刘莉蓉 李剑
(中国中铁二院工程集团有限责任公司，成都市 610031)
摘要：市域铁路是连接相邻城市间运营的电气化客运铁路，是介于城市轨道交通（地铁、轻轨）和城际高速铁路之间的运输模式。市域铁路可采用25 kV工频单相交流供电，也可采用传统的直流供电技术，其供电制式的选择直接影响到市域铁路的技术和建设标准以及资源的共享。本文结合成都市域铁路18号线，对城市轨道交通与国铁互联互通中不同制式的供电技术在隧道净空、下锚补偿、弓网关系、电能质量等关键技术进行探讨，分析不同方式供电的优缺点。
关键词：轨道交通；互联互通；牵引供电；供电制式；隧道净空；下锚补偿；弓网关系；电能质量
中图分类号：TM922.3doi: 10. 3969／j.issn. 1003 - 8493. 2016. 02. 005
1 概况
轨道交通是指具有固定线路、固定车站、铺设固定导轨、配备运输车辆及服务设施等的公共交通设施。根据我国轨道交通现状和未来发展方向，轨道交通主要分为铁路和城市轨道交通。
牵引供电系统是轨道交通运输的基础设施，牵引供电系统由变电所、接触网、电力供电等构成，主要承担轨道交通装备的动力供给职能。牵引变电所把区域电力系统送来的电能，根据电力牵引对电流和电压的不同要求，转变为适用于电力牵引的电能，然后分别送到沿铁路线上空架设的接触网，为电力机车供电（国铁）；或者送到地下铁道等城市交通所需的供电系统，为地铁电动车辆或电车供电（城市轨道交通）。
电力牵引供电系统按照向电力机车提供的电流性质分为交流制和直流制，目前我国各条干线铁路均采用单相工频25 kV交流制，城市轨道交通一般采用直流制。
随着城市化和城镇化进程的加快及区域经济发展实力的增强，发展连接市区与郊区的市郊轨道交通成为许多大城市解决交通需求的方法。市域铁路是连接市区与其以外的多个组团的轨道交通，它是大城市市域范围内的客运交通线路，市域铁路的车站间距、设计速度目标值等介于干线铁路和城市轨道交通之间，市域铁路可采用25 kV工频单相交流供电，也可采用传统的直流供电技术，其供电制式的选择直接影响到市域铁路的技术和建设标准以及资源的共享，对市域铁路和国铁的互联互通也有极大的影响。
成都轨道交通18号线是由成都火车南站至天府国际机场的快速轨道交通项目，车辆速度要求较高，车辆功率相应增大，使牵引供电系统产生了两个方面的制式选择：一是牵引供电制式，即交流、直流牵引；二是接触网馈电制式，即刚性、柔性悬挂。
2 牵引供电制式
2.1 单相工频25 kV交流制
单相工频25 kV交流制一般适用于运量大、负荷重、速度快、运输距离长的干线电气化铁路，如普速客货共线铁路、200~ 250 km／h客货共线铁路或客运专线、300 km／h及以上高速铁路或客运专线。
客运专线是连接大都市之间的轨道交通，主要服务于省会城市和主要大中城市之间的中长途客流，一般这种客流的出行距离较长，属于点到点的运输方式。平均旅行速度一般为200~ 300 km／h。
2.2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、车站间距小、列车密度高且启动频繁、速度目标值低的城市轨道交通。大运量轨道交通系统一般采用DC 1500 V直流牵引供电制式；中运量轨道系统则可采用DC 750V或DC 1500V。牵引供电制式与车辆运行速度有一定的关联，DC 750V接触轨受电车辆时速一般不超过80 km（最高时速不宜超过100 km），DC 1500 V制式的接触网可以适应列车时速达140~ 160 km。
城市轨道交通是城市公共交通的重要组成部分，服务于城市内部的主要交通走廊，是城市内部交通的独立专用轨道、独立运行的客运系统。
3馈电方式
馈电方式是指将牵引电流从牵引变电所馈送到列车的牵引网形式。
城市轨道交通的馈电方式分为接触轨和架空接触网，而电压等级与馈电方式统一考虑，目前有DC 750 V接触轨、DC 1500 V接触轨、DC 750V架空网、DC 1500 V架空网四种方式，DC 1500 V的接触网一般采用架空形式。而国铁中主要采用架空接触网形式。
3.1 柔性架空接触网
柔性架空接触网由接触悬挂、支持装置、定位装置、支柱或吊柱（含基础）等组成。接触悬挂的接触导线采用高导电率的铜或铜合金制成；支持装置采用中间倒立柱式全旋转腕臂结构或弓形腕臂。
柔性架空接触网在干线电气化铁路工程中得到了广泛的应用．根据其结构的不同，分为全补偿弹性链形悬挂和简单链形悬挂等。
链形悬挂的接触导线通过吊弦悬挂在承力索上，该悬挂方式基本消除了接触导线的硬点，可以满足列车较高运行速度的要求。目前，国外采用链形悬挂时列车的最高试验速度已达到500 km／h，国内高速客运专线设计时速已达到350 km／h。
城市轨道交通工程采用的柔性架空接触网主要为全补偿简单链形悬挂和补偿弹性简单悬挂（见图1）。
3.2刚性架空接触网
刚性架空接触网主要由接触导线、汇流排和支持装置构成，刚性汇流排夹持接触线，通过与受电弓的滑动摩擦向机车供电（见图2）。
2004年兰武线修建的一特长隧道内( 20. 05 km双单线隧道)采用了160 km／h刚性悬挂接触网。在设备可靠性上有了明显的提高，但是供电质量及受流关系并不理想，硬点多而且冲击大，机车受电弓离线情况突出、受电弓拉弧现象非常明显。导致隧道内接触网刚性悬挂供电的开关（馈线上的断路器）跳闸频繁，跳闸原因84%为受流关系。2007~ 2009三年间共发生跳闸237件，重合成功133件，累计停时357 min，对行车存在较大的影响。如果城市轨道交通或市域轨道交通出现类似供电系统故障，将极大影响服务质量，同时对运营安全造成影响。
因此，综合上述分析，架空柔性接触网较刚性悬挂接触网弓网关系对列车的适应性较好。
4不同供电制式的关键问题
4.1 接触网对土建净空的要求问题
a．不同悬挂结构形式的安装要求：不同悬挂结构形式在安装尺寸上的要求不一。对两种电压制式的刚性接触网主要是汇流排的类型和绝缘子的安装尺寸不同。
b．空气绝缘间隙要求：两种电压制式下，对空气绝缘间隙的要求是不同的，一般情况下DC 1500 V是150 mm，交流25 kV是300 mm。
c．接触导线的最低悬挂高度：DC 1500V制式的接触导线在隧道内的最低悬挂高度为4 040 mm（地铁车辆限界）；AC 25 kV制式不宜小于5 300 mm（根据机车车辆限界要求），接触网悬挂点与隧道净空的距离见表1。
在地下线路所占比例较大的情况下。交流25 kV架空接触网在经济上缺乏优势。交流25 kV接触网供电的主要特点是牵引供电工程本身造价相对较低，但是在地下建筑中，由于架空接触网电压较高，需要的建筑净空高度比直流牵引条件下的净空要高，造成地下建筑土建工程造价增加，仅粗略分析隧道土方开挖量约增加40多万m3 。
4.2下锚补偿装置的安装空间问题
采用简单链形悬挂的柔性接触网需要使用张力自动补偿装置，因此需要在隧道内考虑下锚补偿装置的安装空间。在明挖矩形隧道和暗挖马蹄形隧道区段，实施条件相对较好，而在圆形盾构隧道内进行空间预留的实施难度很大。鉴于地下区段的隧道绝大部分为圆形盾构隧道，因此预留下锚补偿装置安装空间对土建工程的影响较大。
4.3 弓网关系问题
无论采用刚性悬挂或者柔性悬挂方式，采用DC 1500 V时，列车取流较大，受电弓与接触网之间的动态耦合关系较差，容易出现离线，导致拉弧：电弧会烧伤接触线，使接触线软化，加速接触线的磨耗。高速度时受电弓弓头振动加剧，使受电弓部件易出现疲劳破坏、接触网磨损加剧，并进一步恶化接触网的平顺，降低运行寿命。
列车受电弓的数量选择也将对弓网关系产生影响，采用DC 1500 V制式时，列车取流较大，若超过单个受电弓载流能力，则需双弓或多弓运行。而列车运行时接触网具有一定的振动频率，由于波动传播特性，因此，多弓运行时产生的频率对弓网关系有一定的叠加影响，需要进行试验运行，确保多弓运行时不会产生离线。
刚性悬挂对设计、施工质量要求较高，其弓网关系的难点体现在：
a．接触线在相邻定位点处高差较大，硬点突出。
b． 刚柔过渡段和承力索间的压力和坡度变化较大。
c．拉出值布置的不合理会导致受电弓的碳板磨耗不均匀，进一步恶化取流质量。
4.4 电能质量问题
牵引供电电能质量包括电力系统电压波动、功率因数、谐波、负序等，牵引供电系统中，采用选择合适的牵引供电方式、牵引变压器接线型式、外部电源电压等级、无功补偿和谐波滤波装置的配置等方法，均可提高牵引供电电能质量。此外，牵引供电系统电能质量存在以下特点：
a．交流供电三相不平衡度问题较直流供电略严重。
b．直流供电由于整流系统和大量环网电缆的存在，谐波和功率因数问题较交流问题略严重。
5实例分析
成都轨道交通18号线起于成都火车南站，沿天府大道敷设至正公路后，覆盖天府新区中央商务区用地并至天府新站，之后沿三岔湖旅游快速路向东至成都市新机场。线路全长约58 km，采用140 km时速列车，该线路交直流方案技术经济比较见表2。
结合成都轨道交通18号线实际情况，本项目速度目标值达到140 km／h，根据空气动力学的研究成果，隧道内径达到7 000 mm，供电制式不对隧道限界产生根本性的影响。
由于本工程远期单列车辆功率达到5 000 kW，对牵引供电系统供电能力较常规轨道交通项目大，且站间距较大，若采用直流牵引供电方式，需在区间设置大量牵引变电所，供电系统投资及其相关土建投资较大，中压网络与牵引网载流能力需求大。交流牵引方式供电能力强、供电半径较大、牵引网结构相对简单，投资较省，在土建工程和车辆选型不构成限制条件情况下，较直流供电具有明显优势。
另外，当采用交流牵引供电时，中压供电网络不再负责牵引负荷，可增大主变电所对动力照明供电系统的供电半径，尽量实现与牵引供电系统共享主变电所。
结合表2分析可得：
a．交流、直流牵引供电方案均能满足供电能力需要。
b． 交流、直流牵引供电方案工程均具备可实施性，
c．交流25 kV供电制式的供电系统投资较直流1500V供电具有优势。
d．交流25 kV供电在本工程不是控制限界的边界条件。
e．交流25 kV供电制式与既有城市轨道线路不兼容，较直流1500V供电不利于运营管理。
6结语
综上，考虑项目工程特点，结合供电系统、土建工程和车辆三大方面进行具体方案的综合比选后，从供电系统技术经济最优的角度，成都轨道交通18号线确定采用交流25 kV制式+柔性架空接触网的组合制式。
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