市域快軌雙制式供電的牽引主回路及高壓設備研究

歐陽瑞璟

(中車長春軌道客車股份有限公司， 長春 130062)

市域快軌雙制式供電的牽引主回路及高壓設備研究

歐陽瑞璟

(中車長春軌道客車股份有限公司， 長春 130062)

市域快軌雙制式供電能有效連接城市軌道交通和干線鐵路體系，充分發揮交、直流供電系統各自的優點，在市郊區域有較大的優勢和發展前景。首先根據交、直流供電系統的特點，提出整合交、直流供電車載牽引系統方案；然后介紹主電路的配置、受電弓，以及高壓檢測、保護裝置等器件本身針對雙制式供電進行的適應性更改；其次，具體介紹牽引變流器中四象限整流器，中間直流環節，逆變器和濾波電抗器的優選方案，輔助逆變器的布置、變壓器隔離的方案和變流器冷卻方式的選擇；最后，提出對牽引電機在冷卻方式、功率、質量和外形尺寸方面的基本需求。

市域快軌； 雙制式供電； 牽引主回路； 高壓設備； 雙制式受電弓

因為歷史原因，歐洲干線鐵路有4種主要的供電制式：DC 1.5 kV和3 kV，AC 15 kV和25 kV[1]。多流制的技術，首先在有泛歐洲運行需求的電力機車和電動車組上發展起來。

我國電氣化干線鐵路有后發優勢，實現了統一的AC 25 kV供電制式，但雙/多流制車輛在國內干線鐵路鮮有需求。近幾年，隨著特大城市和衛星城、遠郊縣之間通勤需求的逐步增長，功能定位上銜接干線鐵路和城市軌道交通(采用DC 1 500 V或DC 750 V供電)的市域鐵路正在快速發展，與之相配套的適應AC 25 kV或DC 1.5 kV市域雙制式的車輛有潛在的大量需求。

1 供電制式的選擇

近十年來，在軌道交通領域，交流傳動牽引技術占主導地位，車載牽引系統按供電制式分為交—直—交系統和直—交系統，分別在干線鐵路和城市軌道交通系統中有集中應用。但是如果突破車載范疇，而從電力系統、牽引變電所和車載牽引系統綜合考慮，以上兩種系統的原理是完全一致的，詳見圖1。顯而易見，接觸網和受流系統將整個系統分為地面和車載兩部分，通常我們關注的供電制式的選擇問題，實質上就是綜合技術和經濟等方面因素考慮，對地面和車載分界線位置的綜合比選的過程。

圖1 交流、直流供電系統電氣原理比較Fig.1 Comparison of electrical principle of AC and DC power supply system

經濟方面，主要考慮供電系統+車輛總成本和線路土建成本。線路服務區域人口密度是影響供電制式選擇經濟方面的最根本因素，如圖2所示，人口密度提高時，直流供電系統的總成本相對降低，交流系統相對提高，反之亦然。

圖2 線路服務區域人口密度對交流、直流供電系統造價影響關系Fig.2 Influence of population density on the cost of AC and DC power supply system

技術方面，主要受直流供電系統弓網受流vmax(車輛最高運行速度)<160 km/h的限制[2]。

綜上所述，在城市軌道交通(vmax<120 km/h)，直流供電有良好的經濟性，占主導地位；在城際、干線鐵路(vmax>160 km/h)，交流供電的技術性和經濟性全面占優。而市域鐵路對應的是距離中心城區50～80 km，vmax介于120 km/h～160 km/h之間，在一小時通勤圈內的市郊區域是交、直流供電過渡區。雙制式市域列車可以有效銜接以上兩種供電制式，從中心城區一站式直達市郊區域，在經濟和技術方面有效地綜合了兩種供電制式的優點，有較大的優勢。

2 雙流制牽引系統

如何將車載交—直—交和直—交牽引系統有效地整合在一起，是雙制式車輛產品化的關鍵因素。通常有如下3個方案[3]。

方案1：完全獨立的兩套系統。如果在車輛上同時安裝兩套完全獨立的受流系統和牽引系統，分別適應交、直流供電系統，技術上是成立的，但車載系統設備利用率太低，受安裝空間、質量及成本的限制，沒有產業化的意義。

方案2：獨立的受流系統，共用牽引系統的直—交部分。以交流受流弓+交—直—交牽引系統為基礎，選擇其中間直流環節的電壓等級與直流供電系統接觸網的電壓等級相同，增加直流受流弓，將接觸網直流電流引入中間直流環節，使兩套牽引系統共用直—交部分，詳見圖3。

圖3 雙制式供電牽引系統(獨立受電弓)Fig.3 Dual mode power supply traction system diagram (separate pantogragh)

由于歐洲不同國家對接觸網供電電壓、弓網配合關系和弓頭限界有著相對獨立的要求，單一受電弓往往很難同時滿足，所以歐洲多流制機車的車頂上會分別安裝交流、直流多種受電弓[4]。

方案3：共用受流系統及牽引系統直—交部分。近年來，由于滿足雙流制受流的受電弓的出現，使共用受流系統成為可能，如圖4所示，除了切換裝置、直流母線外，雙制式系統和單純交—直—交系統已經沒有明顯的差別，設備利用率已達到最高。

圖4 雙制式供電牽引系統(共用受電弓)Fig.4 Dual-mode power supply traction system diagram (shared pantogragh)

在交流系統運行速度不高，且直流系統對弓頭尺寸要求不苛刻的前提下，有滿足要求的受電弓產品對應方案3。雙制式受電弓的應用有諸多優勢：首先，可以減少受電弓的數量，有效減小了對車頂安裝空間的要求；其次，在未知供電制式的情況下，可先升弓，然后再根據對網壓制式的判斷，選擇供電回路，進而取消方案2中防止不同制式受電弓誤升方面的保護；第三，因為供電系統轉換車站系統復雜，經濟性不好，市郊線路很少采用，更多選取在線路上特定的雙制式轉換區，利用車載轉換開關在通過兩種制式之間的無電區時進行動態切換的方式進行轉換。共用受電弓，可在轉換過程中不升降弓，避免高速動態升弓過程中弓網接觸力過大的問題。

方案3是推薦的方案，圖5是對方案3牽引系統主回路的細化。

圖5 雙制式供電牽引系統詳細原理Fig.5 Dual-mode power supply traction system

3 高壓設備

雙制式牽引系統，在牽引變壓器(交流回路)和變流器(直流回路)之前，有相應的高壓器件。若交流供電電壓高，則絕緣距離和爬電距離大，根據鐵路總公司針對國內霧霾情況的特殊要求，均按滿足185 kV雷電沖擊來設計，外絕緣距離大于320 mm。若直流供電系統電壓低，則主要考慮大電流的問題。

3.1 雙流制受電弓

為了同時適應交、直流供電系統的特點，以干線鐵路使用的交流受電弓為基礎進行適應性修改，仍然使用交流絕緣子，滿足交流系統的高絕緣；采用交流受電弓弓頭外形，滿足交流系統較大的網線拉出值，同時滿足交、直流限界要求；弓頭上安裝多根浸金屬滑板，同時增加各組件之間跳線的線徑，以滿足直流供電下較大的車輛靜態和動態電流，雖然因此加大了弓頭質量，使弓頭隨網性變差，但在最高車速不超過160 km/h時，這種改變還不足以使離線率、電弧能量等幾個性能指標超出標準要求；沿用交流受電弓常采用的氣囊作為升降弓驅動元件，保持較好的隨網性；由電壓互感器輸出的供電制式信號控制氣路閥板調整受電弓升弓回路氣壓，得到不同的弓網靜態接觸力。直流供電時，電網電流大，弓頭質量大，隨網性不好，離線率高，電弧能量高，電損耗大，適應較低速度，機械損耗相對低，電磨耗相對高，所以可適當加大靜態壓力，EN50338標準[5]要求其值為120 N，以減小接觸電阻。交流供電時，電網電流小，弓頭質量小，隨網性好，電損耗相對低，機械磨耗相對高，適應速度高，同時因為動態接觸力大，宜適當減小靜態壓力，鑒于最高運行速度不高，可考慮靜態壓力略高于標準要求的70 N[5]。

3.2 轉換開關

因為選擇兩種制式共用受電弓，系統需要設計轉換開關，實現在交、直流回路之間的切換。交流系統既有的高壓隔離開關是兩位單通路，在分位置，連接桿輸出端懸空，電路斷開；在合位置，形成一條通路，接通交流。為了實現交、直流切換，在原有懸空位置處增加輸出觸點，形成了原有交流通路以外的第二條直流通路，成為兩位雙通路交、直流轉換開關產品，外形詳見圖6，當然兩個回路之間需要滿足交流的絕緣距離。

圖6 轉換開關Fig.6 Main switch drawing

絕緣子高度滿足交流絕緣距離，轉動桿和觸點的載流量滿足直流供電時的大電流(高達2 000 A)，轉換開關和高壓隔離開關一樣，需要無載分斷，回路保護還是由主斷路器來實現。

3.3 檢測裝置

在直—交牽引系統中，網壓不高，網壓和網流的檢測設備通常設在列車下的牽引逆變器中；在交—直—交系統中，網壓高，設備多設在車頂。

電壓互感器設置在受電弓和轉換開關之間，可通過對電壓的檢測來控制轉換開關在兩路之間的切換。在交流系統所使用的電壓互感器的基礎上，通過內部并聯電阻的方法，實現同時檢測交、直流電壓的功能。電壓互感器對網壓的交、直流檢測是對供電制式最直接、最重要的判斷依據，所以有非常高的可靠性要求，需應用故障安全導向設計對輸出信號是否正確做出判斷，必要時可與地面信號系統綜合判斷網壓，以提高可靠性。

網流的檢測相對簡單，可以應用交、直流現有的傳感器，在轉換開關下口的交、直流回路分別進行檢測。

3.4 保護裝置

雖然在受電弓和轉換開關之間設置主斷路器可以有效降低交、直流供電錯誤接入直、交流回路的風險，但是目前尚未找到可以同時滿足25 kV高壓和超過1 000 A大電流技術要求的斷路器，因此，在轉換開關后，仍然采用了真空斷路器、高速斷路器分別保護交、直流回路(見圖5)。

同樣，在轉換開關后，分別接交、直流避雷器進行大氣過電壓保護，同時在真空斷路器和變壓器之間再設置一個交流避雷器，使設備免受牽引變壓器分斷時產生的操作過電壓的影響。

4 牽引變流器

交流供電系統實際就是將直流供電系統中牽引變電所內的牽引整流變壓器和牽引整流機組變成車載。在車載系統中，習慣稱為牽引變壓器和四象限整流器。

車載與地面變壓器除了結構和冷卻方式因為運行環境有所變化，容量上有所不同之外，沒有其他技術上的區別，這里不做詳述。

4.1 四象限整流器

為了說明四象限整流器和牽引整流機組的區別，先介紹四象限的概念。“四象限”解釋為牽引系統可在由電壓和電流(分別為橫、縱軸)組成的平面坐標系內的四個象限工作，電壓的正負控制電機的轉動方向，可使車輛雙向運行；電流的正負控制能量的流向，可使車輛處在牽引和電制動兩種狀態。很顯然有再生制動的車輛，車載牽引系統必須都是四象限工作的，所以作為主要部件的逆變器和牽引電機是沒有必要強調四象限的。但是在直流供電系統中，由于開關器件的成本和容量方面的限制，牽引變電所內的牽引整流機組都是兩象限的，多為24脈沖二極管整流裝置[6-7]，能量無法反饋給上級交流電網，所以直流供電系統在車輛或者地面上必須設置能量消耗或儲存裝置。因為能量與速度的平方成正比，因此高速直流地鐵都采用地面吸收的方式。交—直—交牽引系統的變流器通常由四象限整流器、直流環節和逆變器組成。四象限整流器不僅可以實現能量向電網反饋(可以不設大功率制動電阻)，同時保證網側電流正弦化，且運行于單位功率因數[8]。

多重化載波移相技術，通過將獨立的電流型PWM整流器進行并聯組合(多重化)，同時使每個整流器采用相同的PWM調制波，并將相位相互依次錯開一個相同的角度(載波移相)，使四象限整流器輸入電流的高次諧波相互錯開，并在變壓器一次電流的諧波總量中部分抵消，從而以較低的開關頻率獲得等效的高開關頻率控制，即在降低功率損耗的同時，有效地提高了PWM整流器的電流、電壓波形品質，從而有效吸收諧波含量，而不另設硬件吸收裝置。多重化四象限的拓撲圖見圖7中整流部分。

圖7 牽引變流器詳細原理Fig.7 Detailed traction converter

4.2 中間直流環節

中間直流環節電壓等級的選擇對于整個牽引系統來說是至關重要的，因為是交、直流雙制式系統，所以選用直流供電(采用1.5 kV)作為中間電壓是最簡單和經濟的方案。同時因為變流器功率小于1.5 MW[9]，因此也沒必要選用高速動車組和大功率機車通常使用的3 kV等級中間電壓的體系。

直—交牽引系統需要配置單獨的濾波電抗器來減小網側諧波；在交—直—交系統中可以用牽引變壓器繞組的等效電感替代整流器交流側電感，所以現在少有單獨的電抗器。同時雖然利用牽引變壓器副邊作為直流供電回路的平波電抗器的方案在多流制機車中也有廣泛應用，從質量、空間、經濟性角度有一定優勢，但主電路之間的切換較為復雜，變壓器副邊的參數還要同時兼顧交流和直流回路的需求，所以選用保留單獨的直流濾波電抗器的方案。

在變流器內為交、直流雙制式供電分別設置各自的預充電回路，直流回路設在濾波電抗器和中間直流環節之間，交流回路設在一組四象限整流器和變壓器副邊之間。

4.3 逆變器

IGBT模塊遵循電壓等級由小到大的次序逐漸被開發，并應用在車載逆變器上。2.5 kV模塊出現后，使用它的三點式逆變器在DC 1 500 V供電牽引系統中有大量應用(尤其在日本牽引系統中很常見)，其主要優點是輸出電壓波形質量好，相同功率下開關頻率更低。但是3.3 kV IGBT問世后，其組成的兩點式逆變器相比前者減少了半導體器件、直流環節電容器、過電壓保護裝置和電抗器，進而導致設備成本、外形尺寸和質量均大幅削減。綜合比較，后者結構簡單，可靠性高，經濟性好的優點更為突出。兩電平逆變器拓撲見圖7中逆變部分。

4.4 輔助逆變器&充電機

在直—交牽引系統中，主(牽引)輔(輔助)逆變器均由網壓供電，是分體還是一體在設計上比較靈活。

在交—直—交系統中，如果要實現過分相時輔助逆變器仍可對車輛交流負載正常供電，則需要輔助變流器從中間直流環節取電，利用牽引變流器電制動來維持供電。主輔一體的方案可有效減小箱體之間的連線[10]，而且隨著對車輛輔助系統冗余度要求的提高，分體小功率的輔助并網供電是發展趨勢，所以交—直—交系統近年來更傾向于主輔一體的方案。

將整流、牽引、輔助逆變及充電機集成為一體，共用中間直流環節和冷卻系統，設備集成度高，可有效降低設備的體積、質量和成本，尤其更適合本文所研究的雙制式牽引系統。

輔助逆變器中的重要器件——隔離變壓器有中頻和工頻兩種方案，各有優勢，前者在設備減噪、小型化、輕量化(160 kVA輔助，減重300 kg)方面的優勢，使其在雙制式牽引系統中有著廣闊的應用前景。

4.5 冷卻方式

變流器的輸出功率與所采用的冷卻方式密切相關。所使用的冷卻方式為采用熱管或鋁散熱器的自然冷卻、強迫通風冷卻、沸騰冷卻和水冷[11]。

走行風冷+熱管自然冷卻和強迫風冷在城市軌道交通中有廣泛應用，而水冷的變流器因為能獲得最大的輸出功率，所以特別適用于安裝在機車和動車組的以持續功率長時間運行的變流器上[12]。

市域列車有近似于城市軌道交通列車頻繁啟停的工況，適合使用強迫風冷這樣熱慣性小的冷卻方式，從而有效利用變流器的最大功率與持續功率的高比率；也有機場和城市之間的通勤車等站間距較大的工況，則更傾向于使用水冷這樣熱慣性大，過載能力小，但絕對散熱能力強的冷卻方式。

5 電機

雙制式車輛只有在地鐵斷面基礎上研發才能最大化地發揮其經濟性優勢，地鐵客室地板面高度(1 130 mm或1 100 mm)的限制決定了電機只能采用自通風冷卻方式(轉向架枕梁部位無法像干線鐵路車輛那樣容納下強迫通風電機的風道)。選用自通風電機中功率最高的等級，持續功率在260～280 kW之間，可以滿足牽引性能要求，質量最好控制在600 kg以下，轉向架構架的強度將受電機質量增重和全壽命運營里程變長兩方面影響，需要重點加強。同時還需要考慮電機軸向尺寸和輪盤制動兼容的問題。

6 結語

本文結合市域軌道交通系統的發展需求，根據交、直流供電系統的特點，先通過優先采用共用受電弓和牽引直—交部分的方案來整合交、直流車載牽引系統，然后提出主電路的配置和對受電弓、高壓檢測、保護裝置進行的雙制式適應性改造的方案。牽引變流器則優先采用載波移相技術的多重化四象限整流器、與直流供電等級相同的1.5 kV中間電壓和最先進的兩電平逆變器，同時保留了單獨的直流濾波電抗器；對于輔助逆變器，將其整合進牽引變流器箱且采用中頻變壓器隔離的方案，更適合雙制式車輛設備輕量化和小型化的需求；主變流器的冷卻方式則需要根據線路特點在強迫風冷和水冷兩種方式中權衡。闡述采用高功率的自通風電機及其在質量、外形尺寸方面的控制。綜合以上內容，從牽引系統可靠性、經濟性、輕量化等方面綜合選定了雙制式市域快軌牽引系統主回路配置和相應高壓設備的技術方案。

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TractionSystemMainCircuitandHigh-voltageEquipmentforRegionalExpresswithDual-ModePowerSupply

OUYANGRuijing

(CRRC Changchun Railway Vehicle Co., Ltd., Changchun 130062)

The regional express with dual-mode power supply, with the advantages of both AC and DC power supply systems, can effectively connect the urban rail and the main railway line systems, having great development prospects in the suburban areas. Firstly, Based on the characteristics of tow power supply systems, this paper puts forward the scheme of integrating AC and DC power supply traction systems, and then introduces the configuration of the main circuit and the adaptive modification of the pantograph, the high voltage detective, protective devices for the dual-mode power supply systems. Secondly, the scheme of the four-quadrant rectifiers, DC links, inverter and filter reactors in the traction converter is introduced in detail, and the integration of the auxiliary converter and the isolation-transformer program and the choice of converter cooling mode are mentioned. Finally, the basic requirements for traction motors in terms of cooling modes, power, weight, and dimensions are presented.

regional express; dual-mode power supply; traction system main circle; high-voltage equipment; dual-mode power supply pantograph

10.3969/j.issn.1672-6073.2017.06.015

U231

A

1672-6073(2017)06-0084-05

2017-01-18

2017-09-18

歐陽瑞璟，男，碩士，高級工程師，主要從事市域快軌車輛電氣總體研發，ouyangruijing@cccar.com.cn

(編輯：王艷菊)