地鐵牽引供電系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析

楊 方

中交二公局電務(wù)工程有限公司 陜西 西安 710109

從目前城市化發(fā)展情況來(lái)看，存在著嚴(yán)重的交通擁堵問(wèn)題，這也影響到城市居民的正常出行。基于此，很多地區(qū)開始興建地鐵工程，借助地鐵載客能力強(qiáng)、運(yùn)輸速度快的優(yōu)勢(shì)，來(lái)分擔(dān)城市運(yùn)輸壓力。在地鐵工程修建過(guò)程中，牽引供電系統(tǒng)屬于重要的組成內(nèi)容，通過(guò)優(yōu)化系統(tǒng)相關(guān)內(nèi)容，提升系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程的安全性，對(duì)于提升列車運(yùn)輸安全性有著積極地意義。

1 地鐵牽引供電系統(tǒng)基礎(chǔ)內(nèi)容

1.1 基本分類

1.1.1 直流電力牽引系統(tǒng) 對(duì)于早期的直流傳動(dòng)，電動(dòng)機(jī)主要采用凸輪調(diào)節(jié)電阻的方式進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)，但是這種方式會(huì)引起很大的沖擊電流。現(xiàn)在的方式主要有依靠直流電源經(jīng)一電流變換器向直流牽引電動(dòng)機(jī)供電。斬波調(diào)速即脈寬調(diào)速，能夠調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的輸入電壓平均值，其原理是，當(dāng)直流電源電壓基本不變時(shí)，利用電子開關(guān)的通斷，使施加在電動(dòng)機(jī)兩端的電壓脈沖寬度占空比發(fā)生改變。這個(gè)過(guò)程就是直流電動(dòng)機(jī)的平滑無(wú)級(jí)調(diào)速過(guò)程，即通過(guò)斬波器對(duì)牽引電動(dòng)機(jī)的兩端的電壓進(jìn)行平滑的、連續(xù)的調(diào)節(jié)并通過(guò)改變晶閘管的移向角改變輸出電壓，最終達(dá)到調(diào)速目的。

1.1.2 交流電力牽引系統(tǒng) 使用交流電機(jī)供電的地鐵列車，一般采用鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)，交流地鐵列車采用的調(diào)速方式是變頻調(diào)速，可把固頻交流電換為可調(diào)壓、調(diào)頻的交流電，并有變頻器向交流電動(dòng)機(jī)供電。這種控制方式的優(yōu)點(diǎn)包括:第一，由于中間部分的直流電壓保持不變，強(qiáng)迫換流的線路則會(huì)很簡(jiǎn)單；第二，調(diào)頻調(diào)壓均可由逆變器內(nèi)部實(shí)現(xiàn)，可排除直流濾波回路的參數(shù)影響而實(shí)現(xiàn)快速調(diào)節(jié)；第三，電源側(cè)功率因數(shù)較高，減少了高次諧波對(duì)電網(wǎng)的影響；第四，可以將輸出電壓調(diào)制成姍波，減少了低次諧波，從而解決了電動(dòng)機(jī)在低頻區(qū)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)問(wèn)題，也降低了電動(dòng)機(jī)的諧波損耗與噪聲。

1.2 供電方式 在供電方式的選擇中，常用方式如下:第一，直流供電模式，該供電方式在應(yīng)用中比較簡(jiǎn)單，系統(tǒng)所輸出的電能可以直接供給列車運(yùn)行，具有系統(tǒng)組成簡(jiǎn)單、運(yùn)營(yíng)成本低等優(yōu)勢(shì)。但是該方式在應(yīng)用中的平衡態(tài)較差，回路電阻較大，不適用長(zhǎng)距離(超過(guò)20km)列車系統(tǒng)運(yùn)行需求。第二，吸流變壓器供電方式，其原理在于在線路上布設(shè)吸流變壓器，使其可以將原線路串接到接觸網(wǎng)中，同時(shí)從次邊串聯(lián)回流線，并將一根上線設(shè)置在相鄰吸流變壓器中間，使其可以與回流線、軌道關(guān)聯(lián)在一起，這樣在線路運(yùn)行過(guò)程中能夠順利將回流吸回，起到抗干擾的作用。第三，自耦變壓器供電模式，在牽引供電系統(tǒng)采用該模式進(jìn)行供電時(shí)，其輸出電壓值在55―60kv，在線路分配上，其中一端會(huì)和正饋線連接在一起，另一端則會(huì)與接觸網(wǎng)聯(lián)系在一起，并在中點(diǎn)抽頭位置引出線與鋼軌相連，在穩(wěn)定供電的同時(shí)，可以起到良好的抗干擾能力和防雷功能。

2 地鐵牽引供電系統(tǒng)運(yùn)行關(guān)鍵技術(shù)分析

2.1 電力電纜參數(shù)選擇

為了確保牽引地鐵系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，首要任務(wù)便是確保電力電纜參數(shù)選擇結(jié)果的合理性。以單芯電纜為例，如圖一所示，從外向內(nèi)依次由外護(hù)套、鎧裝層、絕緣護(hù)層、金屬屏蔽層、絕緣層和線芯，目前在線芯材料的選擇中，主要使用到的材料為來(lái)銅線、鋁線、銅芯鋁外殼等，而常用的絕緣層則使用到PVC、XLPE等材料來(lái)制作，金屬屏蔽層多使用多根金屬材料來(lái)完成編織處理，進(jìn)而提升分析結(jié)果的可靠性。另外，在電力電纜分析過(guò)程中，還需要做好線芯與屏蔽層之間的電容計(jì)算，具體計(jì)算公式為C＝kC×10―6/(lnr1―lnr2)，其中r1表示線纜屏蔽層半徑，計(jì)量單位為 m；r2表示線纜線芯半徑，計(jì)量單位為m；k表示計(jì)量常數(shù)，查看相關(guān)表格進(jìn)行查詢；C表示介電常數(shù)。

圖一 單芯電纜構(gòu)成示意圖

2.2 完成電壓損失計(jì)算 在系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計(jì)中，也需按要求進(jìn)行電壓損失值計(jì)算，這也是完善供電系統(tǒng)的基礎(chǔ)要求。如圖二所示，假定此時(shí)有電流I通過(guò)線路，而線路內(nèi)的阻抗值為Z，那么此時(shí)利用線路電壓計(jì)算公司，能夠得到相應(yīng)的電壓計(jì)算公式，根據(jù)公式還可以繼續(xù)計(jì)算電壓損失量。從目前地鐵工程運(yùn)行情況來(lái)看，機(jī)車的功率因數(shù)也處于不斷提升的狀態(tài)，這樣也造成功率因數(shù)角度不斷縮小，而相互之間的幾何關(guān)系也出現(xiàn)擴(kuò)大的情況，此時(shí)如果忽略掉該角度，也會(huì)帶來(lái)較大的應(yīng)用誤差，此過(guò)程也會(huì)利用向量計(jì)算法來(lái)完成內(nèi)容分析，從而根據(jù)計(jì)算得到的損失值來(lái)確定牽引網(wǎng)參數(shù)。

圖二 列車載流線路圖

2.3 合理選擇供電網(wǎng)選型 為了滿足地鐵運(yùn)行過(guò)程的基礎(chǔ)需求，在應(yīng)用過(guò)程中也需要做好供電網(wǎng)選型工作，具體網(wǎng)絡(luò)會(huì)由系統(tǒng)供電線與回流線構(gòu)成，在對(duì)其進(jìn)行分析時(shí)，可以將其看做是二導(dǎo)線傳輸模型來(lái)進(jìn)行分析。基于以往的應(yīng)用數(shù)據(jù)可以了解到，在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，鋼芯鋁絞線在應(yīng)用過(guò)程中所產(chǎn)生的阻抗值和感抗值均超過(guò)傳統(tǒng)的單、雙芯電纜，而且此類電纜在布設(shè)時(shí)的架空線應(yīng)用了裸露的導(dǎo)線，同時(shí)并沒(méi)有布置絕緣層，這也使得兩組導(dǎo)線在鋪設(shè)過(guò)程中，其間距明顯超過(guò)了傳統(tǒng)線纜，屬于比較適合的網(wǎng)線選擇。但是此類電纜只能使用架空的方式進(jìn)行布置，在地鐵供電系統(tǒng)中不太適用，這也是線路后續(xù)改良過(guò)程中的參考方向。

2.4 供電回路選型處理 為了提升地鐵運(yùn)行過(guò)程的穩(wěn)定性，在應(yīng)用過(guò)程中也需要做好供電回路選型處理，具體網(wǎng)絡(luò)會(huì)由柔性接觸網(wǎng)、剛性接觸網(wǎng)組成，在對(duì)其進(jìn)行分析時(shí)，可以利用Carson公式來(lái)完成模型參數(shù)的計(jì)算工作，從而提升所分析結(jié)果的可靠性。以柔性接觸網(wǎng)為例，該接觸網(wǎng)系統(tǒng)在應(yīng)用過(guò)程中，其內(nèi)容包括了接觸線、加強(qiáng)線、承力索系統(tǒng)等，在系統(tǒng)的網(wǎng)載流量也會(huì)和導(dǎo)線之間的載流量存在著較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性。在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，需要對(duì)接觸網(wǎng)所產(chǎn)生的阻抗值和感抗值進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)技術(shù)所得結(jié)果來(lái)判斷系統(tǒng)目前運(yùn)行狀態(tài)的可靠性，動(dòng)態(tài)調(diào)整接觸網(wǎng)參數(shù)，從而提升系統(tǒng)設(shè)計(jì)內(nèi)容的合理性與可靠性。

2.5 供電回路電流分布處理 地鐵工程在運(yùn)行過(guò)程中，需要確保供電過(guò)程的持續(xù)性和穩(wěn)定性，并且在系統(tǒng)全線運(yùn)行的過(guò)程中，也需要做好接觸回路電流分布計(jì)算，該內(nèi)容的計(jì)算結(jié)果也會(huì)直接影響到系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。在具體的計(jì)算過(guò)程中，可供選擇的計(jì)算方法較多，選擇某一類計(jì)算方法進(jìn)行分析。在該方法的計(jì)算過(guò)程中，會(huì)以回流線路為基礎(chǔ)，沿著相鄰四所進(jìn)行取流，選擇恰當(dāng)?shù)娜×鼽c(diǎn)進(jìn)行分析，并且在分析過(guò)程中，需要對(duì)系統(tǒng)內(nèi)牽引變壓器阻抗、接觸供電網(wǎng)阻抗等數(shù)值進(jìn)行采集，帶入到公式中對(duì)其進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果來(lái)完成分布處理內(nèi)容的優(yōu)化工作，提升分析結(jié)果的使用價(jià)值。

2.6 供電網(wǎng)電流優(yōu)化計(jì)算 除了上述提到的應(yīng)用內(nèi)容外，在牽引供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中還需要注重供電網(wǎng)電流優(yōu)化計(jì)算工作。該內(nèi)容的合理性也會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的工作狀態(tài)來(lái)較大影響，從目前的計(jì)算情況來(lái)看，進(jìn)行該內(nèi)容計(jì)算時(shí)，可以進(jìn)行選擇的方法相對(duì)較多，從中選擇某一類計(jì)算方法來(lái)進(jìn)行細(xì)致敘述。在該方法的計(jì)算過(guò)程中，會(huì)以供電網(wǎng)線路為基礎(chǔ)，對(duì)于負(fù)載取流內(nèi)容進(jìn)行梳理，在區(qū)域內(nèi)劃分為若干個(gè)應(yīng)用區(qū)域，并且在其中選擇恰當(dāng)?shù)娜×鼽c(diǎn)進(jìn)行分析，而且在內(nèi)容分析過(guò)程中，也會(huì)對(duì)系統(tǒng)牽引變壓器阻抗、供電網(wǎng)阻抗、供電網(wǎng)感抗參數(shù)進(jìn)行采集，將這些數(shù)值帶入到公式中對(duì)其進(jìn)行計(jì)算，并且根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)于供電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化，以穩(wěn)定整個(gè)供電網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行效果[1]。

3 地鐵牽引供電技術(shù)發(fā)展分析

3.1 再生制動(dòng)與儲(chǔ)能技術(shù) 從目前的發(fā)展情況來(lái)看，在牽引供電系統(tǒng)未來(lái)發(fā)展過(guò)程中，再生制動(dòng)與儲(chǔ)能技術(shù)有著良好的發(fā)展趨勢(shì)，該技術(shù)主要針對(duì)直流牽引供電系統(tǒng)，此系統(tǒng)在應(yīng)用過(guò)程中存在著整流運(yùn)行環(huán)節(jié)，此時(shí)會(huì)缺少穩(wěn)定電流來(lái)穩(wěn)定輸電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)。基于此在系統(tǒng)應(yīng)用中也需要合理設(shè)計(jì)儲(chǔ)能吸收裝置，對(duì)于能量進(jìn)行臨時(shí)存儲(chǔ)，以滿足供電系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的相關(guān)要求。目前研究的主流存儲(chǔ)方式包括地面儲(chǔ)能模式與車載儲(chǔ)能模式，但是從目前的使用情況來(lái)看，車載儲(chǔ)能模式在地鐵運(yùn)行中具備了更好的節(jié)能性，而且在發(fā)展中還可以對(duì)軌道啟停過(guò)程中產(chǎn)生的沖擊進(jìn)行合理避免，進(jìn)而提升兩列車運(yùn)行狀態(tài)的穩(wěn)定性[2]。

3.2 永磁同步牽引技術(shù) 在牽引供電系統(tǒng)未來(lái)發(fā)展過(guò)程中，永磁同步牽引技術(shù)在未來(lái)發(fā)展過(guò)程中，也具備了良好的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，并且也具有了非常良好的發(fā)展前景。在具體應(yīng)用中，該技術(shù)具備了更好的節(jié)能性，依托于永磁設(shè)備特點(diǎn)，也可以減少列車運(yùn)行過(guò)程中的銅損耗與鐵損耗，基于可靠數(shù)據(jù)，可以節(jié)省至少10%的資源損耗。同時(shí)系統(tǒng)在應(yīng)用中，也具備了較強(qiáng)的功率密度，這對(duì)于系統(tǒng)體積的縮減有著積極地意義，常規(guī)狀態(tài)下其縮減率可以達(dá)到30%左右，同時(shí)也具備了更加良好的轉(zhuǎn)矩優(yōu)勢(shì)，從而提升系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中動(dòng)力來(lái)源的穩(wěn)定性。另外，在應(yīng)用設(shè)計(jì)中，也會(huì)應(yīng)用到一體化設(shè)計(jì)，并將其封閉在密閉空間當(dāng)中，起到降低系統(tǒng)噪音的作用[3]。

3.3 輕量化處理設(shè)計(jì) 在牽引供電系統(tǒng)未來(lái)發(fā)展過(guò)程中，輕量化處理設(shè)計(jì)也屬于非常重要的發(fā)展方向，這也是降低列車供電過(guò)程能耗的重要保障。在列車設(shè)計(jì)過(guò)程中，牽引供電系統(tǒng)也屬于整個(gè)運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)載重的重要組成，基于此也需要在后續(xù)發(fā)展中對(duì)其展開輕量化設(shè)計(jì)，從而起到減少能耗的作用。具體應(yīng)用設(shè)計(jì)中，會(huì)使用到先進(jìn)性更強(qiáng)的功率器件，同時(shí)也會(huì)對(duì)常規(guī)電容元件、電抗組件進(jìn)行優(yōu)化，以降低整個(gè)系統(tǒng)的總重量。另外，在優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中，也會(huì)對(duì)列車箱體結(jié)構(gòu)來(lái)完成優(yōu)化設(shè)計(jì)，例如，將鋁合金材料作為新的箱體制作材料，此類材料的耐腐蝕性更強(qiáng)，滿足輕量化應(yīng)用優(yōu)勢(shì)[4]。

3.4 新型半導(dǎo)體技術(shù) 除了上述應(yīng)用內(nèi)容外，在牽引供電系統(tǒng)未來(lái)發(fā)展過(guò)程中，新型半導(dǎo)體技術(shù)也屬于非常重要的發(fā)展方向，這也是持續(xù)優(yōu)化供電系統(tǒng)的重要保障。例如，目前許多地區(qū)會(huì)將SiC材料作為半導(dǎo)體制作原料，相比以往的單質(zhì)硅材料，其運(yùn)行速度更快，而且在應(yīng)用過(guò)程中的損耗量也會(huì)減少，這樣也可以更好的應(yīng)對(duì)關(guān)斷拖尾電流問(wèn)題，提升系統(tǒng)轉(zhuǎn)換過(guò)程的應(yīng)用質(zhì)量。另外，該技術(shù)在應(yīng)用過(guò)程中，SiC材料組成結(jié)構(gòu)的便捷性更強(qiáng)，可以改善系統(tǒng)對(duì)于器件工作狀態(tài)的冷卻需求，使其可以更好地滿足輕量化特征，提升供電系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程的可靠性與經(jīng)濟(jì)性[5]。

結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，在地鐵系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，牽引供電系統(tǒng)屬于重要的組成部分，通過(guò)融入合理技術(shù)來(lái)優(yōu)化整個(gè)運(yùn)行系統(tǒng)，不僅可以提升系統(tǒng)運(yùn)行質(zhì)量，而且對(duì)于提升系統(tǒng)工作狀態(tài)安全性也有著積極地作用。