淺談城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展

羅樟?丁智勇?黃鑫

摘? 要：為了滿足城市交通對(duì)高效性、準(zhǔn)時(shí)性以及客運(yùn)能力的要求，軌道交通建設(shè)規(guī)模顯著增長(zhǎng)，同時(shí)也對(duì)牽引供電系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展提出了較高的要求。該文從當(dāng)前最為普遍的交、直流牽引供電系統(tǒng)的構(gòu)成與特點(diǎn)入手，分別就其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行探討，并就再生制動(dòng)與儲(chǔ)能吸收裝置、輕量化設(shè)計(jì)和永磁同步牽引系統(tǒng)等先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行展望，以期對(duì)軌道交通業(yè)發(fā)展提供幫助。

關(guān)鍵詞：城市軌道交通;牽引供電系統(tǒng);變電站

中圖分類號(hào)：? G322? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

在城市化進(jìn)程中，為了克服市區(qū)交通擁堵問(wèn)題，軌道交通的建設(shè)為其提供了更好的思路。為了提高軌道交通運(yùn)行安全性與經(jīng)濟(jì)性，牽引供電系統(tǒng)技術(shù)的優(yōu)化應(yīng)用極為關(guān)鍵，決定了軌道交通能否高效可靠的運(yùn)行。隨著技術(shù)的發(fā)展，牽引供電技術(shù)也有了顯著發(fā)展，考慮高效節(jié)能的問(wèn)題，衍生出再生制動(dòng)與儲(chǔ)能吸收裝置，而且輕量化設(shè)計(jì)也是重要發(fā)展方向，下面就此展開(kāi)詳述。

1 城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)構(gòu)成及特點(diǎn)分析

1.1 直流牽引供電系統(tǒng)

其基本構(gòu)成為主變電站直接接入電網(wǎng)，主要起到了降壓與電能分配的作用，為牽引變電所提供電能輸入;牽引變電所的主要作用是整流與降壓，其直流輸出電壓為0.75 kV或1.5 kV;電能從牽引變電所傳輸至軌道交通的接觸網(wǎng)，然后電車?yán)檬茈娖鲝慕佑|網(wǎng)獲得電能，而且還有接觸軌這一供電形式;回流線與走行軌，主要用于將電能回流至牽、引變電所;此外，還包括雜散電流防護(hù)系統(tǒng)等構(gòu)成部分[1]。該系統(tǒng)的示意圖如圖1所示，其中：T 為牽引變壓器，QFn指的是各類開(kāi)關(guān)，QSn為各類開(kāi)關(guān)柜體。直流牽引供電的實(shí)現(xiàn)，其核心在于整流機(jī)組，是由牽引變壓器（T）與整流器所構(gòu)成的，牽引系統(tǒng)母線的設(shè)計(jì)為0.75 kV，由正、負(fù)母線與備用母線組成。整流器出線正極經(jīng)過(guò)直流快速斷路器（QF1、QF2）與直流母線相連，母線與上下行接觸軌由饋線連接，負(fù)極柜（QS5、QS6）則連接上下行回流線。

1.2 交流牽引供電系統(tǒng)

交流牽引供電系統(tǒng)的構(gòu)成與直流牽引供電系統(tǒng)基本一致，但是不再對(duì)網(wǎng)供交流電進(jìn)行整流轉(zhuǎn)換。同時(shí)根據(jù)交流牽引供電模式的差異，又分為以下3類。1）低頻單相交流制，仍然需通過(guò)整流方式對(duì)頻率進(jìn)行調(diào)整，相較直流供電其電抗要小，然而增大變頻控制難度。2）三相交流制，其優(yōu)勢(shì)在于不對(duì)網(wǎng)供電進(jìn)行轉(zhuǎn)換，軌道電車直接使用三相異步電機(jī)，牽引供電系統(tǒng)更加的簡(jiǎn)化，供電效率得以提升，但就軌道交通特點(diǎn)來(lái)說(shuō)，通常要求雙邊供電，但是在三相交流供電形式中很難實(shí)現(xiàn)，而且在有限空間內(nèi)很難達(dá)到三相供電絕緣標(biāo)準(zhǔn)。3）工頻單相交流制，這也是城市軌道交通中最為常用并且較為先進(jìn)的供電方式，其優(yōu)勢(shì)在于簡(jiǎn)化了牽引供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，不再需要整流環(huán)節(jié)，而且可以達(dá)到更高的電壓水平，解決了低壓傳輸距離短的問(wèn)題，使軌道交通供電分段距離更長(zhǎng)。

2 交流牽引供電系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 變電站位置的確定

在軌道交通運(yùn)營(yíng)期間，牽引供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)關(guān)系其運(yùn)營(yíng)經(jīng)濟(jì)性與安全性，其中，變電站位置的確定要經(jīng)過(guò)考察和驗(yàn)算。通常要根據(jù)牽引網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，并結(jié)合其對(duì)牽引供電電壓的要求，然后再經(jīng)過(guò)實(shí)地考察，最終確定牽引變電站的合適位置。同時(shí)，要對(duì)不同距離下的電壓損失予以計(jì)算，進(jìn)而確定最經(jīng)濟(jì)的供電距離，還要保證牽引供電系統(tǒng)電能質(zhì)量要求。

2.2 基于第三軌的供電技術(shù)

該技術(shù)在城市軌道牽引供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)較多應(yīng)用，第三軌的材質(zhì)也有要求，通常選擇鋼鋁復(fù)合材料，其優(yōu)勢(shì)在于導(dǎo)電性能極為優(yōu)越，可以顯著減小牽引供電系統(tǒng)的電損，同時(shí)還不必再鋪設(shè)饋線電纜，可以降低牽引供電系統(tǒng)成本[2]。第三軌供電技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用中，其基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)主要包括底座、接觸軌、防爬器等，較為典型的設(shè)計(jì)為溫度伸縮接頭，其可以有效解決接觸軌的冷熱膨脹問(wèn)題。

2.3 電纜牽引網(wǎng)分段供電及保護(hù)技術(shù)

在軌道交通運(yùn)行過(guò)程中，需要由交流電纜牽引網(wǎng)提供電能，但是考慮到軌道長(zhǎng)度問(wèn)題，為了有效降低長(zhǎng)距離輸電時(shí)的壓損，通常要設(shè)計(jì)為分段供電。該供電方式下，牽引供電線路分為并聯(lián)連接的兩條線路，并且分段出有斷點(diǎn)存在，應(yīng)保證機(jī)電電能供應(yīng)連貫性。同時(shí)，軌道交通對(duì)電能供應(yīng)安全性要求極高，但牽引網(wǎng)故障也時(shí)有發(fā)生，為了避免故障發(fā)展，需要合理配置保護(hù)裝置，通常所配主要為交流牽引饋線的電流速斷保護(hù)，需注意定值設(shè)置合理性，有效降低故障對(duì)牽引網(wǎng)的危害。

3 直流流牽引供電系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 接地技術(shù)與保護(hù)配置

由于直流牽引供電的特殊性，其在運(yùn)行中常會(huì)發(fā)生雜散電流問(wèn)題，如果任其持續(xù)發(fā)展將帶來(lái)嚴(yán)重的電化學(xué)腐蝕問(wèn)題，因此對(duì)地絕緣防護(hù)是必要的，重點(diǎn)要設(shè)置于直流正負(fù)極之間[3]。如果負(fù)極接地問(wèn)題不予處理，當(dāng)短路發(fā)生時(shí)，將會(huì)使直流牽引系統(tǒng)產(chǎn)生了極大電流沖擊，嚴(yán)重危害牽引供電系統(tǒng)安全。此時(shí)就要求保護(hù)裝置可以及時(shí)斷開(kāi)直流牽引供電系統(tǒng)中的故障部位，但是最為關(guān)鍵的應(yīng)該借助技術(shù)措施實(shí)現(xiàn)直流正負(fù)極的絕緣，在控制迷流問(wèn)題的同時(shí)還可以限制直流供電系統(tǒng)中短路事故的發(fā)展。

3.2 漏電保護(hù)技術(shù)

主要應(yīng)用方式有2點(diǎn)。1）接地軌僅在軌道車站中安裝，可以顯著提高軌道交通的接地性能，由于接地軌的存在，可以使機(jī)車在站間軌道中所積攢的電荷得以釋放。2）接地軌沿線布置，能夠?qū)崿F(xiàn)軌道交通漏電保護(hù)的全覆蓋，當(dāng)機(jī)車有靜電電荷產(chǎn)生時(shí)可直接導(dǎo)入地下，使軌道列車具有更高安全性。3）直接利用牽引變電站的接地網(wǎng)，通過(guò)負(fù)極軌連接機(jī)車車體與站端接地設(shè)施，同樣可以對(duì)軌道機(jī)車車體起到很好的漏電保護(hù)作用，靜電電荷可及時(shí)的予以釋放，在漏電保護(hù)成本上要顯著低于接地軌，然而需要做好保護(hù)配合，并提高相應(yīng)絕緣等級(jí)。

4 城市軌道交通牽引供電技術(shù)的發(fā)展

4.1 再生制動(dòng)與儲(chǔ)能吸收裝置

在直流牽引系統(tǒng)中，由于中間存在整流環(huán)節(jié)，再生制動(dòng)所產(chǎn)生能量無(wú)法反輸電網(wǎng)[4]。為此，要設(shè)計(jì)儲(chǔ)能吸收裝置，其主要起到能量臨時(shí)存儲(chǔ)作用。再生儲(chǔ)能裝置主要有兩種形式：地面儲(chǔ)能設(shè)備與車載儲(chǔ)能設(shè)備，兩者有很大相似性，這里以車載設(shè)備為例進(jìn)行探討，其不僅具有節(jié)能特點(diǎn)，可在制動(dòng)過(guò)程中有效存蓄能量，并用于加速啟動(dòng)與無(wú)電區(qū)域，具有較高的經(jīng)濟(jì)性，而且可緩解軌道電車啟停對(duì)電網(wǎng)的沖擊，還能夠在無(wú)電狀態(tài)下，直接驅(qū)動(dòng)機(jī)車短時(shí)運(yùn)行，增大列車操作靈活性。

4.2 永磁同步牽引系統(tǒng)

在牽引供電系統(tǒng)中，先進(jìn)的永磁同步牽引系統(tǒng)具有更大的應(yīng)用前景。1）更加高效節(jié)能，用于采用的是永磁設(shè)備，省去了常規(guī)異步電機(jī)中的勵(lì)磁部分，同時(shí)還降低了電機(jī)的銅損與鐵耗，可節(jié)約10%的能耗。2）具有功率密度的優(yōu)勢(shì)，由于省去了勵(lì)磁裝置，使得牽引系統(tǒng)中永磁電機(jī)可做到更小的尺寸，通常縮減程度可達(dá)20%～30%，進(jìn)而達(dá)到更高的功率密度，而且還有轉(zhuǎn)矩優(yōu)勢(shì)，可以為機(jī)車提供更強(qiáng)勁動(dòng)力。此外，永磁同步電機(jī)一般會(huì)采取全封閉的設(shè)計(jì)方式，噪聲小，且免清掃。

4.3 輕量化設(shè)計(jì)

對(duì)于城市軌道交通來(lái)說(shuō)，其功率密度的提高可顯著降低機(jī)車能耗，而這可通過(guò)輕量化設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于牽引供電系統(tǒng)在機(jī)車中同樣有配套設(shè)施，也是機(jī)車載重一部分，對(duì)機(jī)車內(nèi)供電系統(tǒng)予以輕量化設(shè)計(jì)，可以起到節(jié)約電能作用。1）高頻化，可借助更加先進(jìn)的功率器件，或?qū)ζ溥M(jìn)行優(yōu)化，通常來(lái)說(shuō)就是對(duì)常規(guī)電容、電抗等感性器件替換為高頻功率器件，可使機(jī)組配重顯著降低，達(dá)到輕量化設(shè)計(jì)目的。2）箱體的輕量化設(shè)計(jì)，對(duì)于軌道列車來(lái)說(shuō)，車載變流器箱體的重量往往較大，而常規(guī)鋼鐵結(jié)構(gòu)較為笨重，更為先進(jìn)的有鋁合金箱體，不僅耐腐蝕，而且有輕量化優(yōu)勢(shì)。

4.4 新型半導(dǎo)體器件的應(yīng)用

近年來(lái)，常規(guī)硅材料的半導(dǎo)體在性能開(kāi)發(fā)上也達(dá)到了極致，上升空間較為有限，而Si C材料被視作半導(dǎo)體領(lǐng)域革命性的創(chuàng)新，相較于硅材料有顯著優(yōu)勢(shì)，不僅在開(kāi)關(guān)速度上有所提升，而且器件自身?yè)p耗更低，對(duì)作業(yè)環(huán)境下高溫耐受能力更佳，也能較好解決常規(guī)器件的關(guān)斷拖尾電流問(wèn)題，也就是說(shuō)，通過(guò)應(yīng)用Si C器件，能夠達(dá)到更高開(kāi)關(guān)頻率，使電能轉(zhuǎn)換質(zhì)量更高，而且整體結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，減小對(duì)器件工作中冷卻的要求，使其具有輕量化的特點(diǎn)，當(dāng)其與牽引供電系統(tǒng)結(jié)合，可對(duì)軌道交通帶來(lái)更高的供電可靠性與經(jīng)濟(jì)性。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，牽引供電系統(tǒng)在軌道交通中發(fā)揮重要支撐性作用，無(wú)論是直流還是交流牽引供電系統(tǒng)均要保證設(shè)計(jì)合理性，從變電站規(guī)劃、接觸網(wǎng)建設(shè)到供電保護(hù)裝置等，全方位地做好牽引供電系統(tǒng)的安全保障工作。同時(shí)，科技發(fā)展也帶動(dòng)牽引系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步，如再生制動(dòng)儲(chǔ)能吸收裝置、永磁同步電機(jī)、新型半導(dǎo)體器件等，將引領(lǐng)軌道交通牽引供電系統(tǒng)建設(shè)的新方向。

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