关键词：试验线路；四轨装置；直流牵引变电所
1 项目背景
2017年8月，中车株洲电力机车有限公司（以下简称“株机公司”）获得马来西亚吉隆坡3号线42列无人驾驶轻轨列车（以下简称“马来车辆”）的供货合同。根据业主要求，马来车辆采用四轨受流、DC±375V电压制式。
目前国内城轨车辆电压制式主要有DC750V和DC1500V，受流模式主要有接触网和三轨，没有四轨受流、DC±375V电压制式的动调试验线。为满足马来车辆型式试验要求，同时考虑大功率的城轨车辆的试验需要，经过需求分析与多方案论证，结合株机公司厂区既有试验线进行规划设计。
2 动调试验线规划
马来车辆动调试验线相关技术要求如下：
（ 1）试验线路长度不少于1.8㎞，轨距1435㎜，最大运行速度满足80㎞/h，采用四轨侧部受流方式，四轨受流面距轨道中心1450±5㎜（可在1440-1540㎜范围调整），下轨距轨面高度 139±5㎜（可在139-179㎜范围调整），上轨距轨面高度289±5㎜（可在289-329㎜范围调整）。
（2）直流牵引变电所应满足供电电压DC±375V、线路压降不超过50V、供电容量不小于4000KVA、制动能量吸收能力6000KW的要求。
鉴于此，从试验线路和直流牵引变电所两个方面进行规划设计。
2.1试验线路
2.1.1规划方案比选
目前株机公司厂区内有机车试运线和城轨动调线各1条，机车试运线长2.58㎞、轨距1435mm、设计时速100km/h，城轨动调线长2.58km、轨距1435mm、设计时速120km/h。两条线路的长度、轨距、设计时速均能满足马来车辆动调试验线的技术要求，只需加装四轨装置系统即可。经过讨论分析，从线路供电可靠性、受流稳定性、线路使用便利性等方面综合考虑，选择在城轨动调线上加装四轨装置系统，作为马来车辆动调试验线路：
（1）供电风险方面：机车试运线已具有AC27.5KV和DC1500V两种供电制式，新增DC±375V供电制式后，机车试运线的交、直流电源转换供电模式更加复杂，增加了供电风险和运行管理难度；而城轨动调线只有直流供电制式，由1处直流牵引变电所供电即可，供电风险较小，运行管理方便。
（2）受流稳定性方面：因机车试运线的限界大于城轨动调线的限界，若在机车试运线上安装四轨装置，需延伸车辆受电靴，不利于车辆稳定取流。
（3）线路状况方面：城轨动调线线路是整体道床，较机车试运线的碎石道床，线路较平稳，有利于车辆试验。
2.1.2 四轨装置系统方案
规划在城轨动调线路东侧加装DC±375V四轨装置系统，起点为K1+700，终点为K3+600，长1900m。四轨接触轨分上下层布置，受流面距轨道中心1450±5mm，下轨距轨面高度139±5mm，上轨距轨面高度289±5mm。四轨装置系统主要由牵引轨、回流轨、中间接头、电连接板、中心锚节、膨胀接头、端部弯头、绝缘支架、防护罩、普通接头和警示灯等组成。四轨安装示意图见图1。
图1 四轨安装示意图
2.1.3四轨装置系统设计风险项点
四轨装置系统的结构和外型与传统的三轨有较大差异，在四轨装置系统设计过程中需注意以下几点：
（1）接触轨设计：DC±375V四轨装置采用侧部受流方式，接触轨采用工字型的钢铝复合轨材料，接触轨安装后凹槽朝上，容易盛水、积尘，影响其外部绝缘，故在接触轨设计时，宜在其中部设置特殊排水孔。
（2）膨胀接头设计：为适应牵引轨和回流轨受环境温度、本身带电温度上升等条件影响产生热膨胀，应在合适位置安装膨胀接头。DC±375V四轨接触轨上下层布置，考虑到轨间绝缘距离，膨胀接头设计应错位布置。
（3）防护罩设计：为防止人体触及接触轨外部带电体，同时不影响受电靴通过，在牵引轨和回流轨上应安装防护罩。四轨防护罩为L型，与三轨［型防护罩相比，四轨防护罩定型困难、容易变形，安装完成后防护罩呈波浪形，防护罩设计时宜考虑结构强度。
（4）警示灯设置：为便于试验操作人员观察及安全警示，在四轨外侧沿线应安装警示灯。警示灯每盏间距约50米，从牵引轨供电隔离开关柜辅助点接入信号，当四轨通电时警示灯显示为红色并闪烁，四轨不通电时警示灯熄灭。
2.2直流牵引变电所
2.2.1规划方案比选
株机公司厂区目前有南直流所和北直流所，南直流所供电容量为3200KVA，作为城轨动调线直流牵引变电所，北直流所供电容量为5500KVA，作为机车试运线直流牵引变电所，两个直流所均只能提供DC750V和DC1500V电压。要输出DC±375V电压，需要对既有直流所改造或者新建。
方案一：改造城轨动调线南直流所
考虑到试验线路选择改造城轨动调线，且南直流所与北直流所改造内容基本相同，故选择改造南直流所作为马来车辆的直流牵引变电所。通过扩建南直流所，改造电源一次系统、新增部分设备，在输出DC750V和DC1500V两种电压的基础上，新增DC±375V电压制式。
方案二：新建1座直流牵引变电所
在线路中心位置附近K2+500处，选择合适空地新建1座直流牵引变电所，不仅满足马来车辆DC±375V四轨型式试验电压的需要，而且大幅提高DC750V和DC1500V供电容量，满足株机公司多型城轨车辆的试验需要。
改造方案和新建方案技术经济比较如表1所示。
通过上述改造和新建两个方案的对比分析，从方案可行性、系统可靠性以及株机公司未来发展需要综合考虑，选择新建1座直流牵引变电所。
2.2.2 直流牵引变电所设计方案
新建直流牵引变电所采用框架结构，建设2层，地下一层为电缆夹层，地上一层为设备层，规划布局3台10KV开关柜、2台整流变压器、4台整流器、8台1500V开关柜、1台负极柜、6台再生电阻吸收装置、1台交流盘、1台直流盘、1台控制信号盘、1台上网隔离开关等。供电容量为8000KVA ，能量吸收装置容量12000KW。
新建直流牵引变电所主接线图如图2所示。
单台整流器由1个三相6脉冲全波整流桥组成，其中1台整流器接至整流变压器二次侧Y型绕组，另1台整流器接至整流变压器二次侧型绕组，2个整流桥并联连接构成12脉波整流，4台整流器通过串、并联实现DC±375V、DC750V和DC1500V三种制式电压输出。运行方式如下：
（1）DC±375V运行方式：隔离开关J1、J2、2011、2012合，J3、J4、2031、2021、2022分，或者隔离开关J3、J4、2021、2022合，J1、J2、2011、2012、2031分。
（2）DC750V运行方式：隔离开关J1、J2、J3、J4、2031、2021、2022分，2011、2012合，或者隔离开关J1、J2、J3、J4、2031、2011、2012分，2021、2022合。
（3）DC1500V运行方式：隔离开关J1、J2、J3、J4、2011、2022分，2031、2012、2021合。
2.2.3 直流牵引变电所设计风险项点
新建直流牵引变电所兼顾了DC±375V、DC750V和DC1500V三种电压制式，且容量达8000KVA，比传统的牵引供电系统方案更为复杂，在供电系统方案设计时需注意以下事项：
（1）系统运行方案：为避免系统短路容量过大，不允许在两套整流机组并联运行时输出DC±375V、DC750V。
（2） 回流物理隔离：因DC±375V通过负极轨专用回流，DC750V、DC1500V通过钢轨回流，且在DC±375V供电时，负极回流有DC-375V电压，因此在系统方案设计时，对不同供电电压的回流需进行物理隔离。
（2）系统闭锁设计：因新建直流牵引变电所输出三种电压制式，同时回流方式有两种，在安全闭锁设计时不能按照传统做法，用一套闭锁来实现所有的功能闭锁，需考虑分层闭锁。
3 结论 规划设计的马来车辆动调试验线，可以满足马来车辆的走形试验、动力学试验、牵引试验、制动试验等，同时解决株机公司多型城轨车辆试验容量和线路压降问题。该动调试验线在国内目前没有成熟案例，为今后国内建设类似DC±375V四轨线路和大容量多制式直流牵引变电所提供借鉴。
参考文献：
[1]何治新.城市轨道交通DC1500V四轨技术研究[A].城市轨道交通,2008.
[2]席力岩.浅谈城轨车辆静动调试验线的规划设计[B].内燃机车，2010.
[3]盛蓉蓉.可用于DC750V及DC1500V系统的牵引变电所设计[U].城市轨道交通研究,2015.
论文作者:1黄正良 2周平 3胡凯
论文发表刊物:《科技中国》2018年6期
论文发表时间:2018/8/10
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