轨道交通供电制式技术研讨会专家论点
中国土木工程学会城市轨道交通技术工作委员会于2011年3月在深圳组织主办了城市轨道交通牵引网供电制式技术研讨会。
在会上,中国工程院院士施仲衡就我国城市轨道交通发展历史与建设现状及国家“十二五”发展战略进行了总体介绍。他说,当前城市轨道交通发展进入高潮时期,速度之快是史无前例的,快也是在好的基础上实现的,要“又好又快”。当然在发展过程中,会不断出现问题,需要及时解决。关于三轨(接触轨)供电问题,去年在广州已开过一次研讨会。最近,由于北京、上海等城市领导关注此问题,所以这次又在深圳召开会议。广州地铁4号线采用直流(DC)1500V三轨已5年,去年底已通车的深圳地铁3号线包括车辆段也采用了1 500V三轨。这次研讨会由深圳市地铁三号线投资有限公司承办,邀请了地铁各方面专家,尤其邀请了研究供电的顾国彪院士和16位供电专家到深圳地铁3号线进行实地考察和技术交流。北京地铁直流750V三轨运行已有40年,北京地铁供电系统采用750V三轨,当初是由资深专家曹建猷(中国科学院院士、铁道电气化工程技术专家)根据前苏联莫斯科地铁采用750V三轨的经验确定的,最近国外的迪拜地铁也是采用三轨供电。实践是检验真理的标准,不管是750 V三轨供电,还是1 500V三轨供电,其实用性、安全性、可维护性等需要经过实践的检验,不断改进完善。这次会议邀请了对三轨供电有实践经验的专家来作详细、具体的介绍,便于相互交流、研讨,以利共同提高技术水平,促进发展。
北京市人民政府副秘书长徐波(原建设部安全质量司司长)就安全生产等问题发表了讲话。他说,广州地铁直流1 500V接触轨运行已有几年,保证了安全,深圳地铁3号线在此基础上也采用了直流1 500V三轨。最近有专家提出关于直流1 500V三轨的安全问题,受到了北京、上海等地领导的关注。安全是轨道交通建设规划的重要核心部分,一定要高度重视,任何事情都有利有弊,决策也很重要,在技术风险及评估上需要审慎,需要大家共同研讨。正如施院士所说,一定要又好又快,这样才利于下一步的工作。
中国工程院院士顾国彪就研讨的重点问题引导会议进行了深入讨论。他说,大家要对绝缘距离、爬电距离、挂接地线、安全防护、电能损耗、经济效益、电容电流、漏泄电流(杂散电流)、故障疏散、电磁兼容、通信干扰、车下空间利用、电分段等问题进行广泛研讨,并对不同供电制式的经验进行总结,不断完善,要摆脱习惯性思维,推进技术发展。
1 深圳地铁3号线直流1 500V接触轨节能分析
深圳市地铁三号线投资有限公司总工程师刘卡丁介绍了深圳地铁3号线低碳环保、节能节资设计理念及案例,其中分析了直流1 500V接触轨与节能情况。
深圳地铁3号线全线采用直流1 500V接触轨牵引供电系统(含车辆段),有利于城市景观,大幅度节省变电所的土建费用,减少维修、维护成本,较直流750 V供电节能20%,该系统解决了车辆段1 500V三轨的安全问题。一是接触轨系统能够确保运营安全,确保乘客安全。乘客疏散时,疏散平台下的接触轨,不会带来安全威胁;夜间停运检修,随之断电,确保维修人员的安全。长达5年的调查研究和运营实践证明,120 km /h以下的城市轨道交通,DC 1 500V接触轨是安全的、节约的牵引供电方式。二是采用接触轨系统磨耗低、寿命长,理论上可达100年,而柔性架空接触网的换线周期为15~30年。接触轨系统结构简单、施工作业面低,不需要大型检修维护设备,便于施工运营维护(见图1);而柔性架空接触网的承力索、接触导线需定期调整维修,工作量大、难度大。三是投资和运营成本比较(以深圳地铁3号线为例),DC 1 500V接触轨系统与架空接触网系统相比,接触轨初投资约高1 100万元,但土建投资将减少约4 000万元;全寿命周期平均每年可节省电费100万元,节省运营维护费用500多万元。
2 深圳地铁3号线直流1 500V接触轨运营管理
深圳市地铁三号线投资有限公司运营分公司副总经理高爽分析了接触轨在运营管理中的优势,指出了接触轨区域安全管理的难点及防范措施,对接触轨设计提出相关改进建议。
2.1 接触轨在运营管理中的优势
1)接触轨的供电可靠性高,故障率低,“轨靴”工作关系可靠,行车安全保障好,可降低作业人员的职业风险,高架线路采用接触轨有利于城市景观。
2)接触轨的维护人员成本低,人员配置(人/条km)是接触轨0.32,柔性架空接触网1,刚性架空接触网0.8;假设人均人力资源成本10万元/年,人员成本接触轨是320万元/年,柔性架空接触网1 000万元/年,刚性架空接触网800万元/年;接触轨相对柔性架空接触网节省680万元/年,接触轨相对刚性架空接触网节省480万元/年。
3)接触轨的设计使用寿命在60年以上,每年维护费用不超过1000元/条km;刚性架空接触网的理论使用寿命约为30年、柔性架空接触网的理论使用寿命一般为10~15年,接触网每年维护费用约为2 500元/条km。接触轨的设备维护成本低,不需要大型检修设备。
2.2 接触轨区域安全管理的措施
措施1:在轨行区内,相关作业人员存在人身安全风险。对此,设计时考虑在检修库内采用滑触线(见图2),避免库区内接触轨对车辆检修人员的安全造成不利影响;在正线道岔区设置接触轨断轨区域,便于人员进入轨行区。在运营管理中,设定安全行走和安全作业距离,对复杂区域供电分区进行有效识别。
措施2:轨行区的巡视、检修和施工作业的种类和工作量较多,如果全部采用停电挂设地线的方式,则由于地线挂设程序繁琐、工序耗时,导致维修“天窗”时间缩短,影响工作效率,尤其是相关设备故障状态下的抢修效率。为此,动用了50多人、用1周的时间对作业进行分类统计,其中接触轨不停电作业占10%,接触轨停电不挂设地线作业占80%,接触轨停电必须挂设地线作业占10%。系统设计接触轨区域内施工和维护作业的停电、地线的挂设和拆除运作模式:一是在变电值班点定点、越区挂设地线,提高地线挂设效率;由变电值班人员完成地线挂设工作,利用拆除地线的规定时间间隔进行变电所的巡视和检修作业,充分利用人力资源。二是逐步优化车辆段内地线挂设方案,降低车辆段内施工作业安全风险。对车辆段内的轨行区实行严格的封闭管理和请销点制度,接触轨区域设置带电显示装置、清晰的人员安全行走路线和相关导向及警示标识;在车辆段内采用地线挂设点和道岔封锁相结合的方案,在确保安全的前提下,使地线挂设人员配置最少、效率最高。三是完善地线挂设制度和流程,将作业区域、地线挂设位置、行车限制(道岔封锁)、供电限制、地线挂设走行线路规定在一张卡内,方便各专业人员明确岗位职责,确保接触轨区域内作业人员的人身安全。四是在工作现场设置地线专用存放箱,提高工作效率。
措施3:接触轨主要部件过长,不利于出动汽车抢修。对此,将15m的钢铝复合轨截断为3~4m短轨,利用鱼尾板连接;用3. 4m低速端部弯头,替代5. 2m高速端部弯头。截短的接触轨便于汽车运输和搬运,可提高抢修效率;可利用夜间停运时间段,出动轨道车对抢修段进行修复。
措施4:接触轨采用绝缘防护罩后,接触轨工作面的可视性差,不利于日常巡检。对此,在轨道检测车上加装接触轨自动化检测装置,可动态地检测接触轨的几何尺寸和工作状态,用现代化的手段准确把握接触轨的技术状态;与高校合作自制接触轨检测尺,可方便、高效、精确地测量接触轨的几何尺寸。
2.3 对接触轨设计的建议
1)提高接触轨绝缘防护罩的性能。绝缘防护罩材质不好,容易破裂、变形,户外防护罩经长期日晒容易变色、变脆、加速老化,尤其是南方高温地区;绝缘防护罩搭接距离偏小,由于热胀冷缩,容易导致防护罩不能完全遮盖接触轨,增加运营维护人员触电危险;端部弯头防护罩设计不合理,不方便地线挂设。
2)增设地线自动挂设装置。采用人工进行地线挂设,费时费工,而且增加了工作人员的职业风险;如果采用自动挂设装置,可以极大地提高工作效率,降低人身安全风险,这在车辆段和停车场尤为必要。
3)合理设置复杂区域的供电分区及设备布局。在设计车辆段内的供电分区时,要和车辆段的检修工艺布局紧密结合;进一步优化接触轨与滑触线转换区域的布局设置,提高检修线的接发车效率;合理布局接触轨的轨旁设备,提高其维修的可接近性,同时降低1 500V直流电对轨旁设备的电磁干扰。
3 北京地铁接触轨运营维护
北京市地铁运营管理有限公司副总工程师黄旭虹回顾了北京地铁接触轨的发展历程,介绍了接触轨的运营管理及运用效果。
3.1 北京地铁接触轨的发展
截至2010年底,北京地铁运营线路长度为336 km,全部采用DC 750V接触轨供电;接触轨材料有低碳钢和钢铝复合轨,接触形式有上部接触和下部接触,绝缘子及防护罩逐步采用玻璃钢材质。目前北京地铁在建线路以DC 750V接触轨为主,也有线路将采用DC 1 500V接触轨或DC 1 500架空接触网。
从2003年通车运营的地铁13号线开始,由接触轨木制防护罩、钢支架发展为全部采用玻璃钢材质,绝缘能力有较大提高;从2003年通车运营的地铁八通线开始,绝缘子由瓷质发展为复合材料,绝缘子的破损率有所降低;从2007年通车运营的地铁5号线开始,接触轨的材质由低碳钢发展为钢铝复合轨,相对于低碳钢接触轨,钢铝复合接触轨具有电阻小、重量轻、供电距离长、施工安装简便的特点;从2007年通车运营的地铁5号线开始,采用绝缘支座型式;在2008年通车运营的北京机场线,采用了接触轨下部授流方式。从1969年至今,北京地铁接触轨已有40多年成功运营经验。
3.2 接触轨的运营管理
1)停送电管理措施:严格执行早上送电、晚上停电的管理模式,以满足检修维护人员的安全;直流进线开关采用断路器,并在牵引整流器与进线开关之间设置电动隔离开关,以方便停送电。
2)维护检修人员进洞管理措施:非地铁人员严禁进入区间;维护检修人员必须经过安全培训教育,并考试合格;维护检修人员进入区间必须遵守登记、注销制度;接到接触轨停电通知后,应进行验电,确认无电并挂地线(见图3)后,地铁人员方可进入区间工作;作业完成后,拆除地线清理现场,确认无误,进行注销手续;行车值班员通过注销记录,核实区间无人后,接触轨方可具备送电条件。
3)意外情况下的处理措施:当有人意外掉下站台时,工作人员可通过车站综控室的紧急停电按钮对接触轨断电、通过设置急停列车按钮停止列车进站,以保证人员安全;接触轨电分段设置在进站端,严禁深入站内,保证不会扩大停电范围;为了防止人员意外掉下站台,目前北京新建线路均装设屏蔽门(站台门),对运营线路1、2号线正在研究改造措施,13号线、八通线已开始加装改造。当列车在区间发生火灾时,首选方案为列车回站疏散,若不能回站则控制中心行调人员通知电调人员采取接触轨紧急停电措施,启动排烟风机,通过广播引导乘客逆风疏散,或引导乘客通过区间联络通道进入相邻未着火区间。
4)车辆段的管理措施:在正线的管理措施基础上,还增加以下措施:非工作人员不得随意进入车辆段;轨行区设有护栏,入内作业必须申请并得到批准;验电挂地线,有专人监护,并禁止维护检修人员进入非检修区;检修人员必须经过安全培训教育,并考试合格;检修区需断电,各供电分区接触轨防护板采用不同颜色区分,各个供电分区设有不同开关;接触轨弯头距道路大于1.5m,以保证工作人员安全;运用库内开关柜设有带电显示,起到警示作用;刀闸操作采取严格的管理制度和有效的措施,以防误操作、误送电。
3.3 接触轨的运用效果
北京地铁接触轨的运用实践表明:接触轨结构简单、设备坚固,基本无故障,年维修费低(每条线约10万~20万元);接触轨、绝缘子、支持底座、防护板的维修周期是1次/年,巡道发现问题可随时处理。接触轨的寿命大于60年。
4 上海地铁16号线牵引供电制式比选
上海申通地铁集团有限公司总工程师毕湘利介绍了上海轨道交通16号线的工程特点、运营需求、牵引供电制式选择、论证意见等。
4.1 工程特点和运营需求
16号线全长约58.96km,其中高架45.22km,占比达76.7%,地下13. 74 km。车站数量12座,平均站间距5.36 km,最大站间距10.6 km。采用舒适型A型车,定员204人/列,最高运营速度为120 km/h。线路特点为:以高架为主,地势空旷、台风多、雷电多;市郊长大干线,应急救援难度大,运营维护成本高;平均站间距大。要求供电系统具有较强的抵抗恶劣天气的能力,受天气影响较小;要求供电系统故障率较低,影响范围较小,且运营维护工作量较小;要求采用电压等级较高的供电制式,具有相对较好的经济效益。因此,针对架空接触网与三轨供电制式进行重点比选。
4.2 接触网故障分析
上海轨道交通运营线路采用DC 1 500V架空接触网供电制式,其中1~5号线采用柔性架空接触网,6~11号线地下区间隧道采用刚性架空接触网,地面及高架区段采用柔性架空接触网。根据2010年统计数据,上海全年由于架空接触网故障发生一般事故10起,主要原因为斜撑管、定位管等松动脱落以及承力索张力松弛等,影响正线运营时间最多为57min,最少17min,平均28min。此前,高架线路也曾发生异物随风吹至架空接触网引起弓网缠绕的事件。因此,总体上架空接触网发生故障概率相对较大,且影响运营时间较长。
4.3 经济效益分析
从供电设施工程直接投资角度分析,架空接触网相比三轨供电可节省约5 400万元。架空接触网和三轨供电制式使用寿命分别按20年和50年计,则三轨寿命周期内架空接触网需更新一次。此外,三轨供电制式的维修量较少,维护成本相对也有节省,但应考虑到车辆需更换受电靴。因此,两种供电制式在全寿命周期内的经济指标较为接近。
4.4 国内外应用调研情况
截至2010年1月的数据统计,国内外约151个城市开通运营城市轨道交通线路。其中, 83个城市或地区采用三轨供电制式,占比55%;同时采用三轨及接触网的共有16座城市,占比约10%。从实际应用案例分析,120 km/h速度下的接触轨授流具有成熟经验,采用直流1 500V电压等级的接触轨授流技术也是成熟的。此外,在与供应商技术交流时,也未认为有技术障碍。
4.5 专家咨询意见
根据16号线工程特点,结合两种牵引供电制式的运营可靠性分析,通过经济效益比较及国内外应用调研,设计选择采用直流1 500V三轨供电制式。
2010年1月17日上海申通地铁集团组织专家对《上海市轨道交通16号线工程直流1 500V三轨供电技术》进行了咨询,主要意见是“根据上海市轨道交通16号线工程的线路敷设方式特点,正线、车辆段推荐采用1 500V三轨供电方案,专家委员会认为是合适的、可行的”。
目前,上海轨道交通16号线工程已完成车辆招标,价格与架空接触网授流车辆几乎相当,合同执行谈判正按计划顺利开展。由于上海轨道交通首次应用三轨供电制式,下阶段将研究制定相关运营维护管理制度和措施,以确保运营安全。
5 广州地铁牵引网设计建设运营
广州地铁设计研究院有限公司董事长徐明杰对广州市轨道交通牵引网型式选择及运行情况进行了详细介绍,讨论了牵引网的主要设计原则和技术标准,分析了接触轨设计需关注的问题。
5.1 广州市轨道交通牵引网供电制式
1)广州地铁工程概况。自1997年1号线运营开通至今,已建成开通9条线路,分别是1~5、8、3号线北延段(机场线)、广佛线首通段、珠江新城集运系统(APM)等线路,运营总里程达237 km。
2)牵引网供电系统的基本制式。目前,广州市轨道交通2010年线网已经投运线路和在建线路,除了广州市珠江新城旅客自动输送系统工程(APM)之外,牵引网供电制式均采用DC 1500V,牵引网有柔性架空接触网、刚性架空接触网和接触轨3种基本形式。
3)牵引网制式的选择。DC 1 500V牵引网3种制式均为成熟的技术,均有成功的应用经验,应针对具体工程情况选用不同形式的牵引网制式。对于地下敷设的线路,牵引网采用刚性架空接触网,车辆段和车场采用柔性架空接触网;对于高架敷设线路方式占有较大比例的线路,考虑景观要求及与城市规划的协调,正线采用接触轨,车辆段和车场可以采用柔性架空接触网或者接触轨。
5.2 牵引网主要设计原则和技术标准
1)牵引网系统采用直流供电方式,接触网为正极、走行轨为负极,额定电压DC 1 500V,允许电压波动范围为DC 1000~DC 1800V;接触网带电体距接地体的距离依据GB 50157—2003的标准确定,最小静态间隙为150mm,最小动态间隙为100mm,绝对最小动态间隙为60mm,在有条件的情况下应尽量加大绝缘距离。根据广州市污秽条件和相关绝缘标准,绝缘等级按重污区考虑。
2)柔性架空接触网经反复磨耗后,存在断线事故隐患;国内大多数轨道交通架空网都发生过坠网、拉网事故,抢修时间较长,对运营影响较大。
3)接触轨防护罩可承受10kV电压、100kg重量;线路采用全封闭运行,且站台设有屏蔽门或安全门,确保乘客安全;当区间疏散乘客时,接触轨敷设在疏散平台下,避免对乘客带来安全威胁;设置带电显示装置及紧急停电按钮;事故发生时,各种措施(消防、行调、SAC-DA、保护等)可确保接触轨及时可靠断电。不过,当线路、信号、供电巡视人员进入正线区间维护检修时,接触轨需要停电。接触轨系统结构简单,接触部件刚性固定,发生故障的概率很小,可全天候运行,具有较高的可靠性、供电连续性与安全性。广州地铁4号线(高架线)、5号线(地下线)采用DC 1 500V钢铝复合轨, 4号线接触轨已安全运行5年、5号线接触轨已运行15个月,至今没有发生影响行车的任何故障和事故,没有发生人员的触电事故。安全运营的关键在于严格有序的运营管理制度。
4)刚性架空接触网使用寿命一般为10~15年,刚性接触网Π型部分30~50年;地下线路的接触轨支撑和防护系统设备的寿命可以达到20年,钢铝复合导电轨寿命可以达到50~70年以上;接触轨主要零部件数量只有11种(刚性架空接触网21种,柔性架空接触网达69种),备品备件数量少。另外,DC 1 500V钢铝复合轨电阻小于刚性架空接触网电阻(前者是后者电阻的60%~70% ),走行回流轨电阻相同。所以,接触轨运营能耗成本比刚性接触网较低。
5)高架区段,若采用架空接触网,桥梁面宽9.2m,而采用接触轨时桥梁面宽为8. 4m,有利于减小桥梁体量;通常接触轨安装在行车方向的左侧,即线路中间疏散平台下,距轨面高度不到0. 5m,内藏于疏散平台下;柔性架空接触网的安装位置较高,支柱间距约40m,桥面会局部加宽0.7m左右,加厚0.5m左右,对桥梁体量影响较大。
6) 2003年6月开通的广州地铁2号线首期工程,是我国第1条采用刚性架空接触网并投入商业运营的地铁线路,国内自行设计、研制和施工,开通至今未发生弓网事故。
5.3 接触轨设计需关注的问题
1)接触轨的安全防护。正线的安全防护,接触轨应满足防护罩相关技术要求;在停车场与车辆段采用接触轨,需要在不同的供电分区间设置防护网,防护网最少高度不能低于1.8m,以保证检修时对带电区与非带电区进行有效隔离;进入带电区需遵循严格的运营管理制度。
2)接触轨对车辆的要求。车辆DC 1 500V架空接触网受电弓技术较为成熟,目前国内已运营A型车均采用DC 1 500V受电弓受电。DC 1 500V接触轨对车辆设计有一定要求,主要在于受流器数量较多、附件较多,引起的设备安装空间较大。车辆为避免碰撞接触轨防护罩,线路中心线与接触轨中心线有一定的距离要求。为避免接触轨断电区的不利影响,车辆制造厂家建议6辆编组一列车安装20个集电靴。
3)解决失电问题。车辆每个取流单元间电气连通,包括牵引部分和辅助用电部分;车辆应在每个转向架均设置集电靴,以保证取流点的位置。
5.4 结论与建议
广州市轨道交通4号线(高架线路)、5~6号线(地下线路)采用DC 1 500V接触轨,其他新建地下线路采用刚性架空接触网,在设计、建设、运营方面均取得成功,并积累了丰富经验。
城市轨道交通线路采用何种牵引供电制式不仅仅是从牵引供电系统本身考虑,应从城市规划、景观布局、城市既有轨道交通技术状况、运营方式以及线路特征等多方面因素进行考虑,选择适合城市轨道交通线路的牵引网供电制式。
6 不同A型车辆制造技术与实践
长春轨道客车股份有限公司副总审文龙贤回顾了各种牵引供电制式,介绍了三轨受电的A型城市轨道车辆制造技术,对架空接触网和接触轨的车辆制造及运营维护维修成本进行了比较。
6.1 供电方式与车辆设计
DC 1 500V受电弓供电方式。车辆上所有高压电气设备的电流容量减小为DC 750V方式的一半,因而体积小、重量轻,再加上没有三轨限制,车下限界尺寸宽裕,便于车下设备的布置,车辆检修方便;由于电气设备容量小,因而整车总价不会高于DC 750V方式。
DC 1 500V/DC 750V三轨供电方式。列车母线高速断路器可根据业主要求设或者不设。若设母线高速断路器,则车辆总价要高于DC 1 500V受电弓方式;另外,车下电气设备布置空间小,检修不方便;但不影响城市景观;在地面或高架线路上运行时受风速影响较小。
6.2 三轨受电的A型车辆设计制造
A型地铁车凭借其大运量的优点,在国内外城市轨道交通中得到了广泛的应用。现以泰国曼谷BTS项目采用DC 750V三轨受电方式的A型地铁车为例,对车辆的设计制造进行介绍。
1)车下设备布置方案的优化设计。A型地铁车辆宽度为3 000mm,其设备安装空间本应很宽松,但由于曼谷BTS项目采用的是三轨受流方式,且最小曲线只有80m,能够用来安装设备的空间很小,最小处只有1 754mm,有40%以上的空间无法利用。这是因为在车辆通过曲线时,三轨高度范围内是不允许有设备的。这与转向架中心矩、最小曲线半径都有直接的关系,而A型车的转向架中心矩比较长,目前国内标准A型车中心矩为15 700mm。为此,彻底改变了传统的设计方案,将线槽分别布置在车体两侧,同时把高压电缆与低压控制电缆完全分开,把设备布置在线槽的里侧,利用线槽高度方向上尺寸相对小的优点,充分利用车体宽度方向的空间。考虑到重量平衡的要求,把制动电阻布置在了车辆的中心位置上,两台牵引逆变器对称布置在电阻的两侧,最大程度的缩小了从牵引逆变器出来后到牵引电机和制动电阻的高压电缆长度,节省设备安装空间。
2)如果车辆采用架空接触网供电,车下设备就可以不受三轨限制,尽量靠近边梁进行安装,就能很好地解决车下设备空间的问题。此外,就供电电压等级来讲,曼谷BTS项目采用的是DC 750V接触轨供电,车辆高压电缆的线径普遍比较大,走线路径也需要很大的空间。如果采用DC 1 500V接触轨供电,那么在相同功率的情况下,电压等级提高1倍,电流相对可以减少1倍,不但车辆高压电缆线径可以适当减小,所有车载高压设备电流容量均可减少1倍,在充分利用有效空间的同时,还可以减轻车辆自重。
3)接触轨对转向架产生影响,而转向架重量和车辆轴重对转向架结构的可靠性和稳定性有直接关系。每个受流器重约25 kg,这样每个转向架相应增重约50 kg。同时,在转向架上布置了受流器安装座,增加了转向架的复杂性,由于有带电的裸露部分,增加了转向架的日常维护难度。
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