晉 鈺，楊振龍

0 引言

新建水廠礦區(qū)至曹妃甸港區(qū)專用鐵路從既有卑水線木廠口站引出，南與曹妃甸港相連，將剝巖土、尾礦砂等發(fā)送到曹妃甸地區(qū)填海[1]。既有卑水線為直流1 650 V 制式[2]，而水曹鐵路擬采用干線鐵路電氣化交流25 kV 制式[3～6]，交、直流2 種制式的電氣化接觸網(wǎng)在接軌站如何實(shí)現(xiàn)安全可靠的轉(zhuǎn)換是牽引供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，該種設(shè)計(jì)在國內(nèi)尚無商業(yè)運(yùn)行的先例可借鑒，需進(jìn)行相關(guān)研究。

1 國外運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)

根據(jù)國外經(jīng)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)相鄰不同牽引供電制式接觸網(wǎng)的電氣分離，并保證2 個(gè)系統(tǒng)都能安全、有效地向機(jī)車供電，一般采用以下2 種方式[7]。

1.1 設(shè)供電系統(tǒng)轉(zhuǎn)換車站方式

在系統(tǒng)區(qū)兩側(cè)的電氣化鐵道線路上或運(yùn)輸繁忙的交通系統(tǒng)中，為保證列車運(yùn)行不受限制就需要大量的多流制牽引車輛。而多流制牽引車輛比單流制牽引車輛（單系統(tǒng)牽引車輛）的造價(jià)高。在這種情況下，采用同時(shí)配有雙流制牽引車輛（適應(yīng)相鄰2 種牽引供電系統(tǒng)）和單流制牽引車輛的轉(zhuǎn)換站會更為經(jīng)濟(jì)。

該種系統(tǒng)分離轉(zhuǎn)換車站能夠在同一線路上讓進(jìn)站的列車由一種供電制式的牽引車輛牽引，而出站的列車由相鄰的另一種供電制式的牽引車輛牽引。系統(tǒng)轉(zhuǎn)換車站牽引供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和電路布置具備多樣性。有的轉(zhuǎn)換車站建有橫向縱向分離的接觸網(wǎng)，而不需要切換接觸網(wǎng)；也有的轉(zhuǎn)換車站若干股道的接觸網(wǎng)可以由2 個(gè)供電系統(tǒng)供電。

裝備有可切換接觸網(wǎng)裝置的系統(tǒng)轉(zhuǎn)換車站，接觸網(wǎng)可以分別由2 個(gè)供電系統(tǒng)供電，其所需切換的股道數(shù)量取決于股道的布局和運(yùn)行需要。在軌道隔離區(qū)之上架設(shè)的分段絕緣器將接觸網(wǎng)分成獨(dú)立的供電分段，每個(gè)分段由專用的開關(guān)站供電。圖1 為該種系統(tǒng)轉(zhuǎn)換車站的原理圖。接觸網(wǎng)的絕緣等級要與具有較高標(biāo)稱電壓的系統(tǒng)相匹配，還需進(jìn)行車站的雜散電流防護(hù)[8～9]。

圖1 設(shè)置系統(tǒng)轉(zhuǎn)換車站方式示意圖

由2 種牽引供電系統(tǒng)供電的轉(zhuǎn)換車站可進(jìn)行單流制牽引車輛和雙流制牽引車輛的混合運(yùn)行。慢車可以使用單流制牽引車輛，通過調(diào)車實(shí)現(xiàn)牽引車輛轉(zhuǎn)換；快車可以采用雙流制牽引車輛，從而節(jié)省調(diào)車更換牽引車輛的時(shí)間。目前在俄羅斯和德國、荷蘭交界處的電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)隔離采用的是該種方式。

1.2 設(shè)置系統(tǒng)分離區(qū)方式

設(shè)置系統(tǒng)分離區(qū)方式要求電力機(jī)車采用造價(jià)更高的雙流制牽引，即機(jī)車同時(shí)配備交、直流受電弓。這是由于在同樣功率下直流系統(tǒng)需要更大的電流[8]，也需要相應(yīng)設(shè)計(jì)特殊的受電弓，與交流供電線路相比，直流供電線路需要增加受電弓的質(zhì)量和接觸壓力。電力機(jī)車需要降弓通過該系統(tǒng)分離區(qū)，類似于干線電氣化鐵路的無電區(qū)，兩側(cè)不同區(qū)段接觸網(wǎng)之間采用合成材料制成的分段絕緣器進(jìn)行絕緣，機(jī)車離開該區(qū)域后，升起與系統(tǒng)配套的受電弓繼續(xù)運(yùn)行。

西班牙馬德里—塞維利亞高速鐵路牽引供電系統(tǒng)需要AC 25 kV 和DC 3 kV 2 種供電制式的過渡轉(zhuǎn)換，目前采用的是在區(qū)間線路設(shè)系統(tǒng)分離區(qū)方式，如圖2 所示。

圖2 設(shè)置系統(tǒng)分離區(qū)方式示意圖

2 水曹鐵路交直流轉(zhuǎn)換方式

上述第2 種“系統(tǒng)分離區(qū)”方式需要配備雙流制牽引的機(jī)車才能實(shí)現(xiàn)，國內(nèi)尚無該類機(jī)車，而且淘汰既有卑水線運(yùn)行直流機(jī)車的成本和代價(jià)都太大，業(yè)主不希望采用該方案。第1 種“系統(tǒng)轉(zhuǎn)換車站方式”可利用國內(nèi)成熟的交、直流機(jī)車運(yùn)行，但需要對木廠口車站進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)。

在木廠口車站設(shè)置交直流系統(tǒng)轉(zhuǎn)換場，可分別由交、直流系統(tǒng)供電，通過換掛機(jī)車來實(shí)現(xiàn)制式匹配。2 種制式的系統(tǒng)不能同時(shí)接通，否則會燒毀不同供電制式的供電設(shè)備、機(jī)車，造成較大的損失。因此該車場每個(gè)工作束同時(shí)只能運(yùn)行與工作供電制式相同的機(jī)車，與工作供電制式不同的機(jī)車不允許升弓，更不能受電。

工作原理：木廠口轉(zhuǎn)換場根據(jù)運(yùn)輸能力分為若干個(gè)工作束，每束能獨(dú)立接受交流或直流供電，直流（交流）開閉所內(nèi)每路饋線均設(shè)置直流（交流）自動投切裝置，設(shè)置關(guān)聯(lián)閉鎖使交、直流不能同時(shí)向同一個(gè)工作束供電。要求每個(gè)工作束有獨(dú)立的進(jìn)、出場的走行線，可設(shè)置電分段與正線隔離，保證在某束場內(nèi)發(fā)生電氣故障時(shí)，不會影響到相鄰正線、場束的運(yùn)行，詳見圖3 所示。

圖3 木廠口交直流轉(zhuǎn)換場供電示意圖

以第1 束為例，操作流程：直流機(jī)車牽引列車進(jìn)入第1 束轉(zhuǎn)換場后停車摘鉤，直流機(jī)車經(jīng)岔線折回卑水線，待駛出第1 束轉(zhuǎn)換場的直流側(cè)電分段，自動投切裝置動作，切斷直流開關(guān)，接通交流側(cè)開關(guān)，交流機(jī)車駛?cè)朕D(zhuǎn)換場，掛上列車，向曹妃甸方向運(yùn)行。反方向同理。

另一種方案是將交、直流開閉所合建在一起，各工作束交、直流供電線合用，交、直流關(guān)聯(lián)閉鎖甚至可以用機(jī)械形式，可靠性更高，詳見圖4 所示。

圖4 木廠口轉(zhuǎn)換場供電合建交直流開閉所方案示意圖

3 特殊設(shè)計(jì)

國內(nèi)尚無商業(yè)運(yùn)行先例可循，交直流轉(zhuǎn)換場牽引供電設(shè)計(jì)是特殊設(shè)計(jì)。下面分析交、直流2 種系統(tǒng)的特性，以便選擇更安全、可靠的供電設(shè)備。

3.1 開關(guān)設(shè)備

木廠口交直流轉(zhuǎn)換場的束與束之間電氣相互獨(dú)立，且每束車場又要根據(jù)機(jī)車類型準(zhǔn)確切換供電制式，對分段開關(guān)準(zhǔn)確而頻繁的投切能力要求很高，可參考國內(nèi)鐵路、城軌車輛制造廠試驗(yàn)線及鐵道科學(xué)研究院環(huán)形試驗(yàn)線經(jīng)驗(yàn)，選擇成熟設(shè)備。

3.2 絕緣性能

交流系統(tǒng)為25 kV 制式，直流系統(tǒng)為1 650 V，絕緣等級與電壓等級相對應(yīng)，轉(zhuǎn)換場的接觸網(wǎng)絕緣等級要與具有較高標(biāo)稱電壓的系統(tǒng)相匹配，即與交流系統(tǒng)匹配，按交流27.5 kV 耐壓等級考慮。

3.3 載流能力

機(jī)車功率恒定的前提下，電壓等級較低的線路機(jī)車帶電電流大，因此，木廠口轉(zhuǎn)換場的接觸網(wǎng)載流能力需比較2 種系統(tǒng)，選擇較大電流來配置，接觸線截面需按直流系統(tǒng)最大電流配置。

該線開行5 000 t 列車，交流SS4 型機(jī)車額定牽引功率6 400 kW，機(jī)車電流250 A 左右，而直流系統(tǒng)下機(jī)車帶電電流達(dá)到3 000 A 左右，遠(yuǎn)大于交流系統(tǒng)，因此接觸網(wǎng)導(dǎo)線需按直流系統(tǒng)最大電流配置，區(qū)間正線采用規(guī)格為CTA-150 的雙接觸線+規(guī)格為JT-150 的雙承力索+規(guī)格為JT-150 的雙加強(qiáng)線線材組合方能滿足要求，轉(zhuǎn)換場各工作束增設(shè)股道間電連接，可按規(guī)格為CTA-150 的雙接觸線+規(guī)格為JT-150 的單加強(qiáng)線組合配置。但該導(dǎo)線配置在國內(nèi)罕見，需要提高接觸網(wǎng)支柱和基礎(chǔ)容量。

3.4 雜散電流防護(hù)

直流系統(tǒng)電流較大，由于運(yùn)營環(huán)境、經(jīng)濟(jì)及其它方面因素的限制，鋼軌不可能完全絕緣于道床結(jié)構(gòu)，不可避免地向軌道外部泄漏電流，形成雜散電流。雜散電流對周圍鋼筋結(jié)構(gòu)、金屬管線有腐蝕，影響其使用壽命和安全性，增加運(yùn)營成本，因此，站內(nèi)還需進(jìn)行雜散電流防護(hù)：與網(wǎng)上分段配合設(shè)置鋼軌絕緣和軌回流開關(guān)（接觸器），軌回流開關(guān)（接觸器）與網(wǎng)開關(guān)聯(lián)動，加入閉鎖。

3.5 對廠區(qū)布置要求

電氣化專業(yè)作為項(xiàng)目的配套專業(yè)，為滿足站場、線路和運(yùn)輸組織而設(shè)置供電設(shè)施，而交直流轉(zhuǎn)換場因?yàn)槠涔╇娭剖降奶厥庖?，要求轉(zhuǎn)換場每個(gè)工作束都相對獨(dú)立，因此，需要在站場方案設(shè)計(jì)前對站場專業(yè)提特殊要求，對每個(gè)工作束設(shè)置獨(dú)立的進(jìn)出場線、機(jī)車折返岔線，以滿足設(shè)備安裝及正常運(yùn)行的需求。

4 結(jié)論

交直流轉(zhuǎn)換場供變電開關(guān)、刀閘設(shè)備需要滿足2 種制式下頻繁投切和耐受電壓的能力，同時(shí)接觸網(wǎng)既要滿足直流大電流，又要滿足交流高電壓。還要注意與網(wǎng)上分段配合設(shè)置鋼軌絕緣和軌回流開關(guān)，與網(wǎng)開關(guān)聯(lián)動。從便于確認(rèn)的角度考慮，建議采用交、直流開閉所合建在一起的方案。為保證安全、可靠，可在開閉所內(nèi)設(shè)置饋線電壓在線監(jiān)測裝置跟蹤監(jiān)測各工作束的電壓制式，作為投切不同制式電源的閉鎖充要條件。為消除靜電荷的危害，在每次轉(zhuǎn)換電源時(shí)按“交（直）流電源停電—合接地開關(guān)放電—打開接地開關(guān)—合閘直（交）流電源”順序操作。

工程設(shè)計(jì)尚須仔細(xì)研究解決諸多具體問題，希望本文對交直流轉(zhuǎn)換牽引供電系統(tǒng)技術(shù)的研究和工程設(shè)計(jì)有一定指導(dǎo)作用。

[1] 新建水廠礦區(qū)至曹妃甸港區(qū)專用鐵路預(yù)可研全一冊文件[R].鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，2011.

[2] GB50157-2003 地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3] TB10009-2005 鐵路電力牽引供電設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

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[5] 曹建猷.電氣化鐵道供電系統(tǒng)[M].北京：中國鐵道出版社，1987.

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[9] 于松偉，楊興山，韓連祥，等.城市軌道交通供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理與應(yīng)用[M].成都：西南交通大學(xué)出版社.

[10] TB/T 2809-2005 電氣化鐵道用銅及銅合金接觸線[S].

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