轨道交通首都机场线采用750V供电（线路长28km，最高速度110km/h、750V接触轨）。 本文所述城际轨道交通牵引供电制式（简称供电制式）选择是指为车辆运行和行车组织服务的牵引供电系统究竟是采用单相工频25kV交流供电制（简称交流供电）还是采用直流1500V供电制（简称直流供电）。 (3) 双制式/多制式供电。 双制式/多制式供电是指不同线路区段采用不同的牵引供电制式时，为适应行车组织决定的列车跨线运行和直通需要，供电系统设置不同制式之间实现转换的过渡段或系统分离区，实现对具备双制式或多制式受电功能的同一车辆进行供电。 中国尚无双制式/多制式供电的车辆运营经验。广州地铁4、5、6号线牵引供电系统采用直流1500V供电，车辆采用直线电机，具备从架空接触网（车辆段）和接触轨（正线）受流转换功能，该类型车辆应属牵引供电制式相同，仅受电方式不同。 国外双制式/多制式供电一般是在既有线路必须与新建线路直接衔接以方便乘客出行以吸引客流时，迫于既有线改造费用过大才采用，或是干线铁路客运系统和城市交通共线运行时采用。国外运行的双制式/多制式车辆多属于电流制、电压等级、甚至受电方式都不相同的类型，比较典型的情况是通行在多个国家的欧洲之星高速列车能够适应3种牵引供电制式（交流25kV、DC3000V、DC1500V）。2 交、直流供电制式的主要技术特点 交流供电或直流供电均是一条城际轨道交通牵引供电制式的可选方案。两者的主要技术特点比较见表1。项 目 单相工频25kV交流制 直流1500V供电制 供电形式 单边供电 双边供电 变电所供电范围 电压等级高，变电所供电范围为3080km。 电压等级低，变电所供电范围为24.5km。 牵引变电设施 变电设施数量少，各种接线结构简单 变电设施数量多，各种接线结构复杂；当采用集中供电时，还需设置主变电所和环网电缆，供电工程投资较大。 牵引网结构 在相同功率前提下，其电流比直流供电要小，牵引网截面积小，结构简单 复杂，牵引电流大，牵引网为满足载流量要求，截面积大。 接触网所能适应的车辆速度 可适应较高的列车速度，国内目前设计最高运营速度可达350km/h。 采用架空接触网，直流供电车辆最高速度可达160km/h。 供电安全性 牵引网电压等级高，所要求的安全防护距离较大 牵引网电压等级低，所要求的安全防护距离较小 车辆成本 高速动车组费用较高 直流制车辆电气传动系统简单，车辆制造成本较低 再生制动能量吸收 牵引网分段，其中一动车组再生制动产生的能量只能被该区段的其他动车组利用，利用概率小 牵引网是一个整体，其中一动车组再生制动产生的能量被全线其他动车组利用的概率大，可进行节能坡设置 对隧道净空的影响 电压等级高，对净空要求稍大。 电压等级低，对净空要求小，采用相同的车辆，在盾构施工条件下，开挖直径小。 对电力系统的影响 产生三相不平衡和少量谐波，对系统电能质量会有一定影响 产生少量谐波，对电力系统电能质量影响较小 防护处理 需进行电磁防护，全线可通过增加架空回流线进行防护，处理相对简单 需杂散电流防护，全线需设监测系统，进行全面防护，防护复杂， 运营费用 变电设施少，定员少；电压等级高，电能损耗也少。 主变电所多，需定员多；牵引变电所数量大，电能损耗大；电压等级低，电能损耗也大。 应用情况 京津城际、沪宁城际、广珠城际、昌九城际 广佛城际、广州地铁、深圳地铁等 交流供电由于供电电压等级高，牵引供变电设施少，接触网结构简单，技术经济、运营维护明显优于直流供电。经研究比较，交流供电本体及相关工程（含专业房屋、用地等）投资，相比直流供电，工程投资约少850-1000万元/正线公里，该值视技术标准、地下区段长度不同有所浮动。因此，仅从供电系统专业角度讲，应优先选择交流供电。3 国内城际轨道交通应用现状 国内城际轨道交通工程特点及牵引供电制式选用情况见表2。表2 国内城际轨道交通工程特点及牵引供电制式比较表项目 京津城际 广珠城际 沪宁城际 广佛城际 昌九城际 功能定位 定位于服务京、津两大城市间的旅客交流，注重高速、直达。 定位于服务沿线各城市、中心城镇间的城际客流、兼顾少量对外客流。 定位于服务沿线各个城市、次中心城镇、城市组团之间的旅客交流 定位于满足佛山市、广州河南地区组团内交通需求和广州市与佛山市城际间的交通联系功能。 定位于缓解既有京九线昌九段能力紧张的局面，构建区域内高效便捷、能力强大的交通运输体系。 速度目标值/kmh 350直达，站站停160直达250站站停16080200线路长度/km115主线116.9支线26.8约30032.16全线131.27； 新建线路92线路敷设方式 高架占87主线高架占95%；支线全高架 主线高架占95%； 全地下 桥梁总占34%限制坡度/ 12一般12， 最大30一般 一般3012最小列车追踪间隔/min33324站间距/km最大37.33最小20.49平均28.75最大12.92最小3.42平均7.19最大16.47km最小6.69km平均10.34km最大3.48km最小0.968km平均1.574km最大34.44最小7.85平均26.254主要衔接、换乘点 北京南站、天津站（综合枢纽站） 新广州站 （综合枢纽站） 南京站、上海站（综合枢纽站） 西朗、沙园、南洲客运站、沥滘（地铁换乘站） 庐山站、南昌站（铁路枢纽站） 与干线铁路的衔接 与京沪高速、京沪线衔接，可跨线直通 与武广、广深港客专衔接，长途车跨线降速运行 与京沪高速、京沪线衔接，可跨线直通 暂无 与武九线、京九线衔接，与京九线南昌北-南昌段共线，可跨线直通 与城轨的衔接 与北京、天津市城轨线路通过旅客换乘衔接 与广州市城轨线路通过旅客换乘衔接 与南京、上海市城轨线路通过旅客换乘衔接 与广州、佛山城轨线路通过旅客换乘衔接 暂无 车辆型号 国铁 CRH2、CRH3国铁 CRH1国铁 CRH3地铁B型车 跨线车SS9、城际车动车组CRH1、CRH2牵引供电制式 单相工频 25kV交流 单相工频 25kV交流 单相工频 25kV交流 直流1500V单相工频 25kV交流 牵引网供电方式 AT供电 TRNF供电 AT供电 -TRNF供电 接触网悬挂方式 全补偿简单链形悬挂 全补偿简单链形悬挂 全补偿简单链形悬挂 刚性悬挂 全补偿简单链形悬挂 按广义上的定义，上表中各线均属城际轨道交通，其各自所独有的功能定位所决定的技术标准和工程特点，如速度目标值、行车组织及运营管理、车辆编组及性能要求、站间距、换乘接驳点、线路走向、线路实施或规划延伸长度、投资及建设运营主体等方面均会有所区别，这些方面决定了每条线路最终采用了适合本线及整个线网的牵引供电制式。有的城际轨道交通项目（如穗莞深城际）在前期研究时，最初由于上述各方面不像一条高速客专（比如武广客专、广深港客专）、一般铁路（比如武广铁路、广深铁路）、城市轨道交通（比如广州、深圳地铁）那样清晰和具体，个别关键要素甚至未来延伸和发展也不像上表中城际轨道交通那样明确，使其在规划及决策实施阶段，究竟应采用何种牵引供电制式难以抉择，往往会成为焦点或专题提出。4 决定牵引供电制式选择的相关因素4.1 线网衔接关系 此因素由城际轨道交通项目的线网地位决定，体现在线路起终点选取、行车交路开行、换乘站选取、未来延伸方向等方面。城际轨道交通与相邻线路的衔接方式有旅客换乘衔接和运输组织衔接两种模式。旅客换乘衔接是指旅客换乘车站的通道或并站台设置，在短时间内实现跨线换乘。运输组织衔接是指通过联络线、合理运输组织方案和调度指挥，实现列车跨线运行，以缩短旅行时间。从表2可看出，如城际需与干线铁路列车相互跨线直通运行时，则采用交流供电制式，如京津、沪宁、广珠城际等。若在衔接站通过旅客换乘衔接，两种供电制式均可采用，要结合其他重要因素分析后确定。 以珠三角城际轨道交通网中广珠城际、广佛城际、穗莞深城际为例说明，三者最具代表性。目前广珠城际、广佛城际正在实施，两者功能定位与工程特点不同（见表1），广珠城际采用交流供电，广佛城际则采用直流供电，两者均选用了合适的牵引供电制式。当初，广珠城际项目曾研究过起点站接入广州地铁三号线沥滘站并与之衔接的方案，曾提出并讨论过交直流供电的综合比选问题，后线路改为引入国铁新建的新广州站与武广、广深港客专衔接，与国铁线网互联互通，则确定采用交流制式。而广佛城际则联通广州和佛山两市城市轨道交通，线路较短，速度目标值80km/h，且为全地下敷设，而选用直流供电制式。穗莞深城际前期研究中，由于线路深入到城市中心区并串联起广州、东莞、深圳三市的城市轨道交通网，速度目标值定为140km/h，站间距较短，地下区段较长，关键是约有一半线路需与城市地铁线路共线运营，具有兼顾城际与城市轨道交通的双重功能，因此，采用直流供电制式是合适的。后由于线位走向、衔接换乘关系、速度目标值以及基于整个珠三角城际网的综合考虑，牵引供电制式决策采用交流供电。 可见，线网衔接关系往往会成为确定牵引供电制式的决定因素。4.2 速度目标值 速度目标值应符合城际轨道交通在线网中的分工和功能定位，结合项目客流特点、旅客出行时间目标要求、车辆选型及工程投资综合比选确定。反过来，速度目标值又会影响城际轨道交通的车辆选型、限界、地下区段隧道断面、弓网受流质量及牵引供电系统供电能力设计等方面，其中尤以车辆选型为核心。 从车辆最佳功率配置、弓网受流质量和实际工程应用情况分析，速度目标值低于120km/h时，线路长度较短（50km以下），交、直流供电制式均可选用，此时速度目标值并非决定因素，供电制式选择更多取决于线网衔接关系等其他因素；速度目标值介于120140km/h时，线路长度在100km左右，交、直流供电制式均可选用，此时速度目标值相比城市轨道交通属快速水平，相比国铁则属于普速水平，若采用直流供电制式，车辆功率配备及性价比、研制成本开始受控，牵引供电系统配套非受控，但相比交流供电，技术经济已无已优势；速度目标值高于140 160km/h时，线路长度在100km左右，直流制式车辆已不经济，研制成本增加，国内外已无运营业绩，同时为之配套的直流牵引供电系统也很不经济；速度目标值大于160km/h，线路一般较长（大于100km），从弓网受流质量和牵引供电系统配套来讲，交流供电占优，应采用交流牵引供电制式，此时，速度目标值已是供电制式选择的决定因素，从表2的对比分析也可看出，线路速度目标值大于160km/h，供电制式均采用交流制式。4.3 车辆选型及能耗 牵引供电系统是为车辆运行提供能源的地面固定设施，供电制式的选择也取决于目前交、直流供电车辆的研发、制造和运营水平。车辆功率增幅远大于速度增幅，如果高速运行的车辆采用较低的电压制水平，则车辆制造成本或购置费较高，中国直流供电车辆最高速度为120km/h，国外直流供电车辆最高速度大多在100km/h左右。因此，在进行具体工程供电制式比选时，车辆是否需要重新研发和试运行，车辆购置费差异也是重点考虑因素。 对于同等运行性能的车辆，由于交流供电车辆相比直流供电车辆需增加车载变压器和四象限变流器，交流车辆轴重较大，在牵引和制动过程中能耗比直流车辆略高。直流供电系统供电设备多、环网供电电缆较多，供电网络损耗方面，交流供电相比直流供电则较省。交、直流供电车辆运行能耗差别对牵引供电制式的选择影响较小。4.4 城市景观影响 此因素与线路敷设方式有关。线路若采用地下敷设方式，两种供电制式对环境景观均无影响。在地面和高架敷设段，牵引供电若采用直流1500V接触轨供电，安装位置靠近路基，对景观没有影响，但接触轨这种授电方式不能适应车辆140km/h及以上速度目标值的要求。接触网采用直流1500V架空柔性接触网供电，由于载流要求，一般采用双承力索、双接触线和电流加强线，上部支持结构较复杂，跨距也比交流供电略小，且双线区段接触网支柱布置在线路两侧，相比交流供电而言，对市区整体形象和局部景观景观的影响稍大一些。但一般对景观有特别要求的市区或密集区，线路也多会采用地下敷设方式。因此，城市景观影响并非决定因素。5 牵引供电制式选择的研究原则和思路 基于上述对决定牵引供电制式