電力機(jī)車與城軌車輛雙制式牽引供電系統(tǒng)的研究

任博威

（包頭鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010）

因?yàn)殡妷旱燃?jí)和電流制存在差異，鐵路電力機(jī)車牽引供電系統(tǒng)與城市軌道交通車輛牽引供電系統(tǒng)多使用獨(dú)立的單制式供電，現(xiàn)如今城市軌道交通發(fā)展迅速，電力牽引得到了廣泛的應(yīng)用。本文提出了電力機(jī)車與城軌車輛雙制式牽引供電系統(tǒng)，不但可以確保鐵路電力牽引車輛供電，同時(shí)能夠?yàn)槌鞘熊壍澜煌ㄜ囕v供電，避免重復(fù)建設(shè)、資源浪費(fèi)等問(wèn)題。

一、雙制式牽引供電

（一）重要性

根據(jù)可持續(xù)發(fā)展的要求，鐵路行業(yè)的發(fā)展不但需要注重路網(wǎng)主通道的建設(shè)，還需要加強(qiáng)對(duì)新型技術(shù)的應(yīng)用，促進(jìn)鐵路電氣化改造進(jìn)程，滿足能源結(jié)構(gòu)調(diào)整要求。同時(shí)城市地鐵建設(shè)發(fā)展迅速，電力遷移具備便捷、節(jié)能、高效的優(yōu)勢(shì)，得到了城市軌道交通的廣泛應(yīng)用，進(jìn)入了飛速發(fā)展的階段。因?yàn)閮烧唠妷旱燃?jí)和電流制存在差異，需要各自采取獨(dú)立單制式供電，在兩者牽引過(guò)渡困難位置，需要對(duì)兩種車輛進(jìn)行試車的車輛廠、雙制式牽引供電系統(tǒng)或者部分鐵路現(xiàn)有牽引變電所進(jìn)行改造，保證其能夠共同對(duì)二者供電，改設(shè)計(jì)方法有助于實(shí)現(xiàn)環(huán)境、資源與承載能力的有效協(xié)調(diào)，符合社會(huì)發(fā)展要求，避免重復(fù)建設(shè)、資源浪費(fèi)問(wèn)題，對(duì)于推動(dòng)電氣化鐵道供電系統(tǒng)的建設(shè)和發(fā)展具有重要意義[1]。

（二）設(shè)計(jì)思路

1.雙制式牽引供電系統(tǒng)的主要供電方式為交直流雙制式供電，不但能夠保證鐵路電力牽引車輛的交流通電，同時(shí)也能夠?qū)Τ鞘熊壍澜煌ㄜ囕v進(jìn)行直流供電；2.鐵路電力機(jī)車受電電源為工頻單相交流電，城市軌道交通車輛為直流電；3.交流、直流供電共同使用一個(gè)主變壓器；4.全面研究城軌車輛直流供電系統(tǒng)交流電源；5.研究城軌車輛直流供電系統(tǒng)整流設(shè)備的選擇；6.城軌車輛直流供電系統(tǒng)接觸網(wǎng)符合較大直流電流設(shè)計(jì)要求；7.交流、直流供電設(shè)置閉鎖功能，確保根據(jù)需求供電；8.保證雜散電流防護(hù)和接地系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

（三）設(shè)計(jì)原則

1.鐵路電力機(jī)車和城市軌道交通車輛分別使用27.5kV 工頻單相交流電和1500V 直流電；2.直流牽引供電系統(tǒng)不需要另外設(shè)置交流、直流用電系統(tǒng)，通過(guò)交流供電系統(tǒng)供電；3.交流供電參照完善的牽引供電技術(shù)；4.交流供電系統(tǒng)和直流供電系統(tǒng)共用一套接觸網(wǎng)；5.設(shè)置閉鎖功能，為正常供電提供保障；6.雜散電流防護(hù)和接地系統(tǒng)的可靠性；7.選擇質(zhì)量性能良好的設(shè)備材料，保障直流設(shè)備技術(shù)性的先進(jìn)性。

二、雙制式牽引變電所

（一）交流牽引供電方式設(shè)計(jì)

交流牽引供電系統(tǒng)的主要組成部分為110kV 進(jìn)線斷路器、牽引變壓器以及饋線斷路器等，對(duì)電力系統(tǒng)提供的110kV 電源進(jìn)行降壓處理，降壓到27.5kV，提供至接觸網(wǎng)，作為鐵路電力機(jī)車的牽引電源。對(duì)斷路器進(jìn)行分析，六氟化硫斷路器和真空斷路器效果理想。繼電器不僅包括機(jī)電型，同時(shí)使用晶體管型與集成電路型繼電保護(hù)，微型計(jì)算機(jī)繼電保護(hù)也得到了廣泛應(yīng)用[2]。牽引供電系統(tǒng)對(duì)電力機(jī)車的供電方式不僅包括直接供電法，同時(shí)還具有BT 供電法、AT 供電法以及帶架空回流線直接供電法[3]。

對(duì)交流牽引供電系統(tǒng)主接線進(jìn)行設(shè)計(jì)，本次研究使用兩種接線方法，主要為單線帶架空回流線的單相V/V 接線直接供電法牽引變電所以及雙線區(qū)段三相接線供電法的牽引變電所。

（二）直流牽引供電方式設(shè)計(jì)

直流牽引供電系統(tǒng)的主要組成部分包括交流進(jìn)線、整流機(jī)組及其他配套設(shè)施，對(duì)交流電源進(jìn)行降壓處理，整流為直流1500V，提供至接觸網(wǎng)，將其當(dāng)作城市軌道交通車輛牽引電源。對(duì)直流牽引供電系統(tǒng)存在的問(wèn)題進(jìn)行分析，因?yàn)檫M(jìn)行整流作業(yè)導(dǎo)致?tīng)恳冸娝呌趶?fù)雜，直流牽引電動(dòng)機(jī)額定電壓因?yàn)槭艿綋Q向條件的影響，不能太高，因此牽引網(wǎng)電壓無(wú)法提高，因此需要沿牽引網(wǎng)進(jìn)行大量電流的輸送，達(dá)到供應(yīng)城市軌道交通車輛的目的。但是牽引電流增加導(dǎo)致接觸網(wǎng)導(dǎo)線截面增加，需要選擇適應(yīng)較大電流的接觸線和承力索，進(jìn)而導(dǎo)致?tīng)恳W(wǎng)電壓和電能損失嚴(yán)重。本次設(shè)計(jì)的直流牽引供電系統(tǒng)的交流進(jìn)線電壓能夠采取三相27.5kV 電源，可以直接使用單相27.5kV 電源，引進(jìn)10kV 電源。因?yàn)橹绷鳡恳╇娤到y(tǒng)具有較多電源引入方案，同時(shí)具有較多電壓調(diào)整方案。因此制定下述兩種牽引變電所主接線設(shè)計(jì)方案。（1）通過(guò)10kV 電源建立直流牽引站。站內(nèi)分別設(shè)置兩臺(tái)整流變壓器和整流器，10kV 三相電源通過(guò)整流變降壓供給兩臺(tái)六相、十二脈波或者二十四脈波整流器，并聯(lián)運(yùn)行提供直流電。該方案的優(yōu)勢(shì)在于技術(shù)相對(duì)完善，供電和變流方式同現(xiàn)行地鐵、輕軌相同。（2）通過(guò)交流備用27.5kV 電源，建立直流牽引站。牽引變電所的直流牽引供電部位設(shè)置單相三線圈整流變壓器，對(duì)27.5kV 單相電源進(jìn)行降壓處理，提供兩臺(tái)四相橋式整流器，通過(guò)LC 電路平波整形反饋出直流電。該方案交流與直流電都是應(yīng)用較為廣泛的方案，設(shè)備屬于標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備。但是不足在于單相整流，具有一定的諧波含量，需要增設(shè)27.5kV 高壓開(kāi)關(guān)柜，控制室和高壓室中設(shè)備十分復(fù)雜。

（三）雙制式牽引供電方案對(duì)比

對(duì)上述交流、直流供電方案進(jìn)行整合，能夠得到下述幾種雙制式供電方案。（1）交流牽引使用V/V 接線的牽引變電所，通過(guò)對(duì)交流備用10kV電源的使用，建立直流牽引站；（2）交流牽引使用V/V 接線的牽引變電所，通過(guò)對(duì)交流備用27.5kV 電源的使用，建立直流牽引站；（3）交流牽引使用YN、d11 接線的牽引變電所，通過(guò)對(duì)交流備用10kV 電源的使用，建立直流牽引站；（4）交流牽引使用YN、d11 接線的牽引變電所，通過(guò)對(duì)交流備用27.5kV 電源的使用，建立直流牽引站。四種方案在技術(shù)性、經(jīng)濟(jì)性方面均存在一定的差異，特點(diǎn)各不相同。對(duì)交流牽引使用V/V 接線的牽引變電所來(lái)說(shuō)，需要使用方案1 和方案2，對(duì)交流牽引使用YN、d11 的三相110/27.5kV 主變壓器的牽引變電所來(lái)說(shuō)，需要使用方案2 和方案4。對(duì)諧波影響進(jìn)行分析，方案2 和方案4 的影響程度較高，方案1 和方案3 因?yàn)槟軌蚴褂枚嘞嗾鳎虼擞绊懗潭容^低。通過(guò)全面分析，從技術(shù)可行性方面進(jìn)行分析，四種方案均具有良好的效果，以牽引變電所基本功能和為用電發(fā)展預(yù)留條件為基礎(chǔ)，本次設(shè)計(jì)建議采取方案3，對(duì)改造的雙制式供電牽引變電所來(lái)說(shuō)，可以結(jié)合具體情況，根據(jù)上述方案合理選擇。

（四）設(shè)備的選擇

首先，對(duì)牽引變電所容量計(jì)算和選擇。對(duì)供電系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，牽引變壓器是其主要設(shè)備，其容量大小對(duì)于運(yùn)輸任務(wù)和成本有決定性影響[4]。如果容量較小會(huì)對(duì)牽引變壓器壽命造成影響，容量較大會(huì)增加損耗，使成本增加。因此需要準(zhǔn)確明確計(jì)算條件，合理確定牽引變壓器額定容量。其次，進(jìn)行整流變壓器選擇時(shí)。需要保證其具有良好的防火性能、耐潮性能、損耗低、噪音小、體積小。其中環(huán)氧樹(shù)脂澆注干式變壓器效果理想，具有較強(qiáng)的防災(zāi)性能和抗突發(fā)短路能力，同時(shí)環(huán)氧樹(shù)脂屬于一種極其穩(wěn)定的化學(xué)材料，具有防塵、防潮的特點(diǎn)，在惡劣的環(huán)境下仍然可以運(yùn)用，并且體積較小，為安裝調(diào)試提供巨大的便利[5]。

三、結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本文主要對(duì)雙制式牽引供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行研究，對(duì)各種方案進(jìn)行全方位對(duì)比，明確最優(yōu)方案，使其能夠?yàn)殍F路電力牽引車輛和城市軌道交通車輛進(jìn)行用電，有效提供工作效率，降低成本。同時(shí)在進(jìn)行設(shè)備選擇的過(guò)程中，需要保證其質(zhì)量性能達(dá)標(biāo)，符合工作要求，推動(dòng)電氣化鐵道供電系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展。