城軌車輛制造基地直流牽引供電方案研究

王 奇

0 引言

近年來國內城市軌道交通產業發展迅猛，大中城市陸續開始了軌道交通建設。為適應國內各區域城市龐大的軌道交通車輛的市場需求，國內大型機車車輛制造企業陸續在各地建設城軌車輛生產試驗基地。直流牽引供電作為城軌車輛試驗基地設計中的關鍵技術之一，擔負基地內機車車輛的牽引用電需求。目前國內城軌車輛電壓制式主要有DC 750 V 和DC 1 500 V 兩種。

不同區域城軌車輛采用的電壓制式不盡相同，同時也存在同一城市有多種電壓制式的城軌車輛現象。故當前車輛生產試驗基地設計中需考慮能滿足不同類型車輛的試驗，因此基地內直流牽引變電所需要考慮能夠提供多種電壓等級的直流電源。如何做到在滿足基本直流電源需求的同時，還能達到投資小、運行維護便利的目的，成為城軌車輛試驗基地直流供電方案設計中值得關注的內容。本文將對適用于城軌試驗基地內的直流電源實現方式進行分析比選，為相關類似工程設計提供借鑒。

1 試驗基地直流電源需求

試驗基地為測試車輛各項參數及完成各項出廠試驗的需要，通常設置動調試驗線和靜調試驗線（設于靜調廠房內），兩者均需牽引變電所提供相應電壓等級的直流電源。

1.1 動調試驗線

軌道客車動調試驗線有效長度為1.8 km，其中平直線路有效長度不小于1.2 km，整條試驗線路采用同一坡度。軌道客車動調試驗線同時考慮三軌及接觸網供電方式。其中三軌絕緣等級按 DC 1 500 V、載流量按DC 750 V 設計考慮；接觸網載流量按DC 1 500 V 設計考慮，并可試驗DC 750 V 有軌電車。

此外另設置有效長度為3.5 km 的機車、軌道客車試驗線，該試驗線可用于27.5 kV 電力機車和DC 1 500 V 城軌客車試驗，接觸網電壓等級按AC 27.5 kV 和DC 1 500 V 綜合考慮設計，預留設置三軌條件。滿足機車和軌道客車的供電需求。1.8 km試驗線和3.5 km 試驗線不同時試驗軌道客車。

基地內為遠期預留2 條2.0 km 的磁懸浮車試驗線，用于DC 1 500 V 磁懸浮車輛試驗。

1.2 靜調廠房

試驗基地內建有靜調廠房，在廠房內設置靜調試驗線4 條，均為標準軌，其中2 條為預留。在廠房內平行于線路方向側墻上設置滑觸線，其中一側為預留。滑觸線能為三軌受流客車提供DC 750 V和DC 1 500 V 兩種調試電源。每條線路上方均設置接觸網，接觸網絕緣等級和載流量按DC 1 500 V考慮，兼顧DC 750 V 有軌電車試驗。

為提高靜調試驗線試驗電源操作的安全性和便利性，在靜調試驗線的兩端頭位置分別設置DC 1 500 V 和DC 750 V 靜調電源柜各1 臺。

2 試驗基地直流電源實現方式分析

2.1 幾種直流電源的實現方式

牽引變電所實現動調和靜調試驗線不同直流電源的供給考慮通過以下4 種方式，本節分別對4種實現方式進行分析比選。

（1）方式一：主接線如圖1所示。該方式分別設置DC 750 V 和DC 1 500 V 整流機組（12 脈波）各2 套，均并聯運行，設置DC 750 V、DC 1 500 V 母線各一段。2 套DC 750 V 整流機組及DC 750 V 母線負責為動調試驗線接觸軌和接觸網、靜調庫內滑觸線、靜調庫DC 750 V 靜調電源柜提供DC 750 V 電源。2 套DC 1 500 V 整流機組及DC 1 500 V 母線為試驗線接觸網和接觸軌、靜調庫內接觸網、靜調庫DC 1 500 V 靜調電源柜提供DC 1 500 V電源。試驗線接觸網、接觸軌以及靜調庫內滑觸線、接觸網、靜調電源柜均不同時使用，即試驗線和靜調庫內同一時刻僅有一處需送電，故每段直流母線為試驗線和靜調庫分別設置一路直流饋線，在試驗線和靜調庫內通過隔離開關實現送電位置的切換，試驗線接觸網和接觸軌隔離開關以及靜調庫內各隔離開關間需設置電氣閉鎖，防止誤送電。該方式共設置直流饋線4 路。

該方式優點：整流機組均為2 套12 脈波機組并聯運行，構成等效24 脈波整流，減少對上級電網的諧波返送，電能質量較高。整流機組負載范圍劃分明確，DC 750 V 和DC 1 500 V 機組容量可根據不同車型試驗容量需求設置，2 種直流電源可以同時使用，試驗線和靜調庫可以同時工作，供電靈活性高，用電限制少。

缺點：由于設置4 套機組、2 段直流母線，直流饋線數量多，設備投資最大。當試驗基地內一段時間僅使用一種直流電源時，造成2 套機組閑置，存在系統安裝容量浪費的情況。

圖1 方式一主接線圖

（2）方式二：該方式在方式一的基礎上減掉整流機組數量，主接線如圖2所示，設置DC 750 V和DC 1 500 V 整流機組（12 脈波）各1 套，均獨立運行。直流母線及直流饋出線設置與方式一相同。

圖2 方式二主接線圖

該方式優點：機組數量減少，節省一部分設備投資，同時能夠滿足DC 750 V 和DC 1 500 V 兩種直流電源的靈活需求。

缺點：由于DC 750 V 和DC 1 500 V 兩套機組均采用單臺獨立運行，當同一時刻僅有1 套機組投入運行時，諧波含量較方式一大，電能質量略差。同時存在當一種直流電源不使用時機組閑置，造成容量浪費的情況。

（3）方式三：主接線如圖3所示。設置DC 750 V 和DC 1 500 V 整流機組各1 套，僅設置一段直流母線，2 套整流機組直流出線側均接于該段直流母線上，共用直流母線及直流饋線，直流母線及直流饋線開關絕緣等級按DC 1 500 V 考慮。2 套整流機組同時僅能投入1 套，即此時牽引變電所僅能為試驗線和靜調庫提供一種直流電源。共設置直流饋線2 路，試驗線通過隔離開關實現接觸網和接觸軌的送電切換，靜調庫內通過隔離開關實現接觸網、滑觸線、靜調電源柜的送電切換。

該方式優點：整流機組數量較方式一減少一半，直流饋線數量較前2 種方式減少一半，設備投資少。

缺點：DC 750 V 和DC 1 500 V 兩套機組同一時刻僅能有1 套投入運行，系統為純12 脈波機組，諧波含量較前2 種方式多，電能質量差。同時存在必有1 套整流機組閑置的情況。

圖3 方式三主接線圖

（4）方式四：主接線如圖4所示，直流饋線側與方式三相同，直流母線及直流饋線開關均按DC 1 500 V 絕緣等級考慮，采用通過2 套DC 750 V機組串并聯的方式實現DC 750 V 和DC 1 500 V 兩種電源的輸出。設置DC 750 V 整流機組（12 脈波）2 套，2 套機組間通過電壓轉換開關（雙極電動隔離開關）相聯。2 套機組并聯運行時輸出DC 750 V電源，串聯運行時輸出DC 1 500 V 電源。

該方式優點：無論2 套機組并聯運行輸出DC 750 V 電源，或是2 套機組串聯運行輸出DC 1 500 V 電源，2 套機組始終投入運行，不存在機組容量閑置問題，且2 套串聯或并聯運行的機組相對交流中壓側始終為等效24 脈波整流，諧波含量少，電能質量高。

缺點：DC 750 V 和DC 1 500 V 兩種電源不能同時使用，系統接線較前述方式略復雜。

圖4 方式四主接線圖

2.2 比選及建議

上述電源實現方式優缺點對比如表1所示。

表1 4 種實現方式對比表

針對城軌車輛試驗基地的電源需求特點，以上方式在采用過程中應結合具體項目情況及項目投資進行選擇。對于規模較小的試驗基地，建議優先選擇方式四，通過合理安排試驗計劃避免同時使用2 種電源。當基地內設置多條試驗線并且不同試驗線存在同時試驗的情況時，即試驗線同時需要DC 750 V 和DC 1 500 V 電源時，應優先選用方式一或方式二。當地方電力部門對變電所諧波要求較高時，應優先選用方式一或方式四。當試驗線不同時需要2 種電源，但靜調庫需要2 種電源時，由于靜調庫用電負荷相較試驗線小得多，簡單采用方式一或方式二容易造成機組容量的浪費，故應考慮采用方式四和方式二結合的型式，此時方式四中2 套機組容量滿足試驗線大容量要求，方式二中2 套機組容量僅需滿足靜調庫需求即可。

2.3 工程應用

根據城軌車輛試驗基地直流電源需求，對于設置2 條動調試驗線、1 座靜調庫（含4 條靜調線）的試驗基地，其中2 條靜調試驗線不同時使用2 種電源，靜調庫可同時使用2 種電源。綜合考慮整體投資及電源使用靈活性，確定采用2 套DC 750 V機組串并聯為1.8 km和3.5 km兩條試驗線提供DC 750 V 和DC 1 500 V 兩種電源，2 套機組容量滿足城軌車輛試驗時最大功率，為2 條試驗線分別設置一路直流饋線。為達到安全制動以及抑制試驗線接觸網或接觸軌電壓過高，在直流母線上設置再生能吸收裝置?？紤]到靜調庫靜調電源容量需求不大，且受每路外部電源容量限制等因素，考慮設置DC 1 500 V 機組和DC 750 V 機組各1 套，分別獨立運行，滿足靜調庫2 種電源同時使用的條件。該基地的直流牽引供電方案如圖5示意。

圖5 車輛試驗基地直流供電方式示意圖

3 結語

針對城軌車輛試驗基地的直流電源的實現方式，本文給出了4 種可行方式，在綜合分析每種方式優缺點的基礎上，對設置2 條試驗線和1 座靜調庫的試驗基地提出了直流電源解決方案。通過對4種直流電源實現方式的比較分析可知，在工程應用階段，應綜合考慮項目投資、試驗基地的生產組織模式以及工程外部制約因素等，權衡各方條件后合理選擇。此外，在確定方案時，應結合工程遠期需求，為工程遠期擴容改造預留好條件。

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