廣州軌道交通18號線及22號線,為什麼要選擇交流供電系統?

廣州市軌道交通十八號線及二十二號線，兼顧了國鐵和地鐵的特點，快速、客流量大、站間距大、車站數少，最高運行時速160km/h，連接了廣州、珠海、東莞和中山等多個城市，是粵港澳大灣區的大動脈，兩條線的功能定位介於幹線鐵路和城市軌道交通之間，具有幹線鐵路的速度目標，城市軌道交通的公交化服務特徵。

廣州地鐵設計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》雜誌上撰文，從多個方面分析了供電系統制式選型控制因素，並最終給出了供電制式選型建議，推薦採用AC 25kV供電制式。

廣州市軌道交通十八號線、二十二號線項目在採用市域快速列車實現高標準時空目標的同時，與城市軌道交通線網緊密結合，實現地鐵高密度服務水平，兼具高速度等級和高密度服務雙重功能，連接市中心與市域區域的公交化通勤客流。

十八號線與二十二號線作為廣州市域軌道交通骨幹線，其高時空目標需求（30min連通南沙新區與廣州中心城區）、大客流斷面需求（2.85萬人次/h單向斷面客流的大運量系統）和高服務水平需求（與地鐵線網服務標準匹配），使得既有的鐵路、城際、市域、地鐵相關技術標準無法直接應用於本工程，需結合工程特點和科研實踐，突破既有鐵路、城際、市域、地鐵相關技術標準，系統建立全新的市域快線設計標準。

1 牽引供電制式適應性分析

對於廣州地鐵十八號線、二十二號線，合理的牽引供電制式是解決牽引供電系統能力問題的基礎，可採用的牽引供電制式有單相工頻AC 25kV或DC 1500V。

國鐵幹線鐵路有客運和貨運之分，由於跨越區域大，所以運量大、牽引負荷重、運行速度高（最快時速達到350km/h）、運行距離長，如京廣高鐵約2300km，此類線路均採用AC 25kV高電壓等級制式。城際鐵路雖然規模上小於國鐵幹線鐵路，但是跨度較大，運量較大，一般也採用AC 25kV供電制式。

相較於國鐵，城市軌道交通單車運量較小，列車功率低，但是行車密度高，且站間距小，列車頻繁起動，達速比低。此類線路適合採用DC 750V和DC 1500V牽引供電制式。

圖1 十八號線及二十二號線線路示意圖

十八號線及二十二號線速度目標值160km/h，根據國內外運行經驗，120～160km/h速度目標值下的軌道交通，直流供電和交流供電均可滿足供電能力需求。兩條線路可選擇的牽引供電制式有兩種，即國鐵常用AC 25kV和地鐵常用DC 1500V。

應用方面，廣州既有市域線路，如廣佛線，採用DC 1500V，其他城市市域鐵路，如上海金山線、香港東西鐵路等，均採用交流制式。總體而言，速度目標值低於120km/h，多採用直流制式；120km/h以上線路多採用交流制式。

2 牽引供電制式影響因素分析

2.1 線網規劃

根據廣州市軌道交通線網規劃，除十八號線及二十二號線以外，還有新機場線、十八號線和二十二號線延長線等多條線路最高運行速度達到160km/h以上，總長度超400km。

再者，廣州地鐵即將承擔廣東省多條城際鐵路運營工作。

廣州市軌道交通十八號線及二十二號線作為線網規劃的首批160km/h線路，供電制式的選擇直接影響後期線路的系統制式選擇，具有重要意義。

表1 兩種供電制式的優缺點比較表

若選擇直流供電制式，與既有線路制式一致，更加符合線網資源共享的要求。

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互通的要求。但是考慮到廣州市即將建設大批量160km/h線路，選擇交流制式亦可獨自成網。

2.2 車輛選型

目前，廣州軌道交通線網中已經採用的車型有A型、B型、L型，最高運營時速120km/h，目前既有車型均不能滿足本項目的要求。

通過對國內外市域軌道交通線路的比較分析，並結合相關車輛製造狀況，得出以下結論。

表2 車輛選型調研表

市域軌道交通線路長度基本在50～80km範圍，站間距多為5～15km，速度等級在120～250km/h，採用公交化運營為主，輔以越行、點對點的多元模式。考慮到本項目時速目標160km/h，從車輛選型的角度，AC 25kV更具備成熟性。

2.3 土建工程

土建工程主要是交流供電高電壓對隧道斷面的影響，由於本項目速度目標值達到160km/h，根據空氣動力學的研究成果，隧道內徑達到7.7m以上，供電制式不對隧道斷面產生根本性的影響。

另外，交流供電較直流供電減少了車站內及區間的大量牽引變電所設置，相應減少了土建工程。

2.4 160km/h弓網受流質量

接觸網是供電系統中的薄弱環節，弓網受流質量是本項目考核的重要因素之一。

AC 25kV，相比較於DC 1500V，電壓等級高，相同功率情況下電流會大大減小，直接影響受電弓和接觸網的載流量，受電弓的載流量直接影響了弓頭質量和發熱，弓頭質量、發熱與弓網受流質量強相關。AC 25kV受電弓載流量僅有DC 1500V的十分之一，發熱量大大減小，弓頭質量也輕，更有利於弓網受流質量，受電弓碳滑板磨耗也會大大減小。

2.5 經濟投資

結合本項目工程，兩種制式下的經濟核算比較結果見表3。

牽引供電制式的選擇，主要影響供電系統、土建和車輛的經濟投資。

供電系統本身，主要影響主變電所、變電所、接觸網。主變電所，影響主變壓器的數量和選型；變電所，直流制式比交流制式增加牽引所數量；接觸網，兩種制式的電壓等級不同，影響接觸網的懸掛形式和方案。

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站，數量多，佔地面積大；交流制式牽引所布置在主所，集中布置，佔地面積小。

車輛方面，交流制式比直流制式增加整流器，導致車輛購置費的增加。

表3 兩種供電制式的經濟投資比較表

由表3可知，制式選擇的經濟差異主要在於車輛，供電系統本身而言，交流與直流的差異較小，相差約1%。

相比較於整個機電系統的投資，兩種制式的經濟差異可以忽略。

3 結論

十八號線及二十二號線作為廣州市首批市域鐵路，供電制式的選型影響較大。從線網規劃的角度，直流制式更有資源共享性，但考慮到大規模市域鐵路的規劃，選擇交流制式亦可獨自成網，滿足要求；從車輛選型的角度，時速目標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；從弓網受流的角度，交流制式下受電弓載流量更小，弓頭質量小，受電弓碳滑板耐磨性更優；從經濟的角度，兩者相當。

綜上所述，廣州市軌道交通十八號線及二十二號線宜選擇交流供電制式。

本文編自《電氣技術》，標題為「廣州市軌道交通18號線及22號線供電系統制式選型研究」，作者為馮超。