浅谈城市轨道交通牵引供电系统的技术发展

2020-11-30 08:38罗樟丁智勇黄鑫
中国新技术新产品 2020年17期
关键词:城市轨道交通变电站

罗樟?丁智勇?黄鑫

摘  要:为了满足城市交通对高效性、准时性以及客运能力的要求,轨道交通建设规模显著增长,同时也对牵引供电系统技术应用与发展提出了较高的要求。该文从当前最为普遍的交、直流牵引供电系统的构成与特点入手,分别就其关键技术进行探讨,并就再生制动与储能吸收装置、轻量化设计和永磁同步牵引系统等先进技术的发展进行展望,以期对轨道交通业发展提供帮助。

关键词:城市轨道交通;牵引供电系统;变电站

中图分类号:  G322    文献标志码:A

在城市化进程中,为了克服市区交通拥堵问题,轨道交通的建设为其提供了更好的思路。为了提高轨道交通运行安全性与经济性,牵引供电系统技术的优化应用极为关键,决定了轨道交通能否高效可靠的运行。随着技术的发展,牵引供电技术也有了显著发展,考虑高效节能的问题,衍生出再生制动与储能吸收装置,而且轻量化设计也是重要发展方向,下面就此展开详述。

1 城市轨道交通牵引供电系统构成及特点分析

1.1 直流牵引供电系统

其基本构成为主变电站直接接入电网,主要起到了降压与电能分配的作用,为牵引变电所提供电能输入;牵引变电所的主要作用是整流与降压,其直流输出电压为0.75 kV或1.5 kV;电能从牵引变电所传输至轨道交通的接触网,然后电车利用受电器从接触网获得电能,而且还有接触轨这一供电形式;回流线与走行轨,主要用于将电能回流至牵、引变电所;此外,还包括杂散电流防护系统等构成部分[1]。该系统的示意图如图1所示,其中:T 为牵引变压器,QFn指的是各类开关,QSn为各类开关柜体。直流牵引供电的实现,其核心在于整流机组,是由牵引变压器(T)与整流器所构成的,牵引系统母线的设计为0.75 kV,由正、负母线与备用母线组成。整流器出线正极经过直流快速断路器(QF1、QF2)与直流母线相连,母线与上下行接触轨由馈线连接,负极柜(QS5、QS6)则连接上下行回流线。

1.2 交流牵引供电系统

交流牵引供电系统的构成与直流牵引供电系统基本一致,但是不再对网供交流电进行整流转换。同时根据交流牵引供电模式的差异,又分为以下3类。1)低频单相交流制,仍然需通过整流方式对频率进行调整,相较直流供电其电抗要小,然而增大变频控制难度。2)三相交流制,其优势在于不对网供电进行转换,轨道电车直接使用三相異步电机,牵引供电系统更加的简化,供电效率得以提升,但就轨道交通特点来说,通常要求双边供电,但是在三相交流供电形式中很难实现,而且在有限空间内很难达到三相供电绝缘标准。3)工频单相交流制,这也是城市轨道交通中最为常用并且较为先进的供电方式,其优势在于简化了牵引供电系统结构,不再需要整流环节,而且可以达到更高的电压水平,解决了低压传输距离短的问题,使轨道交通供电分段距离更长。

2 交流牵引供电系统关键技术

2.1 变电站位置的确定

在轨道交通运营期间,牵引供电系统的设计关系其运营经济性与安全性,其中,变电站位置的确定要经过考察和验算。通常要根据牵引网架结构的特点,并结合其对牵引供电电压的要求,然后再经过实地考察,最终确定牵引变电站的合适位置。同时,要对不同距离下的电压损失予以计算,进而确定最经济的供电距离,还要保证牵引供电系统电能质量要求。

2.2 基于第三轨的供电技术

该技术在城市轨道牵引供电系统设计时较多应用,第三轨的材质也有要求,通常选择钢铝复合材料,其优势在于导电性能极为优越,可以显著减小牵引供电系统的电损,同时还不必再铺设馈线电缆,可以降低牵引供电系统成本[2]。第三轨供电技术的实际应用中,其基础设施结构主要包括底座、接触轨、防爬器等,较为典型的设计为温度伸缩接头,其可以有效解决接触轨的冷热膨胀问题。

2.3 电缆牵引网分段供电及保护技术

在轨道交通运行过程中,需要由交流电缆牵引网提供电能,但是考虑到轨道长度问题,为了有效降低长距离输电时的压损,通常要设计为分段供电。该供电方式下,牵引供电线路分为并联连接的两条线路,并且分段出有断点存在,应保证机电电能供应连贯性。同时,轨道交通对电能供应安全性要求极高,但牵引网故障也时有发生,为了避免故障发展,需要合理配置保护装置,通常所配主要为交流牵引馈线的电流速断保护,需注意定值设置合理性,有效降低故障对牵引网的危害。

3 直流流牵引供电系统关键技术

3.1 接地技术与保护配置

由于直流牵引供电的特殊性,其在运行中常会发生杂散电流问题,如果任其持续发展将带来严重的电化学腐蚀问题,因此对地绝缘防护是必要的,重点要设置于直流正负极之间[3]。如果负极接地问题不予处理,当短路发生时,将会使直流牵引系统产生了极大电流冲击,严重危害牵引供电系统安全。此时就要求保护装置可以及时断开直流牵引供电系统中的故障部位,但是最为关键的应该借助技术措施实现直流正负极的绝缘,在控制迷流问题的同时还可以限制直流供电系统中短路事故的发展。

3.2 漏电保护技术

主要应用方式有2点。1)接地轨仅在轨道车站中安装,可以显著提高轨道交通的接地性能,由于接地轨的存在,可以使机车在站间轨道中所积攒的电荷得以释放。2)接地轨沿线布置,能够实现轨道交通漏电保护的全覆盖,当机车有静电电荷产生时可直接导入地下,使轨道列车具有更高安全性。3)直接利用牵引变电站的接地网,通过负极轨连接机车车体与站端接地设施,同样可以对轨道机车车体起到很好的漏电保护作用,静电电荷可及时的予以释放,在漏电保护成本上要显著低于接地轨,然而需要做好保护配合,并提高相应绝缘等级。

4 城市轨道交通牵引供电技术的发展

4.1 再生制动与储能吸收装置

在直流牵引系统中,由于中间存在整流环节,再生制动所产生能量无法反输电网[4]。为此,要设计储能吸收装置,其主要起到能量临时存储作用。再生储能装置主要有两种形式:地面储能设备与车载储能设备,两者有很大相似性,这里以车载设备为例进行探讨,其不仅具有节能特点,可在制动过程中有效存蓄能量,并用于加速启动与无电区域,具有较高的经济性,而且可缓解轨道电车启停对电网的冲击,还能够在无电状态下,直接驱动机车短时运行,增大列车操作灵活性。

4.2 永磁同步牵引系统

在牵引供电系统中,先进的永磁同步牵引系统具有更大的应用前景。1)更加高效节能,用于采用的是永磁设备,省去了常规异步电机中的励磁部分,同时还降低了电机的铜损与铁耗,可节约10%的能耗。2)具有功率密度的优势,由于省去了励磁装置,使得牵引系统中永磁电机可做到更小的尺寸,通常缩减程度可达20%~30%,进而达到更高的功率密度,而且还有转矩优势,可以为机车提供更强劲动力。此外,永磁同步电机一般会采取全封闭的设计方式,噪声小,且免清扫。

4.3 轻量化设计

对于城市轨道交通来说,其功率密度的提高可显著降低机车能耗,而这可通过轻量化设计来实现。由于牵引供电系统在机车中同样有配套设施,也是机车载重一部分,对机车内供电系统予以轻量化设计,可以起到节约电能作用。1)高频化,可借助更加先进的功率器件,或对其进行优化,通常来说就是对常规电容、电抗等感性器件替换为高频功率器件,可使机组配重显著降低,达到轻量化设计目的。2)箱体的轻量化设计,对于轨道列车来说,车载变流器箱体的重量往往较大,而常规钢铁结构较为笨重,更为先进的有铝合金箱体,不仅耐腐蚀,而且有轻量化优势。

4.4 新型半导体器件的应用

近年来,常规硅材料的半导体在性能开发上也达到了极致,上升空间较为有限,而Si C材料被视作半导体领域革命性的创新,相较于硅材料有显著优势,不仅在开关速度上有所提升,而且器件自身损耗更低,对作业环境下高温耐受能力更佳,也能较好解决常规器件的关断拖尾电流问题,也就是说,通过应用Si C器件,能够达到更高开关频率,使电能转换质量更高,而且整体结构更加简单,减小对器件工作中冷却的要求,使其具有轻量化的特点,当其与牵引供电系统结合,可对轨道交通带来更高的供电可靠性与经济性。

5 结语

综上所述,牵引供电系统在轨道交通中发挥重要支撑性作用,无论是直流还是交流牵引供电系统均要保证设计合理性,从变电站规划、接触网建设到供电保护装置等,全方位地做好牵引供电系统的安全保障工作。同时,科技发展也带动牵引系统相关技术的进步,如再生制动储能吸收装置、永磁同步电机、新型半导体器件等,将引领轨道交通牵引供电系统建设的新方向。

参考文献

[1]陈杰.城市轨道交通牵引供电系统的技术发展研究[J].装备维修技术,2019(3):192.

[2]陈杰.新一代智能化城市轨道交通牵引供电系统关键技术[J].电气时代,2018(7):72.

[3]廖黎明.城市轨道交通交流牵引供电系统及其关键技术[J].中国高新区,2018(6):161-162.

[4]周方圓,陈鹏,吴丽然.单相交流牵引供电系统关键技术现状及发展[J].铁道标准设计,2019,63(1):133-137.

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