工程研究

捷運內湖線牽引供電模擬分析

摘   要

台北都會區捷運內湖線全長14.8公里，設有十二座車站及捷運內湖機廠，為木柵線的延伸，採中運量無人駕駛系統，完工後電聯車須能往返木柵與內湖，因此於細部設計時須考量相關之系統及營運需求，以納入土建及水電、環控等之設計。而為規劃全線主變電站(BSS)及牽引動力變電站(PPSS)之設置位置，需先進行直流供電模擬分析，本文將概略介紹模擬分析所使用之MARCADET軟體，說明進行直流供電模擬分析之假設條件、各種模式、相關輸入資料及輸出結果，同時經分析研判並提出重要結論與建議。

一、前 言

本司捷運部承辦台北都會區大眾捷運系統木柵延伸(內湖)線DB145設計標，於民國九十年六月一日開始進行該設計標之服務工作，並於民國九十一年七月十五日完成相關細部設計；而內湖線高架段土建及全線機電工程由工信工程公司於民國九十二年四月二十三日得標，並於同年七月十三日全面動工，工程總經費約新台幣六百六十八億三千萬元。內湖線係由捷運中山國中站沿復興北路向北進入松山機場內，轉向東南沿圍牆進入地下，至機場航廈前設松山機場站，再轉向北穿越松山機場、基隆河後設大直站，並經北安路458巷41弄於自強隧道東南側北安路轉為高架。DB145設計標高架路段部份有10.8公里，設有B2~B11共十座車站及一座主變電站，其路線沿北安路、內湖路、文德路、成功路、康寧路，跨越基隆河進入南港經貿園區，至南港路研究院路口北側止(詳附圖一)，且將有地下通道與捷運南港線東延段的經貿南站連通。全線預計民國九十七年六月完工通車。

由於內湖線包括列車在內的機電系統將由加拿大龐巴迪公司承製，依照合約，木柵線的行車控制及號誌系統將一併升級，因此也將更換為龐巴迪製造的系統。據預估，到民國一百一十年，內湖線與木柵線的日運量將達到三十一萬一千人次，其中二十萬人次來自內湖。

在進行細設之初，各車站建築須進行機房初步配置，其中一大困擾就是哪些車站要配置動力變電站(Propulsion Power Substation, PPSS)不得而知，動力變電站係用以提供750V直流牽引電力經側面導軌至電聯車，其標準房間尺寸為10.0M(L) x 9.0M(W) x 4.0M(H)，故有無設置PPSS對該站機房區空間配置影響甚巨，勢必需及早確定。而該設計標有關系統之界面除考量既有木柵線之設計及施工經驗外，另聘請SYSTRA系統特別顧問提供相關系統介面需求，並針對該標之設計進行校核與確認，以確保所有設計能與木柵線VAL車輛、系統設備及營運、維修等需求相容。筆者於是配合系統特別顧問，蒐集相關輸入資料，協助其執行MARCADET軟體，繼而得到具體的結論與成果，終使內湖線高架段土建之設計工作順利完成。

二、分析架構

本研究分析之目的在於驗證內湖線列車牽引供電所需電力設備之位置、數量與技術特性。當然這些分析都歸功於MARCADET軟體。

(一)供電架構

供電系統為捷運系統路網動力之來源，舉凡電聯車、通訊、號誌、電梯、電扶梯、自動收費、照明、空調等，均以其為動力，來維持系統的正常運作。由於事關大眾安全，因此系統設備均設計為雙迴路(經常與備用迴路)。若任一迴路失效，均可立即切換引接備用電源，以確保電聯車及旅客暢通無阻。

1. 受電方式

由台電公司引進不同迴路之專用161kV 3相3線式電力至主變電站，並將其降壓為22kV 3相3線式電力後，分配至各動力變電站(PPSS)及車站設備變電站(FPSS)。

2. 主要供電設備

主變電站(Bulk Sub-Station, BSS)：由台電引接161kV特高壓電源，降壓為22kV電力提供予動力變電站、車站設備變電站(含機廠)。161kV饋線(GIS)及變壓器均有兩套，以提高供電品質。

動力變電站(Propulsion Sub-Station, PPSS)：將22kV電源降壓整流為750V DC，並經由導電軌提供給電聯車使用，沿線約1.5至2公里設置一座。

車站設備變電站(Facility Power Sub-Station, FPSS)：將22kV電源降壓整流為380/220V 3相4線低壓電源供一般車站、機廠設備使用。

間隙斷電站(Gap Breaker Sub-Station, GBSS)：當線上某區域故障時，需隔離相鄰之電力區段，以建立區域營運(Partial Service, PS)模式。

接地間隙斷電站(Ground Gap Breaker Sub-Station, GGSS)：提供維修時導電軌接地，以保障維修人員之安全。

除上述主要電氣室，尚包括電力電纜、電力遙控及監視系統、接地及避雷設施等。

(二)營運條件

本分析所持之營運條件包括下列三種。

1. 四車120秒

四節VAL 256車廂(2- Married Pairs)以班距120秒行駛於木柵線及其延伸之內湖線。

2. 四車72秒

四節VAL 256車廂(2- Married Pairs)以班距72秒行駛於木柵線及其延伸之內湖線。

3. 六車120秒

六節VAL 256車廂(3- Married Pairs)以班距120秒行駛於木柵線及其延伸之內湖線。

(三)假設條件

內湖線車輛、系統設備及營運、維修需求係依木柵線VAL系統或與其相容者。（所謂相容之定義至少需能使車輛由木柵線至內湖線，及由內湖線至木柵線營運）。高架橋樑、車站之土建設計係以六車為考量。而與供電、通訊、號誌等核心系統之介面係依四車(2-married pairs)，班距（Headway）72秒為基準。

在執行MARCADET軟體前須蒐集有關路線營運、電聯車及牽引供電之資料作為假設參數以供輸入，VAL列車運轉特性曲線詳附錄一，其餘各整理如表1、表2、表3。

三、分析方法

MARCADET軟體係基於兩種不同的模式。其第一目標為掌握各車輛動態運轉下之暫態特性﹝例如路線上之位置、牽引動力狀態及速度等﹞。再者，其第二目標為決定牽引供電線路上之電壓及電流值。

在本研究中將執行正常模式之模擬即所有PPSS正常供電，及中壓(MV)最嚴重狀況下之模擬，亦即全線四個PPSS中就有一個PPSS故障，時間在2小時內。另外亦將模擬兩個PPSS中有一個PPSS故障之情況(模擬高壓22kV饋線故障，此時PPSS須改連接至其他高壓22kV饋線)。導電軌上之電壓必須維持在500V以上才能使電聯車正常運轉，且牽引電力無法提供超出IEC 146所規定之超載(1.5倍額定電流2小時及3倍額定電流1分鐘)。

因此，任一PPSS之最大電流超過3倍額定電流時，該PPSS之瞬時電流將被顯示及分析以確保其持續時間不超過1分鐘。

為了模擬最差之狀況(此亦能決定電力設備之尺寸)，在正常模式中將執行三項模擬，每次在軌道1與軌道2之間都有不同之延遲(無延遲、營運間隔三分之一及營運間隔三分之二)。當然故障模式須以最差狀況來模擬。

主要之模擬結果將透過列表顯示，如此亦有利於分析。由於本研究係分為兩部份模擬分析(舊有之木柵線及其延伸之內湖線)，特別要注意的是在此兩部份分析間鄰界區之PPSS，其電力負載應加以考量。

因受限於篇幅，僅提供以四車120秒營運於內湖線之輸出資料如附錄二。該附錄提供了模式一之結果(營運平衡、電聯車曲線)及模式二之結果(電力平衡、線電壓位準、在正常及故障狀態模式下PPSS負載，以及位於臨界點上PPSS之瞬間電流)。

四、分析結果

茲將分析結果整理如下：

(一)列車營運於木柵線至BR2站

(二)列車營運由BR5站至內湖線

(三)木柵線牽引電力配電

1. 正常模式

在此模式下所考量最嚴重的情況僅是列車延遲、誤點。過分延誤情況將不被接受。

2. 故障模式 - 4車120秒

就目前所知考量高壓饋線電纜之故障模式係依據IEC 146之規定，亦即3個PPSS中有1個PPSS故障之情況，符合前述規範。

3. 故障模式 - 4車72秒

4.故障模式 - 6車120秒

(四)內湖線牽引電力配電

1. 正常模式

在此模式下所考量最嚴重的情況僅是列車延遲、誤點。

2. 故障模式 - 4車120秒

就目前所知考量高壓饋線電纜之故障模式係依據IEC 146之規定，亦即3個PPSS中有1個PPSS故障之情況，符合前述規範。

3. 故障模式 - 4車72秒