軌道交通非接觸供電技術的工程應用探討

張鵬

摘 要：本文介紹了應用于交通領域的幾種非接觸供電系統(tǒng)的原理與構成，并綜述了各種應用場景下對非接觸供電技術的需求，最終比選確定可用于工程實際的非接觸供電技術，并給出了幾種應用構想。

關鍵詞：非接觸供電;軌道交通;應用

0 引言

現(xiàn)有的軌道交通，例如高鐵、地鐵、輕軌、低速磁懸浮列車、有軌電車等，其受電方式多采用地面鋪設第三供電軌或空中架設供電網等接觸式供電方案，但接觸式供電帶來如下問題：

（1）系統(tǒng)可靠性、安全性較差，維護繁雜。

（2）速度難以進一步提升。

（3）影響城市景觀，產生視覺污染。

（4）難以適應未來磁浮交通發(fā)展方向。

綜上所述，未來的軌道交通對速度和環(huán)境的友好均提出更高的要求，傳統(tǒng)接觸網很難滿足。這就需要新一代的供電技術來適應這些變化，它應具備以下幾點特征：

（1）能達到更高的運行速度和更高的可靠性。

（2）能運用于磁浮和輪軌交通。

（3）不低于現(xiàn)有接觸網的傳輸功率。

（4）具有更小的安裝體積，盡量對環(huán)境不造成視覺上的影響。

要達成以上目標，就需要采用非接觸供電技術。

1 非接觸供電系統(tǒng)原理與特點

非接觸供電技術（Contactless Power Transfer，CPT）是借助空間電場或磁場將能量從發(fā)射端以無電氣連接的形式傳遞至接收端的全新電能傳輸技術，非接觸供電技術根據其原理，主要分為電磁感應式（Inductive Power Transfer， IPT）和電場耦合式（Electric Field Power Transfer， EPT）兩大類。

電磁感應方式非接觸供電是通過電場與磁場之間的轉換，利用磁場在兩個線圈之間建立耦合關系或交變磁場來傳輸能量，這種傳輸方式根據其原理還分為“齒諧波直線發(fā)電機”（linear generator， LG）和“空心變壓器”（Inductive Power Transfer ， IPT）。本文主要討論基于LG技術和IPT技術的非接觸供電技術在軌道交通中的應用。

1.1 LG型非接觸供電技術原理與特點

齒諧波直線發(fā)電機是目前少數投入實用的軌道交通非接觸供電系統(tǒng)，它最成功的應用案例是德國的TR-08高速磁浮（即上海高速磁浮）。TR-08磁懸浮列車采用有鐵芯長定子同步直線電機作為推進系統(tǒng)和懸浮系統(tǒng)。由于同步直線電機的齒槽效應，當磁浮列車行駛時，除了具有與列車運行速度一致的基本平移速度分量外，還存在著相于列車運行速度5倍及更高倍的平移速度分量，這就是齒諧波。

由于這些相對運動速度更高的齒諧波與發(fā)電機定子線圈存在相對運動，它將在發(fā)電機定子線圈中感應電勢。隨著列車運行速度的提高，該感應電勢頻率及幅值成比例上升。當列車達到一定速度時， 該感應電勢可提供足夠的電能，以供車體用電。

具體到上海高速磁浮運營線，當列車速度達到100 km時，每節(jié)列車傳輸功率約180 kW。

基于齒諧波直線發(fā)電機的LG型CPT系統(tǒng)具有以下的工程應用特點：

（1）系統(tǒng)需要具備長定子的同步直線電機結構，才能利用地面初級繞組勵磁時產生的齒諧波效應。

（2）對初級和次級之間的氣隙要求較高，需要達到10 mm級別。

（3）高次諧波在次級中產生的感生電動勢僅在列車前進的過程中會產生。

（4）基于齒諧波直線發(fā)電機的非接觸供電裝置能量傳輸功率較小。

1.2 IPT型非接觸供電技術原理與特點

IPT型非接觸供電技術，也稱“空心變壓器”是基于電磁感應的非接觸供電技術，其工作原理是利用磁場在兩個線圈之間建立耦合關系來傳輸能量，當原邊通入交變電流時，在原邊與次變線圈之間產生交變的磁場，該交變磁場在次級線圈中產生隨磁場變化的感應電動勢，提供給次邊負載，最后經電力電子變換后直接輸出給用電設備，從而實現(xiàn)電能的無線傳輸。

在軌道交通IPT系統(tǒng)應用中，需要敷設線圈的線路長度以km計，單根導線不可能完成整個系統(tǒng)一次側線圈敷設。為提高系統(tǒng)效率，一次側線圈可采用分段敷設形式。

一個典型的軌道交通IPT系統(tǒng)包含以下幾個主要部分構成：IPT整流逆變機組、IPT磁耦合機構（地面發(fā)射線圈、車載拾取線圈）、IPT補償裝置。

IPT型CPT系統(tǒng)具有以下的工程應用特點：

（1）電能傳輸采用電磁感應LC耦合方式，不依賴直線電機，傳輸功率較大（500 kW～1 000 kW）。

（2）允許初級和次級再各方向存在一定的位移，這種空間位置上的松耦合特性非常適合于動磁懸浮列車和傳統(tǒng)的輪軌交通。

（3）空心變壓器的漏磁較大，因此必須考慮交變磁場對周圍其他金屬結構體的影響。

（4）系統(tǒng)的工作效率受到逆變器效率、補償形式和補償算法的影響，是比較復雜的電氣設備。

IPT系統(tǒng)最為成功的應用是龐巴迪Flexity2有軌電車在德國奧格斯堡項目中采用的“Primove”三相地面繞組線圈，線圈分為5段，該系統(tǒng)最大傳輸功率為250 kW。

此外韓國鐵道科學研究院（KAIST）研制的應用于驅動高鐵的1 MW無接觸電能傳輸系統(tǒng)，一次側采用單相線圈，單段線圈長度128 m，二次側采用4個并聯(lián)接收線圈向負載供電，亦取得了成功。

1.3 CPT技術的性能與安裝條件

根據前文總結，應用于軌道交通的CPT技術主要有齒諧波直線發(fā)電機（LG）型和空心變壓器（IPT）這2種主要模式，他們的電氣性能和安裝條件如下：

2 非接觸供電技術的應用分析

2.1 非接觸供電的工程應用場景

對CPT的工程應用分析首先明確其使用場景，以及在對應的應用場景下，對系統(tǒng)的性能需求，并針對不同技術路線的CPT裝置的進行比選。軌道交通領域的使用場景主要有2類：第一類是磁浮軌道交通;第二類是傳統(tǒng)的輪軌交通。

2.1.1 EMS型高速磁浮系統(tǒng)

高速磁浮列車，一般采用長定子繞組同步直線電機，其電力牽引的主要功率施加在地面繞組上。根據上海高速磁浮示范線情況，現(xiàn)有的5輛編組計算，列車的最大動照需求功率在1 500 kW左右。

在安裝空間方面，直線發(fā)電機線圈（LG系統(tǒng)）就位于懸浮磁鐵表面。同時，還可以在車體轉向架下方，軌道梁兩側德國的TR-08磁浮列車后續(xù)車型就試驗過采用IPT系統(tǒng)為低速段供電，代替原先的剛性接觸軌。

2.1.2 EMS低速磁浮系統(tǒng)

低速磁浮列車一般采用短定子異步直線電機，其牽引動力側主要在車輛側，對系統(tǒng)傳輸功率要求更高。短定子的直線電機也決定低速磁浮無法使用LG型CPT裝置。同時，由于其采用常導吸力磁浮，一般在軌道梁兩側設置F型懸浮磁鐵，因此IPT裝置的設置位置還需要考慮電磁感應與相鄰金屬結構的影響。

根據相關資料，某典型的3輛編組低速EMS磁浮列車（Mc1+M+Mc2），最大功率需求約2 000 kW。

安裝方面，線圈安裝于車輛底部的梁體上時，需對軌道梁中部金屬結構物進行電磁屏蔽，以免產生過大的渦流損耗。同時還需要調整梁體上信號測速用的交叉電纜，以免產生電磁干擾。另一種思路是設置于軌道梁側面原用于安裝接觸軌的位置，此處遠離其他設備設施，安裝條件較好。

2.1.3 有軌電車

現(xiàn)代有軌電車是一種中低運量軌道交通系統(tǒng)， 因其地面設置的特點，既需要考慮供電的可靠性、安全性，也需要考慮城市的美觀化要求，比較合適采用非接觸供電系統(tǒng)。

根據相關資料，以3節(jié)編組的有軌電車為例（Mc1-T-Mc2），其最大功率為約800 kW～900 kW。

安裝方面，現(xiàn)代有軌電車軌道一般采用路面設置。因此，一般采用IPT供電裝置的有軌電車，其供電裝置的設備位置位于車輛底部，兩軌道中間的位置。這樣布置無論對空間利用還是電磁耦合方面的影響都是十分有利的。

2.2 非接觸供電技術的適用性比選

非接觸供電系統(tǒng)應用于工程實際的核心問題主要有3個方面：（1）電氣性能參數是否滿足要求;（2）安裝是否具備條件;（3）經濟性是否合理。

通過上述的列表分析可以看出，空心變壓器技術在全領域具有更好適用性，但經濟性較差，這主要由于其需要單獨敷設繞組，增加了投資。

3 幾種CPT系統(tǒng)的工程應用構想

3.1 在高速EMS磁浮中引入IPT系統(tǒng)

高速磁浮系統(tǒng)可以通過搭配IPT系統(tǒng)對LG系統(tǒng)進行補充，在低速段設置IPT繞組向車輛供電。高速磁浮本身動照功率較低，總功率約1 000 kW。IPT逆變器和補償設備電源可以從中壓環(huán)網的軌旁牽引變電所的直流饋線引出，在磁浮列車靠近車站兩側的低速段上分段設置IPT繞組。系統(tǒng)框圖如下（圖4）：

IPT繞組的分段原則與長定子繞組一致，應按照不小于2倍的車長設置。由于IPT繞組不參與牽引，其換步過程對車輛的行駛沒有體感方面的影響，因此可以采用較為經濟合理的“跳蛙法”來節(jié)省饋線電纜數量。

3.2 有軌電車系統(tǒng)中全線采用IPT系統(tǒng)

有軌電車的牽引供電功率一般低于1 000 kW，比較適合采用IPT系統(tǒng)。全線設置IPT線圈時，由于IPT的分段繞組是不互相連接的，因此在IPT逆變器或者上級牽引所退出運行時，由相鄰的IPT逆變器或者牽引所提供支援，這就需要在IPT逆變器上一級設置直流饋線，以防牽引所整流機組退出運行。同時還需在兩個相鄰IPT繞組段的饋線電纜間設置聯(lián)絡開關，以防止IPT逆變器故障。系統(tǒng)框圖如圖5。

同樣的，這種IPT繞組的分段原則，應按照不小于2倍的車長設置，換步可采用較為經濟合理的“跳蛙法”來節(jié)省饋線電纜數量。

4 結語

本文綜述了LG和IPT兩種非接觸移動供電技術的性能、安裝特點，并重點論述了不同場景下的適用性。可以看到，IPT模式非接觸供電具有更廣泛的適用性和相對更簡單的地面繞組，是未來非常具有應用前景的CPT技術，應進一步加以研究。

參考文獻：

[1]王立天，李力鵬.高速磁懸浮牽引供電系統(tǒng)[M].北京交通大學出版社，2014.

[2]薛琦.高速磁浮列車無接觸式受流系統(tǒng)的研究田[D].西南交通大學，2013.

[3]武瑛.新型無接觸供電系統(tǒng)的研究[D].中國科學院研究電工所，2004.

[4]金熙宰，李秉憲，李俊昊，等.高速列車1 MW感應功率傳輸系統(tǒng)的開發(fā)[J].西鐵科技，2015（3）：43-48.