廣州軌道交通18號(hào)線(xiàn)及22號(hào)線(xiàn)，為什么要選擇交流供電系統(tǒng)？
廣州市軌道交通十八號(hào)線(xiàn)及二十二號(hào)線(xiàn)，兼顧了國(guó)鐵和地鐵的特點(diǎn)，快速、客流量大、站間距大、車(chē)站數(shù)少，最高運(yùn)行時(shí)速160km/h，連接了廣州、珠海、東莞和中山等多個(gè)城市，是粵港澳大灣區(qū)的大動(dòng)脈，兩條線(xiàn)的功能定位介于干線(xiàn)鐵路和城市軌道交通之間，具有干線(xiàn)鐵路的速度目標(biāo)，城市軌道交通的公交化服務(wù)特征。廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院股份有限公司的研究人員馮超，在2020年第10期《電氣技術(shù)》雜志上撰文，從多個(gè)方面分析了供電系統(tǒng)制式選型控制因素，并最終給出了供電制式選型建議，推薦采用AC 25kV供電制式。廣州市軌道交通十八號(hào)線(xiàn)、二十二號(hào)線(xiàn)項(xiàng)目在采用市域快速列車(chē)實(shí)現(xiàn)高標(biāo)準(zhǔn)時(shí)空目標(biāo)的同時(shí)，與城市軌道交通線(xiàn)網(wǎng)緊密結(jié)合，實(shí)現(xiàn)地鐵高密度服務(wù)水平，兼具高速度等級(jí)和高密度服務(wù)雙重功能，連接市中心與市域區(qū)域的公交化通勤客流。十八號(hào)線(xiàn)與二十二號(hào)線(xiàn)作為廣州市域軌道交通骨干線(xiàn)，其高時(shí)空目標(biāo)需求（30min連通南沙新區(qū)與廣州中心城區(qū)）、大客流斷面需求（2.85萬(wàn)人次/h單向斷面客流的大運(yùn)量系統(tǒng)）和高服務(wù)水平需求（與地鐵線(xiàn)網(wǎng)服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)匹配），使得既有的鐵路、城際、市域、地鐵相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)無(wú)法直接應(yīng)用于本工程，需結(jié)合工程特點(diǎn)和科研實(shí)踐，突破既有鐵路、城際、市域、地鐵相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)建立全新的市域快線(xiàn)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于廣州地鐵十八號(hào)線(xiàn)、二十二號(hào)線(xiàn)，合理的牽引供電制式是解決牽引供電系統(tǒng)能力問(wèn)題的基礎(chǔ)，可采用的牽引供電制式有單相工頻AC 25kV或DC 1500V。國(guó)鐵干線(xiàn)鐵路有客運(yùn)和貨運(yùn)之分，由于跨越區(qū)域大，所以運(yùn)量大、牽引負(fù)荷重、運(yùn)行速度高（最快時(shí)速達(dá)到350km/h）、運(yùn)行距離長(zhǎng)，如京廣高鐵約2300km，此類(lèi)線(xiàn)路均采用AC 25kV高電壓等級(jí)制式。城際鐵路雖然規(guī)模上小于國(guó)鐵干線(xiàn)鐵路，但是跨度較大，運(yùn)量較大，一般也采用AC 25kV供電制式。相較于國(guó)鐵，城市軌道交通單車(chē)運(yùn)量較小，列車(chē)功率低，但是行車(chē)密度高，且站間距小，列車(chē)頻繁起動(dòng)，達(dá)速比低。此類(lèi)線(xiàn)路適合采用DC 750V和DC 1500V牽引供電制式。圖1 十八號(hào)線(xiàn)及二十二號(hào)線(xiàn)線(xiàn)路示意圖十八號(hào)線(xiàn)及二十二號(hào)線(xiàn)速度目標(biāo)值160km/h，根據(jù)國(guó)內(nèi)外運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，120～160km/h速度目標(biāo)值下的軌道交通，直流供電和交流供電均可滿(mǎn)足供電能力需求。兩條線(xiàn)路可選擇的牽引供電制式有兩種，即國(guó)鐵常用AC 25kV和地鐵常用DC 1500V。應(yīng)用方面，廣州既有市域線(xiàn)路，如廣佛線(xiàn)，采用DC 1500V，其他城市市域鐵路，如上海金山線(xiàn)、香港東西鐵路等，均采用交流制式。總體而言，速度目標(biāo)值低于120km/h，多采用直流制式；120km/h以上線(xiàn)路多采用交流制式。2.1 線(xiàn)網(wǎng)規(guī)劃根據(jù)廣州市軌道交通線(xiàn)網(wǎng)規(guī)劃，除十八號(hào)線(xiàn)及二十二號(hào)線(xiàn)以外，還有新機(jī)場(chǎng)線(xiàn)、十八號(hào)線(xiàn)和二十二號(hào)線(xiàn)延長(zhǎng)線(xiàn)等多條線(xiàn)路最高運(yùn)行速度達(dá)到160km/h以上，總長(zhǎng)度超400km。再者，廣州地鐵即將承擔(dān)廣東省多條城際鐵路運(yùn)營(yíng)工作。廣州市軌道交通十八號(hào)線(xiàn)及二十二號(hào)線(xiàn)作為線(xiàn)網(wǎng)規(guī)劃的首批160km/h線(xiàn)路，供電制式的選擇直接影響后期線(xiàn)路的系統(tǒng)制式選擇，具有重要意義。 表1 兩種供電制式的優(yōu)缺點(diǎn)比較表若選擇直流供電制式，與既有線(xiàn)路制式一致，更加符合線(xiàn)網(wǎng)資源共享的要求。若選擇交流供電制式，與城際鐵路制式一致，更加符合與城際鐵路互聯(lián)互通的要求。但是考慮到廣州市即將建設(shè)大批量160km/h線(xiàn)路，選擇交流制式亦可獨(dú)自成網(wǎng)。目前，廣州軌道交通線(xiàn)網(wǎng)中已經(jīng)采用的車(chē)型有A型、B型、L型，最高運(yùn)營(yíng)時(shí)速120km/h，目前既有車(chē)型均不能滿(mǎn)足本項(xiàng)目的要求。通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外市域軌道交通線(xiàn)路的比較分析，并結(jié)合相關(guān)車(chē)輛制造狀況，得出以下結(jié)論。市域軌道交通線(xiàn)路長(zhǎng)度基本在50～80km范圍，站間距多為5～15km，速度等級(jí)在120～250km/h，采用公交化運(yùn)營(yíng)為主，輔以越行、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的多元模式。考慮到本項(xiàng)目時(shí)速目標(biāo)160km/h，從車(chē)輛選型的角度，AC 25kV更具備成熟性。土建工程主要是交流供電高電壓對(duì)隧道斷面的影響，由于本項(xiàng)目速度目標(biāo)值達(dá)到160km/h，根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)的研究成果，隧道內(nèi)徑達(dá)到7.7m以上，供電制式不對(duì)隧道斷面產(chǎn)生根本性的影響。另外，交流供電較直流供電減少了車(chē)站內(nèi)及區(qū)間的大量牽引變電所設(shè)置，相應(yīng)減少了土建工程。2.4 160km/h弓網(wǎng)受流質(zhì)量接觸網(wǎng)是供電系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)，弓網(wǎng)受流質(zhì)量是本項(xiàng)目考核的重要因素之一。AC 25kV，相比較于DC 1500V，電壓等級(jí)高，相同功率情況下電流會(huì)大大減小，直接影響受電弓和接觸網(wǎng)的載流量，受電弓的載流量直接影響了弓頭質(zhì)量和發(fā)熱，弓頭質(zhì)量、發(fā)熱與弓網(wǎng)受流質(zhì)量強(qiáng)相關(guān)。AC 25kV受電弓載流量?jī)H有DC 1500V的十分之一，發(fā)熱量大大減小，弓頭質(zhì)量也輕，更有利于弓網(wǎng)受流質(zhì)量，受電弓碳滑板磨耗也會(huì)大大減小。結(jié)合本項(xiàng)目工程，兩種制式下的經(jīng)濟(jì)核算比較結(jié)果見(jiàn)表3。牽引供電制式的選擇，主要影響供電系統(tǒng)、土建和車(chē)輛的經(jīng)濟(jì)投資。供電系統(tǒng)本身，主要影響主變電所、變電所、接觸網(wǎng)。主變電所，影響主變壓器的數(shù)量和選型；變電所，直流制式比交流制式增加牽引所數(shù)量；接觸網(wǎng)，兩種制式的電壓等級(jí)不同，影響接觸網(wǎng)的懸掛形式和方案。土建方面，主要影響供電房間面積，直流制式牽引所布置在車(chē)站，數(shù)量多，占地面積大；交流制式牽引所布置在主所，集中布置，占地面積小。車(chē)輛方面，交流制式比直流制式增加整流器，導(dǎo)致車(chē)輛購(gòu)置費(fèi)的增加。表3 兩種供電制式的經(jīng)濟(jì)投資比較表由表3可知，制式選擇的經(jīng)濟(jì)差異主要在于車(chē)輛，供電系統(tǒng)本身而言，交流與直流的差異較小，相差約1%。相比較于整個(gè)機(jī)電系統(tǒng)的投資，兩種制式的經(jīng)濟(jì)差異可以忽略。十八號(hào)線(xiàn)及二十二號(hào)線(xiàn)作為廣州市首批市域鐵路，供電制式的選型影響較大。從線(xiàn)網(wǎng)規(guī)劃的角度，直流制式更有資源共享性，但考慮到大規(guī)模市域鐵路的規(guī)劃，選擇交流制式亦可獨(dú)自成網(wǎng)，滿(mǎn)足要求；從車(chē)輛選型的角度，時(shí)速目標(biāo)160km/h，交流制式更具備成熟性；從土建工程的角度，兩種制式相當(dāng)；從弓網(wǎng)受流的角度，交流制式下受電弓載流量更小，弓頭質(zhì)量小，受電弓碳滑板耐磨性更優(yōu)；從經(jīng)濟(jì)的角度，兩者相當(dāng)。綜上所述，廣州市軌道交通十八號(hào)線(xiàn)及二十二號(hào)線(xiàn)宜選擇交流供電制式。本文編自《電氣技術(shù)》，標(biāo)題為“廣州市軌道交通18號(hào)線(xiàn)及22號(hào)線(xiàn)供電系統(tǒng)制式選型研究”，作者為馮超。
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