秦曉宇

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團(tuán)有限公司,北京 100055)

引言

近年來,隨著城市群鐵路運輸需求的快速增長,我國開始大力發(fā)展以城際鐵路、市域鐵路為重點的通勤化都市圈出行服務(wù)[1-3]。為了更好地提升交通效率、方便旅客出行,城際鐵路與市域鐵路建設(shè)也在不斷換擋升級,提出了開啟“公交化”的運營模式[4]。該模式下的主要指標(biāo)(包括高峰小時行車間隔、列車編組、運輸組織等)對牽引供電系統(tǒng)能力影響較大,在設(shè)計過程中應(yīng)重點考量。

從目前城際鐵路與市域鐵路(AC25 kV)牽引供電設(shè)計來看,牽引供電系統(tǒng)正常運行狀態(tài)下的供電能力應(yīng)滿足列車高峰小時按最小追蹤間隔緊密運行,但越區(qū)運行狀態(tài)下的供電能力通常仍按“限車模式”的思路進(jìn)行校核,即至少保證越區(qū)區(qū)間有一對列車以設(shè)計速度運行。這種方式無需增加額外設(shè)備以及系統(tǒng)容量,但也無法再保證線路的最大通過能力,降低了線路在越區(qū)狀態(tài)下的“公交化”服務(wù)水平。此外,越區(qū)供電能力還面臨以下問題:(1)城際鐵路與市域鐵路的功能定位和運輸組織模式與干線客運專線、城市軌道交通有著顯著的不同,但其服務(wù)特點又介于二者之間,且很多工程會兼具城際鐵路與市域鐵路的功能特性;(2)近兩年,城際鐵路與市域鐵路相繼發(fā)布了新的行業(yè)規(guī)范和設(shè)計細(xì)則,對越區(qū)供電能力也提出了新的要求,但目前少有研究對相關(guān)規(guī)范進(jìn)行梳理、分析和總結(jié);(3)建設(shè)單位或運營單位通常對越區(qū)這種非正常運行狀態(tài)沒有明確的運營需求。

上述問題使得在校核城際鐵路與市域鐵路越區(qū)供電能力時缺少一定的衡量標(biāo)準(zhǔn),基于此,本文在分析相關(guān)規(guī)范的基礎(chǔ)上,結(jié)合工程實例對公交化運營模式下的城際鐵路與市域鐵路(AC25 kV)越區(qū)供電能力展開研究,以期尋找技術(shù)可行經(jīng)濟合理的方案,使供電能力與運輸能力相配合,為今后的供電設(shè)計提供參考。

1 城際鐵路與市域鐵路特點

城際鐵路與市域鐵路在功能定位、運營模式等方面與干線客運專線、城市軌道交通有著顯著的不同,其服務(wù)特性與相關(guān)要求又介于二者之間。

1.1 功能定位

TB10623—2014《城際鐵路設(shè)計規(guī)范》對城際鐵路的定義[5]:“專門服務(wù)于相鄰城市間或城市群,旅客列車設(shè)計速度200 km/h及以下的快捷、高密度客運專線鐵路?！?/p>

TCRS C0101—2017《市域鐵路設(shè)計規(guī)范》對市域鐵路的定義[6]:“位于中心城區(qū)與其他組團(tuán)間、組團(tuán)式城鎮(zhèn)之間或與大中城市具有同城化需求的城鎮(zhèn)間,服務(wù)通勤、通學(xué)、通商等規(guī)律性客流,設(shè)計速度100～160 km/h,快速、高密度、公交化的客運專線鐵路。”

TB10624—2020《市域(郊)鐵路設(shè)計規(guī)范》對市域(郊)鐵路的定義[7]:“為都市圈中心城市城區(qū)連接周邊城鎮(zhèn)組團(tuán)及城鎮(zhèn)組團(tuán)之間提供公交化、大運量、快速便捷的軌道交通系統(tǒng)?！?/p>

DB44/T2360—2022《城際鐵路設(shè)計細(xì)則》專門對廣東省范圍粵港澳大灣區(qū)城際鐵路給出了定義[8]:“服務(wù)于都市圈間或都市圈內(nèi)部組團(tuán)間,設(shè)計速度分為160 km/h和200 km/h兩個速度等級,組織公交化運營的軌道交通線路?！?/p>

1.2 運營模式

無論是城際鐵路還是市域鐵路,都提出了“公交化”的運營模式[9-10]。公交化的概念源于城市公共交通,是指以較大的行車密度、較小的單位運輸能力、較少的候車時間,實現(xiàn)旅客便捷、快速出行的運輸組織模式。

各類型軌道交通的“公交化”運營目前還沒有統(tǒng)一的衡量標(biāo)準(zhǔn)和指標(biāo),但可以根據(jù)相關(guān)規(guī)范以及城市軌道交通公交化運營的常規(guī)做法,梳理體現(xiàn)“公交化”運營的主要指標(biāo),如表1所示。

表1 公交化運營的主要指標(biāo)[11-13]

上述指標(biāo)中的高密度開行、小編組是公交化運營較為顯著的特點,同時也是影響牽引供電能力的主要因素[14]。其表現(xiàn)為早、晚高峰小時的客流出行數(shù)量明顯高于其他時段,因此發(fā)車間隔較短[15];根據(jù)城際鐵路與市域鐵路的客流特征,列車編組數(shù)一般不超過8編組。

2 越區(qū)供電能力校核原則

越區(qū)供電能力的校核原則分為 “限車越區(qū)供電”和“全支援越區(qū)供電”兩種,不同的校核原則對越區(qū)供電能力的規(guī)定是不一樣的,進(jìn)而對供電方案的影響也較大。

2.1 按限車越區(qū)供電

我國采用交流供電制式(AC25 kV)的電氣化鐵路通常是在不改變正常狀態(tài)牽引供電設(shè)施布局的前提下校核越區(qū)供電能力,即越區(qū)供電能力至少應(yīng)保證越區(qū)供電區(qū)間有一對列車按設(shè)計速度運行[16],這屬于越區(qū)供電能力的最低要求。由于越區(qū)供電屬于非正常運行狀態(tài),因此需要對牽引網(wǎng)載流量、供電臂牽引網(wǎng)電壓水平、牽引變壓器容量進(jìn)行供電能力校核,判斷其能否滿足正常行車需要,當(dāng)無法滿足時必須對行車量或列車運行速度加以限制。

2.2 按全支援越區(qū)供電

我國采用直流供電制式的城市軌道交通越區(qū)供電能力應(yīng)滿足正常行車的服務(wù)水平,即主變電所或牽引變電所解列退出運行時,不能降低行車密度,仍需要滿足列車高峰時段按最小追蹤間隔的運輸能力[17]。

2.3 城際鐵路與市域鐵路越區(qū)供電能力要求

確定城際鐵路與市域鐵路越區(qū)供電能力校核原則存在以下幾個問題。

(1)城際鐵路與市域鐵路在功能定位、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、運量需求、運輸組織等方面與干線客運專線、城市軌道交通有著顯著不同,其服務(wù)功能又介于二者之間,很多項目還承擔(dān)城際客流與市域客流并重的功能定位。

(2)城際鐵路與市域鐵路已有相關(guān)規(guī)范給出了越區(qū)供電能力的要求,但也不盡相同(表2)。城際鐵路維持了“限車越區(qū)供電”的設(shè)計思路,要求越區(qū)供電區(qū)間至少有一對列車運行。雖然這種方式無需增加額外設(shè)備以及系統(tǒng)容量,但也無法保證線路的最大通過能力,降低了線路的“公交化”服務(wù)水平。市域鐵路對越區(qū)供電能力的要求有所加強,提出了對于小運量線路,可以適當(dāng)限車,但要滿足一定的服務(wù)水平;對于大運量線路(和城市軌道相當(dāng)),建議按“全支援越區(qū)供電”,這種方式能夠保證線路的最大通過能力,但投資較大,且供電能力在正常狀態(tài)下較為冗余。

表2 相關(guān)規(guī)范對越區(qū)供電能力的要求[5-8]

(3)建設(shè)單位或運營單位通常對越區(qū)這種非正常運行狀態(tài)沒有明確的運營需求,使得確定越區(qū)能力校核原則時缺少相關(guān)依據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)。

3 越區(qū)供電能力分析

牽引供電系統(tǒng)越區(qū)供電能力評價指標(biāo)主要有:牽引網(wǎng)載流、供電臂末端網(wǎng)壓以及牽引變壓器容量[18-19]。各項指標(biāo)的理論計算方法如下。

3.1 牽引網(wǎng)載流

牽引網(wǎng)載流量根據(jù)列車遠(yuǎn)期高峰小時緊密追蹤下的供電臂20 min電流確定,并以此選擇接觸懸掛導(dǎo)線規(guī)格[20-21]。典型導(dǎo)線組合下的接觸懸掛載流量及牽引網(wǎng)阻抗見表3。

表3 典型接觸懸掛載流量及牽引網(wǎng)阻抗[22]

3.2 供電臂末端網(wǎng)壓

牽引網(wǎng)電壓損失按列車遠(yuǎn)期高峰小時緊密追蹤進(jìn)行計算;計算列車數(shù)取供電臂概率積分為95%的最大列車數(shù),列車電流取平均帶電電流;牽引網(wǎng)阻抗根據(jù)牽引網(wǎng)模型與導(dǎo)線配置計算;計算列車在供電臂末端,其余均勻分布。根據(jù)規(guī)范要求,供電臂末端網(wǎng)壓不得低于20 kV[16]。

2.牽引網(wǎng)等效阻抗計算按功率因數(shù)0.97考慮。

3.3 牽引變壓器容量

牽引變壓器計算容量按行車組織全天開行計劃需要的通過能力進(jìn)行計算。校核容量按列車高峰小時緊密追蹤下概率積分為95%的供電臂最大帶電列車數(shù)及短時最大電流進(jìn)行計算,并充分利用牽引變壓器過負(fù)荷能力[23]。由于僅考慮一座牽引變電所解列的情況,故越區(qū)供電時,變壓器容量按一臂正常供電,另一臂越區(qū)供電進(jìn)行計算。

4 工程示例

本文以某城際鐵路項目為例,對越區(qū)供電能力進(jìn)行分析。

4.1 工程概況

該項目屬于某省城際鐵路網(wǎng)的重要組成部分,共由四段線路組成,總長約135.6 km,分別連接3個地級市。該項目主要承擔(dān)三市之間的城際客流及沿線市域客流。其中:

線路①(里程冠號D1K):線路全長41.349 km,設(shè)10座車站,平均站間距3.9 km,新建動車所1處;

線路②(里程冠號D2K):線路全長24.520 km,設(shè)5座車站,平均站間距4.6 km;

線路③(里程冠號D3K):線路全長27.260 km,設(shè)7座車站,平均站間距3.8 km;

線路④(里程冠號D4K):線路全長42.482 km,設(shè)8座車站,平均站間距4.7 km。

設(shè)計最高運行速度為160 km/h(局部限速),采用CRH6動車組4輛編組、高密度運行的運營組織模式,最小行車追蹤間隔3min。

4.2 供電系統(tǒng)概況

該項目采用帶回流線的直接供電方式(AC25kV)。牽引變壓器采用單相結(jié)線型式,變電所外部電壓等級為110 kV。牽引供電方案統(tǒng)籌考慮四條線路進(jìn)行設(shè)計,全線新建牽引變電所共3座,新建分區(qū)所共4座。牽引供電方案見圖1。

圖1 某城際鐵路牽引供電方案示意Fig.1 Scheme of traction power supply of an intercity railway

4.3 供電能力分析

若牽引供電設(shè)施分布方案考慮越區(qū)供電能力(即通過增加牽引變電所亭數(shù)量來保證越區(qū)狀態(tài)正常發(fā)車[24]),雖然越區(qū)供電能力強,但是投資代價較高,且供電能力在正常狀態(tài)下有較大浪費,故本文不予討論,僅分析在不改變牽引供電設(shè)施布點的情況下,“限車越區(qū)”和“全支援越區(qū)”兩種方式的供電能力。

4.3.1 正常運行狀態(tài)

(1)運行方式

1#牽引變電所分別為分區(qū)所C方向上下行供電臂、分區(qū)所D方向上下行供電臂、三角區(qū)正線區(qū)段(分相LD2K39+432～LD2K41+877、分區(qū)所A～D2K41+349)供電。

2#牽引變電所分別為分區(qū)所A方向上下行供電臂、分區(qū)所B方向上下行供電臂、三角區(qū)正線區(qū)段(D2K37+041～分相LD2K39+432)、動車所供電。

3#牽引變電所分別為分區(qū)所B方向上下行供電臂、分區(qū)所C方向上下行供電臂供電。

(2)供電能力

4編組列車高峰小時3 min緊密追蹤下的供電臂電流、供電臂末端網(wǎng)壓、牽引變壓器容量的計算結(jié)果見表4。

表4 正常運行狀態(tài)主要技術(shù)指標(biāo)(3 min追蹤)

由表4可知,供電臂20 min電流最大值為940 A,此時供電距離較長約30 km。根據(jù)表3可知,150 mm2接觸線+120 mm2承力索組合可滿足正常狀態(tài)下的載流量需求,其余供電臂選擇120 mm2接觸線+95 mm2承力索組合即可滿足,但為保持全線接觸網(wǎng)規(guī)格一致,建議采用150 mm2接觸線+120 mm2承力索導(dǎo)線組合。

供電臂末端網(wǎng)壓滿足規(guī)范要求。1號、2號、3號牽引變電所變壓器安裝容量可選40,31.5,16 MVA。

4.3.2 越區(qū)運行狀態(tài)

(1)運行方式

1號牽引變電所退出時,由2號、3號牽引變電所共同越區(qū);2號牽引變電所退出時,由1號、3號牽引變電所共同越區(qū);3號牽引變電所退出時,由1號、2號牽引變電所共同越區(qū)支援。

(2)供電能力

4編組列車按高峰小時3,4,5 min緊密追蹤下的供電臂電流、供電臂末端網(wǎng)壓、牽引變壓器容量計算結(jié)果見表5。

表5 越區(qū)運行狀態(tài)主要技術(shù)指標(biāo)

由表5可知,若越區(qū)按3 min緊密追蹤,各牽引變電所越區(qū)供電臂的20 min電流值超過1 200 A,對應(yīng)的供電臂末端網(wǎng)壓也低于20 kV,此時150 mm2接觸線+120 mm2承力索不再滿足載流量需求,需額外架設(shè)加強線,接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜,且中心城區(qū)地下段設(shè)置加強線投資較多,工程實施難度大,故障隱患點增多,對運營不利。1號、2號、3號牽引變電所變壓器安裝容量較正常時需增至40,40,31.5 MVA。

若越區(qū)按4 min緊密追蹤,供電臂20 min電流最大值為955 A,供電臂末端網(wǎng)壓也滿足要求。此時150 mm2接觸線+120 mm2承力索能夠滿足載流量需求,且與正常時保持一致。1號、2號、3號牽引變電所變壓器適當(dāng)增容,可分別選40,40,25 MVA規(guī)格。在投資代價不大的前提下還可維持良好的運輸服務(wù)水平(越區(qū)區(qū)間可允許最小行車間隔所對應(yīng)75%的列車運行)。

若越區(qū)按5 min緊密追蹤,供電臂20 min電流(最大值僅772 A)和變壓器校核容量均比正常時的指標(biāo)要小。此時供電能力沒有得到充分的利用,且服務(wù)水平也有所下降。

兩種越區(qū)模式下的技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)如表6所示。

表6 兩種越區(qū)模式方案下的技術(shù)經(jīng)濟對比

綜上,統(tǒng)籌考慮供電能力與運輸能力之間的關(guān)系[25],并兼顧工程經(jīng)濟性后,建議越區(qū)供電能力按高峰小時4 min緊密追蹤進(jìn)行設(shè)計。

5 結(jié)論

本文對公交化運營模式下的城際鐵路與市域鐵路(AC25 kV)越區(qū)供電能力進(jìn)行了探討,并給出如下建議。

(1)在不改變牽引供電設(shè)施分布的情況下,可通過增大接觸懸掛導(dǎo)線截面、架設(shè)加強線、增大變壓器容量等措施來提高越區(qū)供電能力。

(2)當(dāng)城際鐵路項目承擔(dān)城際客流與市域客流并重的功能定位時,越區(qū)供電能力在滿足城際鐵路規(guī)范規(guī)定的情況下,宜向市域鐵路的要求靠攏。

(3)如項目建設(shè)單位或運營單位對牽引變電所的越區(qū)供電能力未提出明確的運營需求,建議結(jié)合項目功能定位和運輸需求,在不增加較多投資的前提下,盡可能最大程度保證公交化的服務(wù)水平。

(4)限于篇幅,本文僅對4編組CRH6動車組進(jìn)行了分析。研究結(jié)果表明,4編組CRH6動車組按高峰小時4 min緊密追蹤時,150 mm2接觸線+120 mm2承力索組合、變壓器40 MVA安裝容量配置下的供電范圍最大可達(dá)40 km,在投資代價不大的前提下可維持良好的運輸服務(wù)水平,且供電能力能夠得到充分利用。該結(jié)果可為類似項目的越區(qū)供電設(shè)計提供參考,但具體項目還需結(jié)合實際情況做具體分析。