城市軌道交通交流牽引供電系統(tǒng)及其關(guān)鍵技術(shù)

王鈺爍

摘要：城市軌道交通系統(tǒng)具有起停頻繁、行車密度大等特點(diǎn)。雖然采用直流制牽引供電系統(tǒng)供電具有一定優(yōu)勢(shì)，但也存在雜散電流等問題，治理成本較高、治理措施復(fù)雜等。因此，交流制牽引供電系統(tǒng)得到了廣泛應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：城市軌道交通;交流牽引供電系統(tǒng);關(guān)鍵技術(shù)

隨著科技的飛速發(fā)展，交通業(yè)也在逐步壯大。我國(guó)一、二線城市已紛紛修建輕軌、地鐵、動(dòng)車組等線路，這不僅方便了市民的交通出行，也給城市軌道交通供電系統(tǒng)帶來了巨大壓力。各國(guó)交通專業(yè)學(xué)者都在關(guān)注牽引供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與創(chuàng)新，直流式、交流式、雙制式在該系統(tǒng)中較常見。這些供電系統(tǒng)旨在車流量達(dá)到峰值時(shí)為線路提供連續(xù)、高效和穩(wěn)定的供電。因此，供電系統(tǒng)的研究對(duì)車流、人流量大的城市具有重要意義。

一、城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)

1、直流制。城市變電所、牽引網(wǎng)和接觸網(wǎng)主要由直流1500V供電方式設(shè)計(jì)及搭建。該類型牽引網(wǎng)采用雙邊供電方式，當(dāng)線路發(fā)生故障時(shí)，采用大雙邊供電方式，以達(dá)到跨區(qū)域供電的效果。此外，直流制供電方式也采用雜散電流保護(hù)機(jī)制。直流制能很好地將電能分流到各網(wǎng)絡(luò)并遠(yuǎn)距離傳輸，但由于其變電方式，可提供的供電距離較短，會(huì)增加部分設(shè)備投資成本，而且系統(tǒng)的傳輸速率較低。因此，該系統(tǒng)無較強(qiáng)優(yōu)勢(shì)可言。

2、交流制。交流制牽引供電系統(tǒng)采用25kV交流電傳輸，牽引變電所大多采用單向“電壓-電壓”相接方式，變電所配置兩臺(tái)變壓器，變壓器大多采用雙繞組單相變壓方式，它們組合成一角開口的三角形結(jié)構(gòu)，其中與電網(wǎng)相接的端口是高壓側(cè)的兩個(gè)開口端和一個(gè)公共端口，接地端是低壓側(cè)的公共端，另外兩個(gè)開口端分別與牽引側(cè)母線相接。對(duì)于降壓系統(tǒng)，除終端降壓外，在線路區(qū)段還設(shè)置一個(gè)加壓系統(tǒng)，以方便區(qū)間內(nèi)設(shè)備的照明使用。但由于系統(tǒng)長(zhǎng)期處于動(dòng)態(tài)取流狀態(tài)，接觸壓力大，因而交流制牽引供電方式對(duì)設(shè)備的耐磨性要求較高。

二、城市軌道交通交流牽引供電系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

1、變電站位置的確定。在軌道交通運(yùn)營(yíng)過程中，牽引供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)關(guān)系到其運(yùn)營(yíng)經(jīng)濟(jì)性及安全性。其中，變電站的位置應(yīng)通過考察驗(yàn)算確定。一般來說，根據(jù)牽引網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)及其對(duì)牽引供電電壓的要求，然后通過實(shí)地考察，最終確定牽引變電站合適位置。同時(shí)，計(jì)算不同距離下的電壓損失，以確定最經(jīng)濟(jì)的供電距離，保證牽引供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量要求。

2、交流牽引供電系統(tǒng)的保護(hù)配置。受城市交通壓力的影響，在使用交流牽引供電系統(tǒng)時(shí)需配備保護(hù)裝置，以減少停斷電對(duì)人們生活出行等的影響。通過正確應(yīng)用供電變壓器電流速斷保護(hù)裝置，在全面維護(hù)軌道交通交流牽引供電系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，保證供電的穩(wěn)定性。保護(hù)裝置可實(shí)現(xiàn)反時(shí)限電流保護(hù)，減少母線和饋線的故障。另外，保護(hù)系統(tǒng)還能圍繞短路電流適當(dāng)調(diào)整保護(hù)裝置的啟動(dòng)時(shí)間，以增強(qiáng)安全防護(hù)效果，減少故障對(duì)供電系統(tǒng)的損害。

3、牽引變電站電氣主接線。牽引降壓混合變電站位置確定后，建設(shè)中需采用27.5kV單母線分段運(yùn)行。從主變電站引入2路27.5kV交流電源，分別接入27.5kV一/二段母線。每個(gè)混合變電站需建設(shè)兩套整流器組，以便在同一27.5kV母線上并聯(lián)運(yùn)行，該設(shè)計(jì)能有效保證兩套整流器組的功率輸出均勻，減少對(duì)通信線路的影響。當(dāng)混合變電站中的一臺(tái)整流機(jī)組出現(xiàn)問題時(shí)，另一臺(tái)可繼續(xù)工作，以滿足供電要求。在兩個(gè)混合變電站之間建設(shè)一條直流饋線，以便為同一區(qū)段的接觸網(wǎng)提供雙向供電。通過這種設(shè)計(jì)，當(dāng)混合變電站中的兩組整流器出現(xiàn)問題時(shí)，接觸網(wǎng)可滿足單邊供電。

4、關(guān)鍵技術(shù)。①電纜牽引網(wǎng)。若建設(shè)過程中接觸網(wǎng)采用交流供電，可采用并聯(lián)方式，并可搭建備用供電線路，使兩條供電線路均能正常使用，互為備用線路。與原直流供電方式相比，該交流供電方式提高了供電可靠性，提升了供電總量，降低了功率損失程度;②牽引網(wǎng)分段供電及保護(hù)。直流牽引供電網(wǎng)可遠(yuǎn)距離傳輸，在初期建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用。但若采用上下行并行線路建設(shè)，投入成本相對(duì)較高，搭建設(shè)備相對(duì)復(fù)雜，一般采用分段式供電形式。這樣，線路和接觸網(wǎng)的設(shè)計(jì)可同時(shí)進(jìn)行，也可分開完成。為便于建設(shè)期間工人施工，變壓器處也將采用統(tǒng)一分段，其他區(qū)間則分開分段，以提高供電線路的可靠性，降低故障風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)施分段保護(hù);③主變電所供電方案。該供電方式主要根據(jù)交通線上設(shè)備的數(shù)量和位置，采用單線、雙線、多線等不同方案設(shè)計(jì)，可滿足不同設(shè)備的不同需求。

5、接觸網(wǎng)?，F(xiàn)代有軌電車按供電方式可分為接觸網(wǎng)供電、無接觸網(wǎng)供電。無接觸網(wǎng)供電包括磁性吸附供電、第三軌供電、電磁感應(yīng)供電、超級(jí)電容供電、電池包供電。

電力牽引系統(tǒng)的組成非常復(fù)雜，其中接觸網(wǎng)占有重要的地位。在電靴或電弓的幫助下，可在接觸網(wǎng)中獲得電能。同時(shí)，接觸網(wǎng)還可提高列車運(yùn)行的安全性和可靠性。其主要特點(diǎn)為：①由于電力機(jī)車與接觸網(wǎng)的關(guān)系，不能采用備用方式。只要接觸網(wǎng)出現(xiàn)問題，整個(gè)區(qū)間的供電將無法正常運(yùn)行;②接觸網(wǎng)下的電力機(jī)車運(yùn)行速度快，因此或多或少會(huì)出現(xiàn)由于電弓離線引起的電弧。同時(shí)，運(yùn)行環(huán)境相對(duì)暴露，比其他電力線路更易發(fā)生故障;③在接觸網(wǎng)建設(shè)初期，需對(duì)導(dǎo)線張力、高度、接觸網(wǎng)彈性、均勻度等提出嚴(yán)格要求，以確保電動(dòng)車組在接觸網(wǎng)內(nèi)安全、高效地獲取電能。接觸網(wǎng)可分為兩種類型：柔性和剛性。其中，柔性接觸網(wǎng)包括簡(jiǎn)單懸掛和鏈?zhǔn)綉覓?，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，支柱高度低，屬于簡(jiǎn)單懸掛的特點(diǎn)，支撐點(diǎn)承受的載荷不重，因此廣泛應(yīng)用于城市輕軌和無軌電車。鏈形懸掛采用懸索將導(dǎo)線與承力線連接起來，解決了簡(jiǎn)單懸掛中的硬點(diǎn)和小跨度問題。因此，鏈形懸掛在大跨度、長(zhǎng)距離、高速電氣化鐵路中得到了廣泛應(yīng)用。剛性接觸網(wǎng)具有運(yùn)營(yíng)維護(hù)工作量小、事故影響范圍小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。

總之，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，城市交通壓力越來越大，人們對(duì)交通的需求及要求也逐漸提高。城市軌道交通作為一種交通方式，其載客量及通行速度遠(yuǎn)超過陸上交通，是一種高效的交通工具。軌道交通交流牽引供電系統(tǒng)是軌道交通的重要組成部分，能提高軌道交通運(yùn)行質(zhì)量，還能保證運(yùn)行穩(wěn)定性及安全性。

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