關(guān)于城際軌道交通牽引供電制式選擇的探討

1、關(guān)于城際軌道交通牽引供電制式選擇的探討中國城際軌道交通建設(shè)已進入快速發(fā)展和建設(shè)時期，以環(huán)渤海灣京津冀地區(qū)、長 江三角洲地區(qū)、珠 江三角洲地區(qū)三大經(jīng)濟區(qū)城際軌道交通網(wǎng)為代表的多條城際軌道交 通己經(jīng)建成或正在實施，新調(diào)整的中長 期鐵路網(wǎng)規(guī)劃也將城際軌道交通規(guī)劃發(fā)展擴展到長株潭、成渝以及中原城市群、城市圈、關(guān)中城鎮(zhèn)群、海 峽西岸城鎮(zhèn)群等地區(qū)。在 有些城際軌道交通項目的前期規(guī)劃研究階段，尤其是在地區(qū)城市軌道交通比較發(fā) 達，彼此聯(lián)系比較緊密的情況下，城際軌道交通牽引供電系統(tǒng)是采用單相工頻 25kV交流供 電還是直流1500V供電，往往會成為重點專題提出。本文試從分析決定城際軌道交通 項目牽引供電制式 的

2、相關(guān)因素著手，得出決定因素，提出確定牽引供電制式的基本原則與思路。1重要概念1.1城際軌道交通城際軌道交通（又叫城際鐵路），是指在人口稠密的經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)城市間，采用公交化便捷、快 速、大運量的客運軌道交通系統(tǒng)。城際軌道交通有三大基本特點：快速、公交化。具體表現(xiàn)為短編組、 高密度，實現(xiàn)的時空距離目標(biāo)；深入城 市中心；和城市的交通系統(tǒng)能夠有機地、有效地銜接， 盡可能做到乘客的零換乘。具體到某一條城際軌道交通線路，根據(jù)其在線網(wǎng)地位、服務(wù)對象、圍和質(zhì)量要 求的不同，會有相應(yīng)的功能定位，從而形成自身獨特的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和工程特點。在規(guī)劃一個地區(qū)或城市群的區(qū)域軌道交通網(wǎng)時，往往會按高速客專、城際軌道交通、城市軌

3、道交 通三種層次考慮構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)，圍繞線網(wǎng)結(jié)構(gòu)功能清晰、各種交通運輸 方式全面協(xié)調(diào)發(fā)展的目標(biāo)，在服務(wù)圍、 功能定位、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)等方面明確其聯(lián)系和區(qū)別。城際軌道交通既是干線鐵路服務(wù)的補充和完善，又是城 市軌道交通服務(wù)的延伸和提高， 各線路全面協(xié)調(diào)發(fā)展。12牽引供電制式牽引供電制式是指供電系統(tǒng)向電動車輛或電力機車供電所采用的電流制、電壓等級和供電方式。歷史上，牽引供電制式曾隨著電動車輛和機車功率特性要求、牽引電動機及電力電子技 術(shù)的發(fā)展而發(fā)展演變，現(xiàn)己基本定型。中國干線電氣化鐵路和城 市軌道交通發(fā)展至今，由于一起步前人就 結(jié)合國情，汲取和總結(jié)了國外多年發(fā)展的經(jīng) 驗，決策采用單相工頻25kV交流制和直流7

4、50V （600V）、 1500V供電這兩種普遍認為 先進的牽引供電制式，并已形成國家標(biāo)準(zhǔn)。（1）單相工頻25kV交流制。單相工頻25kV交流制一般適用于運量大、負荷重、速度高、運輸距離長的干 線電氣化鐵路，如 普速客貨共線鐵路、200-250km/h客貨共線鐵路或客運專線、300km/h及以上高速鐵路或客運專線，并 已基本形成不同層次的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系。部分國家或地區(qū)的城郊快線鐵路或機場線采用單相工頻25kV交流制，如東西鐵路（東鐵34km,西 鐵30.5km,最高速 度160km/h、架空柔性接觸網(wǎng)）、曼谷機場快線（線路長28.8km.最高速度160km/h架空柔性接觸 網(wǎng)）馬來西亞吉隆坡機場

5、快線（線路長57km最高 速度160km/h、架空柔性接觸網(wǎng)）、國機場高速線（線路長61.7km、最高速度120km/h.隧道采用剛性懸掛接觸網(wǎng)）。（2）直流牽引供電制式。直流牽引供電制式適用于列車功率不大、供電半徑較小、列車密度高且啟動頻繁的城市軌道交 通。中國各城市的城市軌道交通均采用直流牽引供電制式。在城軌牽引供電系統(tǒng)方案研究和設(shè)計時，供電 電壓等級是釆用750V或者1500V供電，向車輛授 電是采用架空接觸網(wǎng)還是接觸軌，采用架空接觸網(wǎng) 時，懸掛方式是采用柔性還是剛性，采用接觸軌時是上部授流還是下部授流，這應(yīng)屬確定直流牽引制式后 牽引網(wǎng)供電方式 比選的疇。中國地區(qū)LAR機場快線采用直流1

6、500V供電，如（線路長35km最高速度 130km/h.架空柔性接觸網(wǎng)）、市軌道交通首都機場線采用750V供電（線路長28km最高速度110km/h 750V接觸軌）。本文所述城際軌道交通牽引供電制式（簡稱供電制式）選擇是指為車輛運行和行車組織服務(wù)的牽 引供電系統(tǒng)究竟是采用單相工頻25kV交流供電制（簡稱交流供電）還是采用直流1500V供電制（簡稱 直流供電）。（3）雙制式/多制式供電。雙制式/多制式供電是指不同線路區(qū)段采用不同的牽引供電制式時，為適應(yīng)行車組織決定的列車 跨線運行和直通需要，供電系統(tǒng)設(shè)置不同制式之間實現(xiàn)轉(zhuǎn)換的過渡 段或系統(tǒng)分離區(qū)，實現(xiàn)對具備雙制式或 多制式受電功能的同一車輛進

7、行供電。中國尚無雙制式/多制式供電的車輛運營經(jīng)驗。地鐵4、5、6號線牽引供電系統(tǒng)采用直流1500V 供電，車輛采用直線電機，具備從架空接觸網(wǎng)（車輛段）和接觸軌（正線）受流轉(zhuǎn)換功能，該類型車輛應(yīng)屬牽引供電制式相同，僅受電方式不同。國外雙制式/多制式供電一般是在既有線路必須與新建線路直接銜接以方便乘客出行以吸引客流 時，迫于既有線改造費用過大才采用，或是干線鐵路客運系統(tǒng)和城市交通共線運行時采用。國外運行的雙 制式/多制式車輛多屬于電流制、電壓等級、甚至受電方式都不相同的類型，比較典型的情況是通行在多 個國家的歐洲之星高速列車 能夠適應(yīng)3種牽引供電制式（交流25kV. DC3000V DC1500V

8、o2交、直流供電制式的主要技術(shù)特點交流供電或直流供電均是一條城際軌道交通牽引供電制式的可選方案。兩者的主要技術(shù)特點比較見表1。項目單相工頻25kV交流制直流1500V供電制供電形式單邊供電雙邊供電變電所供電圍電壓等級咼，變電所供電圍為30電壓等級低，變電所供電圍為280km o4.5kmo變電設(shè)施數(shù)量多，各種接線結(jié)構(gòu)復(fù)雜；牽引變電設(shè)施變電設(shè)施數(shù)量少，各種接線結(jié)構(gòu)簡單當(dāng)采用集中供電時，還需設(shè)置主變電所和壞網(wǎng)電纜，供電工程投資較大。牽引網(wǎng)結(jié)構(gòu)在相同功率前提下，其電流比直流 供 電要小，牽引網(wǎng)截面積小，結(jié)構(gòu)簡單復(fù)雜，牽引電流大，牽引網(wǎng)為滿足載 流量要求，截面積大。接觸網(wǎng)所能適應(yīng)可適應(yīng)較高的列車速度，

9、國目前設(shè) 計采用架空接觸網(wǎng)，直流供電車輛最高 速的車輛速度取咼運營速度可達350km/ho度可達160km/ho供電安全性牽引網(wǎng)電壓等級高，所要求的安全防牽引網(wǎng)電壓等級低，所要求的安全防護護距離較大距離較小車輛成本咼速動車組費用較咼直流制車輛電氣傳動系統(tǒng)簡單，車輛制造成本較低再生制動能量吸牽引網(wǎng)分段，其中一動車組再生制動牽引網(wǎng)是一個整體，其中一動車組再 生收產(chǎn)生的能量只能被該區(qū)段的其他動車制動產(chǎn)生的能量被全線其他動車組利用組利用，利用概率小的概率大，可進行節(jié)能坡設(shè)置對隧道凈空的 響影電壓等級低，對凈空要求小，米用相 同電壓等級高，對凈空要求稍大。的車輛，在盾構(gòu)施工條件下，開挖直徑 小。對電力系

10、統(tǒng)的彤產(chǎn)生二相不平衡和少量諧波，對系 統(tǒng)產(chǎn)生少量諧波，對電力系統(tǒng)電能質(zhì)量影響電能質(zhì)量會有一定影響響較小防護處理需進行電磁防護，全線可通過增加 架需雜散電流防護，全線需設(shè)監(jiān)測系 統(tǒng)，進行全面防護，防護復(fù)雜，空回流線進行防護，處理相對簡 單運營費用變電設(shè)施少，疋貝少；電壓等級咼， 電能損耗也少。主變電所多，需定員多；牽引變電所數(shù) 量大，電能損耗大；電壓等級低，電能 損耗也大。應(yīng)用情況京津城際、滬寧城際、廣珠城際、昌廣佛城際、地鐵、地鐵等九城際交流供電由于供電電壓等級高，牽引供變電設(shè)施少，接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)簡單，技術(shù)經(jīng)濟、運營維 護明顯優(yōu)于直流供電。經(jīng)研究比較，交流供電本體及相關(guān)工程（含專業(yè)房 屋、用地等）

11、投資，相比 直流供電，工程投資約少850-1000萬元/正線公里，該值視技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、地下區(qū)段長度不同有所浮動。因此，僅從供電系統(tǒng)專業(yè)角度講，應(yīng)優(yōu)先選 擇交流供電。3國城際軌道交通應(yīng)用現(xiàn)狀國城際軌道交通工程特點及牽引供電制式選用情況見表2o表2國城際軌道交通工程特點及牽引供電制式比較表項目京津城際廣珠城際滬寧城際廣佛城際昌九城際功能定位定位于服務(wù)京、 津兩大城市間的 旅客交流，注重 咼速、直達。定位于服務(wù)沿線定位于服務(wù)沿 各城市、中心線各個城市、 城鎮(zhèn)間的城際次中心城鎮(zhèn)、定位于滿足市、 地區(qū)組團交通 需求和市與市 城際間的交通 聯(lián)系功能。定位于緩解既有 京九線昌九段能 力緊的局面，構(gòu) 建區(qū)域高效便

12、 捷、能力強大的交通運輸體 系。客流、兼顧少量 對外客流。城市組團之間 的旅客交流速度目標(biāo)值/km h350直達，站站停160直達250站站停16080200線路長度/km115主線116.9支線26.8約30032.16全線 131.27 ；新建線路92線路敷設(shè)方式高架占87主線咼架占 95%支線全高 架主線咼架占95%全地下橋梁總占34%限制坡度/ %。12一般 12,最大30一般一般3012最小列車追蹤間隔 /min33324最大37.33最大12.92最小最大 16.47km最大3.48km最最大34.44最小站間距/km最小20.493.42 平均 7.19最小6.69km小 0.9

13、68km 平7.85平均平均28.75平均 10.34km均 1.574km26.254主要銜接、換乘 占八、南站、站（綜合 樞紐站）新站（綜合樞紐站）站、站（綜合 樞紐站）西朗、沙園、南 洲客運站、瀝?。ǖ罔F換乘站）廬山站、站（鐵 路樞紐站）與干線鐵路的銜 接與京滬咼速、京與武廣、廣客專與京滬咼速、與武九線、京九 線銜接，與京九 線北段共線， 可跨線直通滬線銜接，可跨銜接，長途車跨京滬線銜接，暫無線直通線降速運行可跨線直通與、市城軌線路與、市城軌線與、城軌線路通與城軌的銜接通過旅客換乘銜與市城軌線路通路通過旅客換過旅客換乘銜暫無接過旅客換乘銜接乘銜接接車輛型號國鐵CRH2CRH3國鐵CRH1

14、國鐵CRH3地鐵B型車跨線車SS9城 際車動車組CRH1 CRH2牽引供電制式單相工頻25kV交流單相工頻25kV交流單相工頻25kV交流直流1500V單相工頻25kV交流牽引網(wǎng)供電方式AT供電TRNF供電AT供電TRNF供電接觸網(wǎng)懸掛方式全補償簡單鏈形 懸掛全補償簡單鏈形 懸掛全補償簡單鏈 形懸掛剛性懸掛全補償簡單鏈形 懸掛按廣義上的定義，上表中各線均屬城際軌道交通，其各自所獨有的功能定位所決定的技術(shù) 標(biāo)準(zhǔn)和工程特點，如速度目標(biāo)值、行車組織及運營管理、車輛編組及性能要求、站間距、換乘接駁 點、線路走向、線路實施或規(guī)劃延伸長度、投資及建設(shè)運營主體等方面均會有所區(qū)別，這些方面決 定了每條線路最終

15、采用了適合本線及整個線網(wǎng)的牽引供電制式。有的城際軌道交通項目（如穗莞深城際）在前期研究時，最初由于上述各方面不像 一條高速客專（比如武廣客專、廣客專）、一般鐵路（比如武廣鐵路、廣深鐵路）、城市軌道交通（比 如、地鐵）那樣清晰和具體，個別關(guān)鍵要素甚至未來延伸和發(fā)展也不像上表中城際軌道交通那樣明確， 使其在規(guī)劃及決策實施階段，究竟 應(yīng)采用何種牽引供電制式難以抉擇，往往會成為焦點或?qū)ｎ}提出。4決定牽引供電制式選擇的相關(guān)因素4.1線網(wǎng)銜接關(guān)系此因素由城際軌道交通項目的線網(wǎng)地位決定，體現(xiàn)在線路起終點選取、行車交路開行、換乘站選取、未來延伸方向等方面。城際軌道交通與相鄰線路的銜接方式有旅客換乘銜接和 運輸

16、組織銜接兩種模式。旅客換乘銜接是指旅客換乘車站的通道或并站臺設(shè)置，在短時間實現(xiàn)跨線換 乘。運輸組織銜接是指通過聯(lián)絡(luò)線、合理運輸組織方 案和調(diào)度指揮，實現(xiàn)列車跨線運行，以縮短旅行 時間。從表2可看出，如城際需與干線鐵路列車相互跨線直通運行時，則采用交流供電制式，如京津、滬寧、廣珠城際等。若在銜接站通 過旅客換乘銜接，兩種供電制式均可采用，要結(jié)合其他重要因素分析后確定。以珠三角城際軌道交通網(wǎng)中廣珠城際、廣佛城際、穗莞深城際為例說明，三者最具代表 性。目前廣珠城際、廣佛城際正在實施，兩者功能定位與工程特點不同（見表1）,廣珠城際采用交 流供電，廣佛城際則采用直流供電，兩者均選用了合適的牽引供電制式。

17、當(dāng)初，廣珠城際項目曾研 究過起點站接入地鐵三號線瀝浴站并與之銜接的方案，曾提出并討論過交直流供電的綜合比選問 題，后線路改為引入國鐵新建的新 站與武廣、廣客專銜接，與國鐵線網(wǎng)互聯(lián)互通，則確定采用交流 制式。而廣佛城際則聯(lián)通和兩市城市軌道交通，線路較短，速度目標(biāo)值80km/h,且為全地下敷 設(shè)，而選用 直流供電制式。穗莞深城際前期研究中，由于線路深入到城市中心區(qū)并串聯(lián)起、三 市 的城市軌道交通網(wǎng)，速度目標(biāo)值定為140km/h,站間距較短，地下區(qū)段較長，關(guān)鍵 是約有一半線路 需與城市地鐵線路共線運營，具有兼顧城際與城市軌道交通的雙重功能，因此，采用直流供電制式 是合適的。后由于線位走向、銜接換乘關(guān)

18、系、速度目標(biāo)值以及基于整個珠三角城際網(wǎng)的綜合考慮， 牽引供電制式?jīng)Q策采用交流供電?？梢?，線網(wǎng)銜接關(guān)系往往會成為確定牽引供電制式的決定因素。4.2速度目標(biāo)值速度目標(biāo)值應(yīng)符合城際軌道交通在線網(wǎng)中的分工和功能定位，結(jié)合項目客流特點、旅客出行時間目標(biāo)要求、車輛選型及工程投資綜合比選確定。反過來，速度目標(biāo)值又會影響城際 軌道交通的車輛選型、限界、地下區(qū)段隧道斷面、弓網(wǎng)受流質(zhì)量及牽引供電系統(tǒng)供電能力設(shè)計等方面， 其中尤以車輛選型為核心。從車輛最佳功率配置、弓網(wǎng)受流質(zhì)量和實際工程應(yīng)用情況分析，速度目標(biāo)值低 于120km/h 時，線路長度較短（50km以下），交、直流供電制式均可選用，此時速度目標(biāo)值并非決定因

19、素，供 電制式選擇更多取決于線網(wǎng)銜接關(guān)系等其他因素；速度目標(biāo)值介于120-140km/h時，線路長度在 100km左右，交、直流供電制式均可選用，此時速度目標(biāo)值相比城市軌道交通屬快速水平，相比國鐵則屬于普速水平，若采用直流供電制式，車輛 功率配備及性價比、研制成本開始受控，牽引供電系統(tǒng)配套非受控，但相比交流供電，技術(shù)經(jīng)濟已無己優(yōu)勢；速度目標(biāo)值高于140160km/h時，線路長度在100km左右，直流制式車輛己不經(jīng)濟，研制成本增加，國外已無運營業(yè)績，同時為之配套的直流牽 引供電系統(tǒng)也很不經(jīng)濟；速度目標(biāo)值大于160km/h,線路一般較長(大于100km,從弓網(wǎng)受流質(zhì)量和牽引供電系統(tǒng)配套來講，交流供

20、電占優(yōu)，應(yīng)采用交流牽引供電制式， 此時，速度目標(biāo)值已是供電制式選擇的決定因素，從表2的對比分析也可看出，線路速度目標(biāo)值大于160km/h,供電制式均采用交流制式。4.3車輛選型及能耗牽引供電系統(tǒng)是為車輛運行提供能源的地面固定設(shè)施，供電制式的選擇也取決于目前交、直 流供電車輛的研發(fā)、制造和運營水平。車輛功率增幅遠大于速度增幅，如果高速運行的車輛采用較 低的電壓制水平，則車輛制造成本或購置費較高，中國直 流供電車輛最高速度為120km/h,國外直 流供電車輛最高速度大多在100km/h左右。因此，在進行具體工程供電制式比選時，車輛是否需要 重新研發(fā)和試運行，車輛購置 費差異也是重點考慮因素。對于同

21、等運行性能的車輛，由于交流供電車輛相比直流供電車輛需增加車載變壓器和四象限 變流器，交流車輛軸重較大，在牽引和制動過程中能耗比直流車輛略高。直流供電系統(tǒng)供電設(shè)備 多、環(huán)網(wǎng)供電電纜較多，供電網(wǎng)絡(luò)損耗方面，交流供電相比直 流供電則較省。交、直流供電車輛運 行能耗差別對牽引供電制式的選擇影響較小。4.4城市景觀影響此因素與線路敷設(shè)方式有關(guān)。線路若采用地下敷設(shè)方式，兩種供電制式對環(huán)境景觀均無彫 響。在地面和高架敷設(shè)段，牽引供電若采用直流1500V接觸軌供電，安裝位置靠近路基，對景觀沒有影響，但接觸軌這種授電方式不能適應(yīng)車輛140km/h及以上速度目標(biāo)值的要求。接觸網(wǎng)采用直流1500V架空柔性接觸網(wǎng)供電，由于載流要求，一般采用雙承力索、雙接觸線和電流加強線，上部支持結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，跨距也比交流供 電略小，且雙 線區(qū)段接觸網(wǎng)支柱布置在線路兩側(cè)，相比交流供電而言，對市區(qū)整體形象和局部景觀景觀的影響稍 大一些。但一般對景觀有特別要求的市區(qū)或密集區(qū)，線路 也多會采用地下敷設(shè)方式。因此，城市景 觀影響并非決定因素。5牽引供電制式選擇的研究原則和思路基于上述對決定牽引供電制式的各因素分析，提