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簡(jiǎn)談城市軌道交通交流牽引供電系統及其關(guān)鍵技術(shù)論文
干線(xiàn)鐵路、地鐵和輕軌的牽引供電系統主要采用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)，而其相對優(yōu)越性往往又隨著(zhù)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用于德國及周邊個(gè)別國家干線(xiàn)鐵路外，世界各國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(xiàn)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(chē)密度大、啟停頻繁等突出特點(diǎn)，其牽引供電系統采用直流制的主要優(yōu)點(diǎn)是接觸網(wǎng)無(wú)分相、列車(chē)運行順暢，缺點(diǎn)是存在迷流（雜散電流）并產(chǎn)生長(cháng)期不良影響。迷流的防護措施復雜，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(xiàn)鐵路保有直流制外，20世紀60年代后新建的干線(xiàn)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，建設費用低，能滿(mǎn)足大運量需求，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)是為減小負序影響須換相接入公用電網(wǎng)而產(chǎn)生分相，對列車(chē)供電造成斷點(diǎn)，故隨著(zhù)列車(chē)提速，往往需要采取專(zhuān)門(mén)的自動(dòng)過(guò)分相措施，另一個(gè)缺點(diǎn)是牽引負荷的諧波電流會(huì )在鄰近通信線(xiàn)中產(chǎn)生電磁干擾，但隨著(zhù)通信的光纜化，干擾防護已不成問(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，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(xiàn)（FC）、回流芯線(xiàn)（RC）、保護層（PL）等組成，也可以用同軸電纜（CC）；牽引變壓器為單相接線(xiàn)；雙芯電纜和接觸網(wǎng)平行架設；牽引變壓器原邊繞組并接于雙芯電纜的供電芯線(xiàn)和回流芯線(xiàn)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(xiàn)與接觸網(wǎng)并聯(lián)，把回流芯線(xiàn)與鋼軌并聯(lián)；列車(chē)在接觸網(wǎng)與鋼軌之間受電。
2牽引網(wǎng)分段供電、狀態(tài)辨識與保護
如上所述，電纜牽引網(wǎng)具有輸電能力強、輸電距離長(cháng)的特點(diǎn)，但結構復雜，特別是上、下行牽引網(wǎng)及備用電纜并聯(lián)運行時(shí)的結構更為復雜，為避免一處發(fā)生故障導致系統故障從而降低系統可靠性和可用度，聯(lián)系到高速鐵路的全并聯(lián)AT供電系統分段供電與測控方法的分析和試驗研究成果，分段供電對及時(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)，集中分段宜設在牽引變壓器處并設置為牽引變電所（SS，簡(jiǎn)稱(chēng)牽引所）。牽引所i包括35kV電纜進(jìn)線(xiàn)與主結線(xiàn)、牽引變壓器、牽引母線(xiàn)、饋線(xiàn)、饋線(xiàn)斷路器Ki、分饋線(xiàn)及其斷路器等，牽引所i出口應就近設置接觸網(wǎng)分段器Si，Si串接在接觸網(wǎng)中，能使列車(chē)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(xiàn)斷路器Ki1、Ki2及其電流互感器（測量電流分別記為Ii1和Ii2），以及連接于Si處的電壓互感器（測量接觸網(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(xiàn)路的數目及其相對位置。
3。11條線(xiàn)路情形
如果僅給一條線(xiàn)路供電，主變電所盡可能選址于靠近線(xiàn)路中間的位置，向這條線(xiàn)路雙側的牽引網(wǎng)供電，主變電所供電方案如圖5所示。受條件所限時(shí)，主變電所可能設置于線(xiàn)路一端，即采用單側供電，見(jiàn)圖1。其中主變電所采用單相主牽引變壓器（MTT）和負序補償裝置（NCD）組合供電，對負序進(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(huà)出，下同）。負序補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）等構成。向雙側供電可以比單側供電延長(cháng)1倍供電長(cháng)度，而供電長(cháng)度相同時(shí)，向雙側供電更節約電纜材料，其牽引網(wǎng)的電能損失也更低。
需要說(shuō)明的是，這里的負序補償廣義上應為對稱(chēng)補償。依文獻所述，對稱(chēng)補償是包括負序補償和無(wú)功補償的三相—單相對稱(chēng)變換，由于所使用的交直交列車(chē)的功率因數接近1，無(wú)功補償的目標已經(jīng)達到，負序補償成為主體，故稱(chēng)負序補償。從構成和原理上講，這里的負序補償裝置與干線(xiàn)鐵路的同相補償裝置是一樣的，主要靠傳遞有功功率來(lái)補償負序，如果需要的話(huà)，其裝置端口可同樣具有補償無(wú)功、濾除諧波的功能。
3。22條線(xiàn)路情形
如果一個(gè)主變電所供兩條線(xiàn)路的牽引用電，由于每條線(xiàn)路相互獨立，所用列車(chē)互不交叉，為了降低負序影響，可以像干線(xiàn)鐵路那樣采用三相—兩相平衡接線(xiàn)牽引變壓器。但考慮到可擴展性和負序的動(dòng)態(tài)補償，在圖6基礎上進(jìn)行組合最為方便，為了降低負序影響和減少負序補償裝置容量及成本，選擇兩條線(xiàn)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(xiàn)電壓UAB，次邊饋線(xiàn)Fab給一條線(xiàn)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(xiàn)電壓UBC，次邊饋線(xiàn)Fbc給另一條線(xiàn)路供電；用YNd11三相高壓匹配變壓器HMT連接兩套負序補償裝置，其中負序補償裝置ADAa與主牽引變壓器MTTBC、饋線(xiàn)Fbc為一組，負序補償裝置ADAc與主牽引變壓器MTTAB、饋線(xiàn)Fab為另一組。
3。33條線(xiàn)路情形
為了最大限度降低負序影響，減少負序補償裝置容量和成本，顯然3條線(xiàn)路應由3個(gè)不同的線(xiàn)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(xiàn)Fab供出第1條線(xiàn)路，主牽引變壓器MTTBC原邊接入電網(wǎng)B相與C相，次邊饋線(xiàn)Fbc供出第2條線(xiàn)路，主牽引變壓器MTTCA原邊接入電網(wǎng)C相與A相，次邊饋線(xiàn)Fca供出第3條線(xiàn)路，用YNd11三相高壓匹配變壓器HMT連接3套負序補償裝置，其中負序補償裝置ADAa與MTTBC、Fab為第1組，負序補償裝置ADAb與MTTCA、Fca為第2組，負序補償裝置ADAc與MTTAB、Fab為第3組。
4系統的經(jīng)濟性、可靠性
本文提出的交流牽引供電系統（簡(jiǎn)稱(chēng)交流系統）的可靠性、經(jīng)濟性及技術(shù)性能的優(yōu)劣可以與現行的直流牽引供電系統（簡(jiǎn)稱(chēng)直流系統）比較得到。
�。�1）經(jīng)濟性
直流系統中牽引供電與動(dòng)力照明合用35kV電纜，交流系統中分開(kāi)使用電纜，不會(huì )增加太多費用；交流系統可以省去地鐵沿線(xiàn)的迷流防護裝置和各個(gè)牽引所的整流機組及直流開(kāi)關(guān)，省去昂貴的儲能裝置或再生電能反饋裝置，使地鐵的地下設備得以簡(jiǎn)化，占地減少；交、直兩個(gè)系統的綜合自動(dòng)化裝置規模與費用相當；交流系統要增加主變電所的負序補償裝置，使用的交直交列車(chē)成本高于現行直交列車(chē)�？傊�，交流系統一次性成本可能接近直流系統，而交流系統的主變電所安裝容量大大低于各個(gè)牽引所容量總和，可以節約電力資源和基本電費，同時(shí)再生電能可以得到直接、高效利用，進(jìn)一步節約電度電費，這都有利于經(jīng)濟運行并符合節能減排基本國策。
�。�2）可靠性
交流系統省去了直流系統各個(gè)牽引所的整流機組，減少了串聯(lián)元件，有利于提高系統可靠性；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)辨識及保護技術(shù)適用于任意復雜的供電系統，對提高系統可靠性作用顯著(zhù)。負序補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，即使負序補償裝置全部短時(shí)退出，牽引變壓器仍可利用其過(guò)負荷能力正常工作，不影響正常供電�？傊�，交流系統可靠性更高。
�。�3）適用性
建立在分段供電、狀態(tài)辨識與保護技術(shù)之上的綜合自動(dòng)化系統能更方便地改變牽引供電系統的運行方式，日常維護、維修更靈活、方便。
采用交流系統供電的城市軌道交通，由于兩條及以上線(xiàn)路可以共用一座主變電所，因此一條線(xiàn)路最多只設一座主變電所，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結束語(yǔ)
本文提出并討論的交流牽引供電系統有以下突出特點(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、可靠、強大的電源；
�。�3）采用電纜可以滿(mǎn)足長(cháng)距離、大容量、無(wú)分相供電的要求；
�。�4）采用交直交傳動(dòng)和交流牽引電機驅動(dòng)的列車(chē)可以實(shí)現更好的牽引性能和再生電能直接利用。這些特點(diǎn)夯實(shí)了本系統在地鐵、輕軌等城市軌道交通中的應用基礎。
文章分析了該系統方案的一些關(guān)鍵技術(shù)，其主要工作與結論有：
�。�1）闡述了電纜牽引網(wǎng)的構成、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)電壓等級選擇等。電纜牽引網(wǎng)可以滿(mǎn)足任意一條地鐵、輕軌線(xiàn)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)辨識與保護方法。牽引網(wǎng)分段供電技術(shù)可以靈活改變、調度牽引網(wǎng)運行與維修方式，及時(shí)發(fā)現并切除故障，把故障及其影響限制在最小范圍，大大提高系統可靠性。
�。�3）除了1條線(xiàn)路供電方案外，還給出了包括2條及以上線(xiàn)路共用1座主變電所的供電方案和負序補償裝置最小容量計算方法，使主變電所供電方案達到最優(yōu)化。
總之，該系統技術(shù)性能優(yōu)良，經(jīng)濟性好，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、細致的研究。
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