新型山区旅游轨道交通牵引供电制式及供电能力计算
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DOI：10.19587/ki.1007-936x.2019.01.017新型山区旅游轨道交通牵引供电制式及供电能力计算 杨雪凇，黄 文，李 剑，袁 勇，邓云川 摘 要：新型山区旅游轨道交通不同于传统的铁路和城市轨道交通，选择合理的牵引供电制式尤为重要。
本文着重对AC 25 kV、DC 1 500 V / 750 V以及DC 3 000 V制式进行技术经济比选，推荐采用DC 3 000 V制式，并利用Opentrack和Openpowernet软件建立牵引供电仿真模型，得到牵引网电压水平、钢轨电位、电流、功率等曲线，为DC 3 000 V制式的牵引供电方案设计提供参考。
关键词：山区旅游轨道交通；供电制式；DC 3 000 V；仿真Abstract:The urban mass transit of new type for mountain tourism has special ch aracteristics and is different with traditional railway and urban mass transit, selecting a rational traction power supply mode is most important. The paper emphasizes the technical and economical comparison for power supply modes of AC 25 kV, DC 1 500 V/ 750 V and DC 3 000 V, recommends to ad opt DC 3 000 V power supply mode. On the basis of establishing of a power supply simulation model by software of Opentrack and Openpowernet, curves of voltage level, rail potential, current and power of the traction network are obtained, providing important basis for design of scheme for DC 3 000 V traction power supply mode.Key words: Urban mass transit for mountain tourism; power supply mode; DC 3 000 V; simulation中图分类号：U223.2 文献标识码：A 文章编号：1007-936X(2019)01-0072-050 引言2017年，交通运输部明确表示旅游业是我国国民经济重要的战略性支柱产业，交通运输是旅游业发展的基础支撑和先决条件。
国家大力支持“旅游+交通”产业的发展，交通运输与旅游融合发展已经成为旅游业转型发展的新趋势。
川主寺—九寨沟轨道交通线路是一条新型山区旅游轨道交通线路，设计最高速度为120 km/h。
区别于传统的铁路和城市轨道交通，该线具有高海拔、多地震及活动断裂、穿越自然保护区、季节性客流量差异大、坡度大、曲线半径小、桥隧比例高等特点，牵引供电制式的合理选择显得尤为重要。
我国铁路牵引供电制式一般采用交流25 kV，而地铁一般采用直流制式[1，2]。
考虑到该工程牵引供电负荷、机车牵引特性、供电技术条件、授流方式及防护条件、景观需求、极端天气和环境条件等因素，本文将进行详细的理论分析，对牵引供电制式进行技术经济比较，并针对该线开展牵引供电能力计算与分析，为类似山区旅游轨道交通项目牵引作者简介：杨雪凇，黄 文.中铁二院工程集团有限责任公司电气化设计研究院，工程师；李 剑，袁 勇，邓云川.中铁二院工程集团有限责任公司电气化设计研究院，教授级高级工程师。
供电系统设计提供参考。
1 轨道交通牵引供电制式比选目前，世界范围内常用的牵引供电制式主要有AC 25 kV（50 Hz），AC 15 kV（16.7 Hz），DC 3 000 V，DC 1 500 V和DC 750 V等。
AC 25 kV（50 Hz），AC 15 kV（16.7 Hz）主要应用于干线电气化铁路，DC 3 000 V、DC 1 500 V、DC 750 V主要应用于城市轨道交通。
对于新建城市轨道交通线路，IEC60850、UIC600和EN1435等标准均明确推荐其直流牵引供电系统额定电压应在DC 750 V、DC 1 500 V、DC 3 000 V三种电压等级中选择。
国内外典型城市轨道交通工程牵引供电制式见表1。
交流制牵引供电系统通常由牵引变电所、分区所、开闭所、电力调度所及远动系统、接触网系统、供电段组成。
直流制牵引供电系统通常由主变电所、中压供电网络、牵引变电所、接触网系统、电力监控（SCADA）系统、杂散电流腐蚀防护系统、防雷和接地系统、供电车间组成。
交、直流供电制式的技术经济比较详见表2。
通过表2可以看出，单相工频25 kV交流制特别适用于运量大、负荷重、速度高、运输距离长的干线电气化铁路，采用该供电制式可以大量减少牵引变电所及外部电源引入数量，牵引网导线载流截72面小，节约供电系统投资，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；但其电压等级高，其绝缘距离要求较大，在地下区段对隧道断面要求较大，相应土建投资较大。
DC 1 500 V或DC 750 V供电制式则特别适合列车功率不大、供电半径较小、行车密度高、站间距小且启动频繁的城市轨道交通系统；由于其电压等级低、绝缘距离相对较小，因此土建投资较小，无论在城市地上还是地下，地铁工程采用该供电方式具有优势，这也是世界范围内地铁普遍采用供电电压等级相对较低的直流供电方式的一个原因。
表1国内外典型城市轨道交通工程牵引供电制式线路最高时速/km 牵引供电制式及电压授流方式上海轨道交通16号线120 DC 1 500 V 接触轨深圳地铁11号线120 DC 1 500 V 架空接触网香港机场快线135 DC 1 500 V 架空接触网香港东涌线130 DC 1 500 V 架空接触网日本武藏野线100 DC 1 500 V 架空接触网日本总武线120 DC 1 500 V 架空接触网日本京叶线100 DC 1 500 V 架空接触网日本常磐快线130 DC 1 500 V / AC 20 kV 架空接触网日本水户线95 DC 1 500 V / AC 20 kV 架空接触网日本筑波快线130 DC 1 500 V / AC 20 kV 架空接触网比利时国家铁路140 DC 3 000 V 架空接触网意大利国家铁路200 DC 3 000 V 架空接触网旧金山BRT 130 DC 1 000 V 接触轨瑞士少女峰100（28）架空接触网瑞士皮特拉斯10 架空接触网日本大井川7.5 架空接触网表2交、直流供电制式比较项目单相工频25 kV交流制式DC 1 500 V / DC 750 V制式供电形式单边供电双边供电变电所供电范围电压等级高，变电所供电范围较大。
电压等级低，变电所供电范围较小。
牵引变电设施变电设施数量少，各种接线结构简单，供电工程投资相对较低。
变电设施数量多，各种接线结构复杂；当采用集中供电时需设置主变电所，供电工程投资较高。
供电质量单边供电，供电质量较好；但由于存在电分相，会对车辆的连续受流和行驶速度产生影响。
双边供电，供电质量好；直流制无电分相，可以保证牵引力的持续性。
牵引网结构在相同功率前提下，其电流比直流供电要小，牵引网导线截面积小，牵引网结构相对简单；但电分相处结构较复杂，需特殊处理。
牵引电流大，为满足载流量的要求，牵引网导线截面积大，结构相对复杂。
设计速度目标值可适应较高的列车速度，国内目前设计最高运营速度可达350 km/h。
采用接触轨或架空接触网，国内目前已运营最高速度不超过160 km/h。
防护处理存在电磁污染，需进行电磁防护，全线可通过增加回流线进行防护，处理相对简单。
需进行杂散电流防护，全线需设监测系统进行全面防护，防护复杂。
对土建净空影响电压等级高，爬电距离大，要求的安全防护距离较大，对净空要求稍大。
电压等级低，对净空要求小。
对电力系统影响产生三相不平衡和谐波，通过轮换相序接入系统，基本能满足接入系统的要求。
产生谐波，通过各谐波源以及传输路径的相互迭加、削弱，基本能满足接入系统的谐波要求。
可靠性通过缩短牵引变电所的供电范围，提高了其越区供电的可靠性。
可靠性高安全性牵引网电压等级高，短路电流大，安全性不如直流供电方式。
牵引网电压等级低，所要求的安全防护距离较小。
7374DC 3 000 V供电制式在国际上是一种成熟的供电制式，目前欧洲的一些国家干线电气化铁路有的采用DC 3 000 V供电制式，但我国尚未有该供电制式的应用实例[5]，对于我国轨道交通领域而言是一项全新的技术。
对于铁路，DC 3 000 V供电制式站间距小、速度较低，通常在160 km/h以下，编组一般以8节车厢为主，因此牵引负荷较小。
相比常规地铁DC 1 500 V、DC 750 V而言，DC 3 000 V供电制式更适用于站间距大、速度快、牵引供电负荷大的轨道交通。
DC 3 000 V供电制式可设置较少牵引变电所，不仅减少初期建设投资，也会减少后期的运营维护成本。
川主寺—九寨沟轨道交通为新型山区旅游轨道交通项目，具有速度低、牵引供电负荷小、站间距大的特点，若采用常规的铁路或地铁的牵引供电制式均有不足之处。
结合该线进行牵引供电计算，DC 1 500 V制式下牵引变电所供电范围为6.7 km，而DC 3 000 V制式下牵引变电所供电范围可达14.9 km，故DC 3 000 V牵引变电所数量相对于DC 1 500 V减少约55%。
考虑到该线为旅游轨道交通，为不影响高架线路景观，不受极端天气影响，建议采用接触轨方式授流。
综合上述分析，推荐该线牵引供电制式按DC 3 000 V接触轨供电，走行轨回流考虑。
2 直流牵引供电系统仿真建模DC 3 000 V牵引供电系统正线牵引网由2个相邻牵引变电所构成双边供电方式，当一座牵引变电所解列退出运行时，由相邻的牵引变电所越区供电[6]。
典型的DC 3 000 V牵引变电所供电方式如图1所示。
图1 DC 3 000 V牵引变电所供电方式迄今为止，DC 3 000 V+接触轨供电制式在国际国内均无工程实践。
本文利用Opentrack和Openpowernet软件进行仿真建模，Opentrack负责模拟列车任一时刻的运行状态以及列车在行驶过程中的动态数据，Openpowernet中的PSC模块负责模拟列车当前的能量需求和当前位置的牵引网电压，Openpowernet中的ATM模块根据当前位置的牵引网电压模拟列车所需的电流和牵引力。
