簡(jiǎn)談城市軌道交通交流牽引供電系統(tǒng)及其關(guān)鍵技術(shù)論文
干線鐵路、地鐵和輕軌的牽引供電系統(tǒng)主要采用3種電流制：直流制、低頻單相交流制和工頻單相交流制。3種電流制各具特點(diǎn)，而其相對(duì)優(yōu)越性往往又隨著電工基本技術(shù)的發(fā)展而有所改變。發(fā)展到今天，除了低頻單相交流制僅僅應(yīng)用于德國(guó)及周邊個(gè)別國(guó)家干線鐵路外，世界各國(guó)廣泛使用直流制和工頻單相交流制，并且直流制主要用于城市地鐵和輕軌，工頻單相交流制主要用于干線鐵路，綜合自動(dòng)化程度也越來(lái)越高。
以地鐵和輕軌為主要代表的城市軌道交通具有行車密度大、啟停頻繁等突出特點(diǎn)，其牽引供電系統(tǒng)采用直流制的主要優(yōu)點(diǎn)是接觸網(wǎng)無(wú)分相、列車運(yùn)行順暢，缺點(diǎn)是存在迷流（雜散電流）并產(chǎn)生長(zhǎng)期不良影響。迷流的防護(hù)措施復(fù)雜，代價(jià)大，效果有限，可謂防不勝防。
除了歐洲和蘇聯(lián)部分干線鐵路保有直流制外，20世紀(jì)60年代后新建的干線鐵路，特別是高速、重載鐵路，無(wú)一例外都采用工頻單相交流制，優(yōu)點(diǎn)是供電能力強(qiáng)，建設(shè)費(fèi)用低，能滿足大運(yùn)量需求，不存在直流制那樣的迷流，再生制動(dòng)電能可以得到直接、高效利用；缺點(diǎn)是為減小負(fù)序影響須換相接入公用電網(wǎng)而產(chǎn)生分相，對(duì)列車供電造成斷點(diǎn)，故隨著列車提速，往往需要采取專門的自動(dòng)過(guò)分相措施，另一個(gè)缺點(diǎn)是牽引負(fù)荷的諧波電流會(huì)在鄰近通信線中產(chǎn)生電磁干擾，但隨著通信的光纜化，干擾防護(hù)已不成問(wèn)題。
1電纜牽引網(wǎng)
本文提出用于城市軌道交通的一種工頻單相交流牽引供電系統(tǒng)，它由主變電所（MSS）和電纜牽引網(wǎng)（CTN）組成。電纜牽引網(wǎng)包括雙芯電纜（DCC）、牽引變壓器（TT）和接觸網(wǎng)（OCS）、鋼軌（R）等。
雙芯電纜由供電芯線（FC）、回流芯線（RC）、保護(hù)層（PL）等組成，也可以用同軸電纜（CC）；牽引變壓器為單相接線；雙芯電纜和接觸網(wǎng)平行架設(shè)；牽引變壓器原邊繞組并接于雙芯電纜的供電芯線和回流芯線之間，牽引變壓器次邊繞組并接于接觸網(wǎng)和鋼軌之間，牽引變壓器按一定間隔沿雙芯電纜和接觸網(wǎng)分布；通過(guò)相鄰的牽引變壓器把雙芯電纜的供電芯線與接觸網(wǎng)并聯(lián)，把回流芯線與鋼軌并聯(lián)；列車在接觸網(wǎng)與鋼軌之間受電。
2牽引網(wǎng)分段供電、狀態(tài)辨識(shí)與保護(hù)
如上所述，電纜牽引網(wǎng)具有輸電能力強(qiáng)、輸電距離長(zhǎng)的特點(diǎn)，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，特別是上、下行牽引網(wǎng)及備用電纜并聯(lián)運(yùn)行時(shí)的結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，為避免一處發(fā)生故障導(dǎo)致系統(tǒng)故障從而降低系統(tǒng)可靠性和可用度，聯(lián)系到高速鐵路的全并聯(lián)AT供電系統(tǒng)分段供電與測(cè)控方法的分析和試驗(yàn)研究成果，分段供電對(duì)及時(shí)切除故障，限制故障在最小范圍進(jìn)而把故障影響降低到最低程度是非常有效的。
電纜和接觸網(wǎng)可分別分段，亦可集中于一處分段，為方便起見(jiàn)，集中分段宜設(shè)在牽引變壓器處并設(shè)置為牽引變電所（SS，簡(jiǎn)稱牽引所）。牽引所i包括35kV電纜進(jìn)線與主結(jié)線、牽引變壓器、牽引母線、饋線、饋線斷路器Ki、分饋線及其斷路器等，牽引所i出口應(yīng)就近設(shè)置接觸網(wǎng)分段器Si，Si串接在接觸網(wǎng)中，能使列車不間斷帶電通過(guò)。因此，牽引所i還包括與Si并聯(lián)的分饋線斷路器Ki1、Ki2及其電流互感器（測(cè)量電流分別記為Ii1和Ii2），以及連接于Si處的電壓互感器（測(cè)量接觸網(wǎng)電壓記為Ui）。
3主變電所供電方案
主變電所的供電方案取決于所供電的地鐵、輕軌線路的數(shù)目及其相對(duì)位置。
3。11條線路情形
如果僅給一條線路供電，主變電所盡可能選址于靠近線路中間的位置，向這條線路雙側(cè)的牽引網(wǎng)供電，主變電所供電方案如圖5所示。受條件所限時(shí)，主變電所可能設(shè)置于線路一端，即采用單側(cè)供電，見(jiàn)圖1。其中主變電所采用單相主牽引變壓器（MTT）和負(fù)序補(bǔ)償裝置（NCD）組合供電，對(duì)負(fù)序進(jìn)行集中治理，如圖6所示，還包括用于動(dòng)力、照明供電的電力變壓器等（圖中未畫出，下同）。負(fù)序補(bǔ)償裝置由高壓匹配變壓器（HMT）、交直交變流器（ADA）、牽引匹配變壓器（TMT）等構(gòu)成。向雙側(cè)供電可以比單側(cè)供電延長(zhǎng)1倍供電長(zhǎng)度，而供電長(zhǎng)度相同時(shí)，向雙側(cè)供電更節(jié)約電纜材料，其牽引網(wǎng)的電能損失也更低。
需要說(shuō)明的是，這里的負(fù)序補(bǔ)償廣義上應(yīng)為對(duì)稱補(bǔ)償。依文獻(xiàn)所述，對(duì)稱補(bǔ)償是包括負(fù)序補(bǔ)償和無(wú)功補(bǔ)償?shù)娜唷獑蜗鄬?duì)稱變換，由于所使用的交直交列車的功率因數(shù)接近1，無(wú)功補(bǔ)償?shù)哪繕?biāo)已經(jīng)達(dá)到，負(fù)序補(bǔ)償成為主體，故稱負(fù)序補(bǔ)償。從構(gòu)成和原理上講，這里的負(fù)序補(bǔ)償裝置與干線鐵路的同相補(bǔ)償裝置是一樣的，主要靠傳遞有功功率來(lái)補(bǔ)償負(fù)序，如果需要的話，其裝置端口可同樣具有補(bǔ)償無(wú)功、濾除諧波的功能。
3。22條線路情形
如果一個(gè)主變電所供兩條線路的牽引用電，由于每條線路相互獨(dú)立，所用列車互不交叉，為了降低負(fù)序影響，可以像干線鐵路那樣采用三相—兩相平衡接線牽引變壓器。但考慮到可擴(kuò)展性和負(fù)序的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，在圖6基礎(chǔ)上進(jìn)行組合最為方便，為了降低負(fù)序影響和減少負(fù)序補(bǔ)償裝置容量及成本，選擇兩條線路由3相中的2相供電。
圖8中，主牽引變壓器MTTAB原邊接入公用電網(wǎng)A相與B相，即取線電壓UAB，次邊饋線Fab給一條線路供電；主牽引變壓器MTTBC原邊接入公用電網(wǎng)B相與C相，即取線電壓UBC，次邊饋線Fbc給另一條線路供電；用YNd11三相高壓匹配變壓器HMT連接兩套負(fù)序補(bǔ)償裝置，其中負(fù)序補(bǔ)償裝置ADAa與主牽引變壓器MTTBC、饋線Fbc為一組，負(fù)序補(bǔ)償裝置ADAc與主牽引變壓器MTTAB、饋線Fab為另一組。
3。33條線路情形
為了最大限度降低負(fù)序影響，減少負(fù)序補(bǔ)償裝置容量和成本，顯然3條線路應(yīng)由3個(gè)不同的線電壓分別供電。圖9中，主牽引變壓器MTTAB原邊接入電網(wǎng)A相與B相，次邊饋線Fab供出第1條線路，主牽引變壓器MTTBC原邊接入電網(wǎng)B相與C相，次邊饋線Fbc供出第2條線路，主牽引變壓器MTTCA原邊接入電網(wǎng)C相與A相，次邊饋線Fca供出第3條線路，用YNd11三相高壓匹配變壓器HMT連接3套負(fù)序補(bǔ)償裝置，其中負(fù)序補(bǔ)償裝置ADAa與MTTBC、Fab為第1組，負(fù)序補(bǔ)償裝置ADAb與MTTCA、Fca為第2組，負(fù)序補(bǔ)償裝置ADAc與MTTAB、Fab為第3組。
4系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性、可靠性
本文提出的交流牽引供電系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱交流系統(tǒng)）的可靠性、經(jīng)濟(jì)性及技術(shù)性能的優(yōu)劣可以與現(xiàn)行的直流牽引供電系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱直流系統(tǒng)）比較得到。
（1）經(jīng)濟(jì)性
直流系統(tǒng)中牽引供電與動(dòng)力照明合用35kV電纜，交流系統(tǒng)中分開(kāi)使用電纜，不會(huì)增加太多費(fèi)用；交流系統(tǒng)可以省去地鐵沿線的迷流防護(hù)裝置和各個(gè)牽引所的整流機(jī)組及直流開(kāi)關(guān)，省去昂貴的儲(chǔ)能裝置或再生電能反饋裝置，使地鐵的'地下設(shè)備得以簡(jiǎn)化，占地減少；交、直兩個(gè)系統(tǒng)的綜合自動(dòng)化裝置規(guī)模與費(fèi)用相當(dāng)；交流系統(tǒng)要增加主變電所的負(fù)序補(bǔ)償裝置，使用的交直交列車成本高于現(xiàn)行直交列車�？傊涣飨到y(tǒng)一次性成本可能接近直流系統(tǒng)，而交流系統(tǒng)的主變電所安裝容量大大低于各個(gè)牽引所容量總和，可以節(jié)約電力資源和基本電費(fèi)，同時(shí)再生電能可以得到直接、高效利用，進(jìn)一步節(jié)約電度電費(fèi)，這都有利于經(jīng)濟(jì)運(yùn)行并符合節(jié)能減排基本國(guó)策。
（2）可靠性
交流系統(tǒng)省去了直流系統(tǒng)各個(gè)牽引所的整流機(jī)組，減少了串聯(lián)元件，有利于提高系統(tǒng)可靠性；交流斷路器（開(kāi)關(guān)）比直流斷路器便宜、可靠、耐用；分段供電與狀態(tài)辨識(shí)及保護(hù)技術(shù)適用于任意復(fù)雜的供電系統(tǒng)，對(duì)提高系統(tǒng)可靠性作用顯著。負(fù)序補(bǔ)償裝置也有合理的備用，其自身可靠性接近主變電所的主牽引變壓器，即使負(fù)序補(bǔ)償裝置全部短時(shí)退出，牽引變壓器仍可利用其過(guò)負(fù)荷能力正常工作，不影響正常供電。總之，交流系統(tǒng)可靠性更高。
�。�3）適用性
建立在分段供電、狀態(tài)辨識(shí)與保護(hù)技術(shù)之上的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)能更方便地改變牽引供電系統(tǒng)的運(yùn)行方式，日常維護(hù)、維修更靈活、方便。
采用交流系統(tǒng)供電的城市軌道交通，由于兩條及以上線路可以共用一座主變電所，因此一條線路最多只設(shè)一座主變電所，采用集中式供電，與電網(wǎng)的接口大大減少，便于日常管理。
5結(jié)束語(yǔ)
本文提出并討論的交流牽引供電系統(tǒng)有以下突出特點(diǎn)：
（1）采用交流制可以避免直流制的迷流；
�。�2）采用工頻交流制直接接入公用電網(wǎng)可以獲得經(jīng)濟(jì)、可靠、強(qiáng)大的電源；
�。�3）采用電纜可以滿足長(zhǎng)距離、大容量、無(wú)分相供電的要求；
�。�4）采用交直交傳動(dòng)和交流牽引電機(jī)驅(qū)動(dòng)的列車可以實(shí)現(xiàn)更好的牽引性能和再生電能直接利用。這些特點(diǎn)夯實(shí)了本系統(tǒng)在地鐵、輕軌等城市軌道交通中的應(yīng)用基礎(chǔ)。
文章分析了該系統(tǒng)方案的一些關(guān)鍵技術(shù)，其主要工作與結(jié)論有：
�。�1）闡述了電纜牽引網(wǎng)的構(gòu)成、原理、等效電路和輸電能力，35kV電纜與接觸網(wǎng)的匹配技術(shù)，接觸網(wǎng)電壓等級(jí)選擇等。電纜牽引網(wǎng)可以滿足任意一條地鐵、輕軌線路供電容量和供電距離的需求。
�。�2）討論了牽引網(wǎng)分段供電技術(shù)，重點(diǎn)分析了接觸網(wǎng)的分段以及狀態(tài)辨識(shí)與保護(hù)方法。牽引網(wǎng)分段供電技術(shù)可以靈活改變、調(diào)度牽引網(wǎng)運(yùn)行與維修方式，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并切除故障，把故障及其影響限制在最小范圍，大大提高系統(tǒng)可靠性。
（3）除了1條線路供電方案外，還給出了包括2條及以上線路共用1座主變電所的供電方案和負(fù)序補(bǔ)償裝置最小容量計(jì)算方法，使主變電所供電方案達(dá)到最優(yōu)化。
總之，該系統(tǒng)技術(shù)性能優(yōu)良，經(jīng)濟(jì)性好，可靠性高，為地鐵、輕軌為代表的城市軌道交通提供了新的、更好的選擇，值得展開(kāi)更加深入、細(xì)致的研究。
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