城市軌道交通直流自耦變壓器牽引供電系統(tǒng)

鄭瓊林　楊曉峰　游小杰

(北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院　北京　100044)

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城市軌道交通直流自耦變壓器牽引供電系統(tǒng)

鄭瓊林楊曉峰游小杰

(北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院北京100044)

摘要現(xiàn)有城市軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)普遍采用走行軌回流，存在危害性很大的長(zhǎng)時(shí)間迷流，且防不勝防。提出一種新的直流牽引供電系統(tǒng)，即直流自耦變壓器(DCAT)牽引供電系統(tǒng)，能很好地解決軌道電位和迷流問題。以傳統(tǒng)的直流牽引供電系統(tǒng)為基礎(chǔ)，增加由電力電子開關(guān)和直流電容器構(gòu)成的DCAT及回流線，構(gòu)成DCAT牽引供電系統(tǒng)。分析表明，DCAT牽引供電系統(tǒng)不僅能解決軌道電位和迷流，還可兼作儲(chǔ)能裝置，將列車再生制動(dòng)時(shí)的能量回收再利用，同時(shí)，在線路絕緣耐壓和車輛供電電壓不作任何改動(dòng)的情況下，DCAT牽引供電系統(tǒng)牽引網(wǎng)的電壓是傳統(tǒng)直流牽引供電系統(tǒng)牽引網(wǎng)電壓的2倍，可大大減少線路的電壓損失和線路損耗，從而進(jìn)一步提高能源利用效率。

關(guān)鍵詞城市軌道交通；AT供電系統(tǒng)；軌道電位；迷流電流；迷流電量；直流自耦變壓器

1研究背景

世界各國的城市軌道交通系統(tǒng)普遍采用直流牽引供電方式。傳統(tǒng)的直流牽引供電系統(tǒng)主要采用走行軌回流，帶來很麻煩的迷流電流腐蝕問題。迷流對(duì)地下建筑的金屬腐蝕非常嚴(yán)重，每1 A迷流電流每年能腐蝕掉9 kg的鋼鐵，或34 kg的鉛，或10 kg的銅,而牽引變電所給城軌線路上列車的供電電流是1 000～8 000 A不等[1]。按照1%～5%的迷流計(jì)算，一條線路上每年被腐蝕掉的金屬也相當(dāng)可觀，造成的損失難以估量。

解決迷流的方法很多，但從思路上總結(jié)起來大致有6種：1) 減小走行軌回流線路的電阻；2) 增加走行軌回流線路對(duì)地之間的漏電阻；3) 增加含有金屬的地下建筑與軌道地之間的電阻；4) 增加含有金屬的地下建筑本身的電阻；5) 減小走行軌的回流電流；6) 采用第四軌回流(走行軌回流電流減小到零)。采用第四軌回流大大增加城軌線路造價(jià)，同時(shí)需要對(duì)現(xiàn)有地鐵車輛進(jìn)行改造設(shè)計(jì)。因此到目前為止，世界各國的城市軌道交通系統(tǒng)只有倫敦、新加坡和巴黎等城市的少量城軌線路采用第四軌作為回流線[2-3]。既減小回流軌電流又不減小列車的牽引功率，只有提高列車的供電電壓。國際電工委員會(huì)(IEC)推薦的標(biāo)準(zhǔn)有DC 600 V、DC 750 V和DC 1 500 V三種[4]。在我國的城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)中，DC 750 V和DC 1 500 V兩種電壓制式都存在，但從發(fā)展來看，新建線路的牽引供電系統(tǒng)趨向于采用DC 1 500 V。為了減小回流軌線路的電阻，有時(shí)不得不增加變電所數(shù)量以縮短兩個(gè)牽引變電所之間的距離。雖然在施工鋪設(shè)時(shí)回流軌對(duì)地進(jìn)行了很好的絕緣，但天氣條件和運(yùn)行條件變化等會(huì)使得回流軌對(duì)地的漏電阻減小?？偠灾?，迷流的防護(hù)方法很多，代價(jià)很大，但效果有限，且防不勝防[5-12]。文獻(xiàn)[13]利用電力電子技術(shù)手段和電感續(xù)流的原理，把走行軌的電流“吸”到回流線上，從而減小走行軌的回流電流，這種回流方式類似于交流電氣化鐵路的吸上變壓器(BT)回流方式。一個(gè)BT需要11個(gè)電力電子器件和2個(gè)直流電感等，代價(jià)很大，且“吸流”有間隙，在吸流的間隙，電流仍然從走行軌回流。電流從吸流BT和回流軌之間來回切換時(shí)，還會(huì)造成大的電流突變。另外文獻(xiàn)[13]中的回流方式和目前采用的第四軌回流方式一樣，不能提高牽引網(wǎng)的供電電壓以減小線路電壓損失和功率損耗。文獻(xiàn)[14]為了解決迷流問題，提出了一種負(fù)序補(bǔ)償方式的單相交流供電系統(tǒng)，但其交流電壓等級(jí)較高，城市軌道交通線路經(jīng)過的建筑物和隧道等需要更大的絕緣距離，同時(shí)所有地鐵運(yùn)行車輛的牽引傳動(dòng)系統(tǒng)需要更換成現(xiàn)有干線高速列車那樣的有車載牽引變壓器的牽引傳動(dòng)系統(tǒng)。

圖1　新建線路的DCAT牽引供電系統(tǒng)

針對(duì)現(xiàn)有城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)存在的弊端和已有文獻(xiàn)報(bào)道所提改進(jìn)方案的不足，本文提出一種直流自耦變壓器(direct current auto-transformer,DCAT)牽引供電系統(tǒng)。在DCAT牽引供電系統(tǒng)中，列車的回流電流經(jīng)由DCAT流入負(fù)電壓回流線，然后由負(fù)電壓回流線返回牽引變電所。DCAT提供正負(fù)供電電壓和牽引回流通路，很好地解決了走行軌的軌道電位和迷流問題;DCAT的正負(fù)電壓變換使得牽引網(wǎng)供電線路的電流只有傳統(tǒng)直流牽引供電系統(tǒng)的一半，大大減小了供電線路的電壓損失和線路損耗；DCAT還可兼作列車制動(dòng)能量的回饋吸收裝置，以減小能量吸收裝置的容量。一條軌道線路上的多個(gè)DCAT經(jīng)過設(shè)計(jì)優(yōu)化及合理布局，甚至可以完全替代能量回饋吸收裝置。

2DCAT牽引供電系統(tǒng)

以傳統(tǒng)直流牽引供電系統(tǒng)為基礎(chǔ)，沿著正電壓饋電接觸網(wǎng)(軌)增加負(fù)電壓回流線，并沿軌道線路一定間隔設(shè)置DCAT，把每個(gè)DCAT的3個(gè)端點(diǎn)分別連接到正電壓饋電接觸網(wǎng)(軌)、走行軌和負(fù)電壓回流線，就是DCAT牽引供電系統(tǒng)。負(fù)電壓回流線的主要作用是替代走行軌回流，以解決鋼軌的迷流問題；DCAT的主要作用是把鋼軌電流引導(dǎo)到負(fù)電壓回流線上。

新建線路與既有線路的DCAT牽引供電系統(tǒng)的牽引變電所不同，下面以雙邊供電方式為例分別介紹。

2.1新建線路設(shè)計(jì)的DCAT牽引供電系統(tǒng)

新建線路的DCAT牽引供電系統(tǒng)如圖1所示，其中，11、12、13和14分別表示整流裝置(1a和1b)的輸出正極端、輸出負(fù)極端、輸出零電位端和輸入交流端；51、52和53分別表示DCAT(5a、5b、5c和5d)的正極端、負(fù)極端和中性端。

在圖1中，1a和5a安裝在一個(gè)牽引變電所內(nèi)，1b和5d安裝在另一個(gè)牽引變電所內(nèi)。沒有安裝在牽引變電所里的DCAT變壓器沿著饋電接觸網(wǎng)(軌)和走行軌線路設(shè)置，且牽引變電所供電的走行軌邏輯上分為ab區(qū)段、bc區(qū)段和cd區(qū)段。鄰近牽引變電所的ab區(qū)段和cd區(qū)段可稱為“頭尾”區(qū)段，bc區(qū)段可稱為“中間”區(qū)段。

兩個(gè)牽引變電所里的DCAT 5a和5d可以不設(shè)置。當(dāng)DCAT的5a和5d不設(shè)置，列車運(yùn)行在頭尾區(qū)段時(shí)，牽引變電所的整流裝置中相互串聯(lián)的兩組整流器電流負(fù)荷不相同；列車運(yùn)行在bc中間區(qū)段時(shí)，牽引變電所的整流裝置中相互串聯(lián)的兩組整流器工作負(fù)荷相同。在實(shí)際應(yīng)用的DCAT系統(tǒng)中，兩個(gè)牽引變電所之間的中間區(qū)段可以更多，也可以沒有。中間區(qū)段的具體數(shù)量由諸多因素決定，如牽引變電所供電區(qū)間線路的長(zhǎng)度、列車負(fù)荷、軌道電位要求以及列車運(yùn)行追蹤間隔等。原則上，每個(gè)DCAT區(qū)段上只允許一組列車運(yùn)行，以降低DCAT的容量。

2.2既有線路升級(jí)的DCAT牽引供電系統(tǒng)

眾所周知，既有線路的傳統(tǒng)直流牽引供電系統(tǒng)，其整流裝置的輸出負(fù)極端是零電位端，沒有負(fù)電壓輸出端。因此傳統(tǒng)直流牽引供電系統(tǒng)升級(jí)為DCAT牽引供電系統(tǒng)時(shí)，牽引變電所的原有設(shè)備可以不做任何升級(jí)改造，但牽引變電所必須設(shè)置DCAT以獲得負(fù)電壓輸出端。

既有線路升級(jí)為DCAT牽引供電系統(tǒng)如圖2所示，圖2中的符號(hào)含義和圖1的表示相同。圖2中DCAT 5a和5d的中性端連接到整流裝置的負(fù)極端，即圖2中安裝在牽引變電所的DCAT 5a和5d，其中性端連接到整流裝置的負(fù)極端后，自動(dòng)把牽引網(wǎng)絡(luò)的供電電壓升高至列車供電電壓的2倍，輸出端52就成了牽引變電所的負(fù)電壓輸出端。

3DCAT工作原理

直流自耦變壓器(DCAT)，指直流輸入電壓和輸出電壓之間不隔離，但輸入輸出電壓可根據(jù)要求設(shè)計(jì)成不同的數(shù)值。在圖1和圖2中，所有DCAT的中性端(53)與正負(fù)端之間的電壓是兩端之間電壓的一半，即端口51—53的電壓等于端口53—52的電壓。

圖2　既有線路升級(jí)后DCAT牽引供電系統(tǒng)

圖4　城軌列車運(yùn)行在改造升級(jí)后的DCAT牽引供電系統(tǒng)中的情況

圖3是DCAT的電路原理。端點(diǎn)51為正極端，端點(diǎn)52為負(fù)極端，端點(diǎn)53為中性端。端口51—53或53—52是輸入(輸出)端，端口51—52是輸出(輸入)端，C51和C52為電容，Lr為電感，S11和S12為帶有反并聯(lián)二極管的電子開關(guān)，目前S11和S12通常采用IGBT模塊。從圖3可知，DCAT的兩個(gè)電容(C51和C52)上的能量不能自動(dòng)相互傳遞，而是通過電感Lr和兩個(gè)開關(guān)(S11和S12)的交替工作完成能量相互傳遞，使得C51和C52上的電壓相等。以下對(duì)工作原理進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。

圖3　DCAT基本電路原理

1) 當(dāng)S11閉合、S12斷開時(shí)，假設(shè)Lr的電流線性上升，滿足

(1)

式中：Δi1Lr為電感紋波電流；UC51為電容C51的端電壓；tS11為開關(guān)S11的閉合時(shí)間。

2) 當(dāng)S11斷開、S12閉合時(shí)，電感Lr的電流線性下降，滿足

(2)

式中：Δi2Lr為電感紋波電流；UC52為電容C52的端電壓；tS12為開關(guān)S12的閉合時(shí)間。

3) 當(dāng)DCAT系統(tǒng)平衡，且保持S11和S12的開關(guān)占空比為50%時(shí)，

(3)

由式(1)、(2)和(3)，可得

UC51=UC52

(4)

由式(4)可知，當(dāng)?shù)罔F列車的牽引供電電壓為750 V時(shí)，C51上的電壓為750 V，C52上也能獲得直流電壓750 V；當(dāng)?shù)罔F列車牽引供電電壓為1 500 V時(shí)，C51上的電壓為1 500 V，C52上也能獲得直流電壓1 500 V。

以上分析說明，只要開關(guān)S11和S12進(jìn)行占空比為50%的簡(jiǎn)單開環(huán)控制，就可實(shí)現(xiàn)輸出電壓總是等于輸入電壓的兩倍，即C52和C51上的電壓自動(dòng)跟隨相等，實(shí)現(xiàn)DCAT的正常工作。

DCAT在實(shí)際應(yīng)用中，只需一個(gè)簡(jiǎn)單的占空比為50%的開環(huán)控制，不受外部其他因素影響，另外，DCAT中的電容可以兼作列車再生制動(dòng)時(shí)的能量吸收裝置。如果DCAT設(shè)計(jì)優(yōu)化、布局合理，完全可以替代地鐵列車再生制動(dòng)能量吸收裝置或能量回饋裝置。

4軌道電位、迷流電流及電量

圖4所示是一組地鐵列車運(yùn)行在改造升級(jí)后的DCAT牽引供電系統(tǒng)線路上的電流流向示意圖，沿走行軌線路設(shè)置的兩個(gè)中間DCAT把走行軌等分為3個(gè)區(qū)段，即ab區(qū)段、bc區(qū)段和cd區(qū)段，列車運(yùn)行在cd區(qū)段。列車電流在走行軌上沿兩個(gè)相反方向流動(dòng)，分別通過節(jié)點(diǎn)c和d流入兩個(gè)DCAT。列車從牽引變電所1a獲得牽引電流IS1，從牽引變電所1b獲得牽引電流IS2,所以列車電流Iload為

Iload=IS1+IS2

(5)

假設(shè)走行軌每個(gè)區(qū)段的長(zhǎng)度為l0，列車到走行軌節(jié)點(diǎn)c的距離為l1，列車到走行軌節(jié)點(diǎn)d的距離為l2，則

l0=l1+l2

(6)

下面分別分析無列車運(yùn)行區(qū)段及有列車運(yùn)行區(qū)段的軌道電位、迷流電流和造成電化學(xué)腐蝕的迷流電量。

4.1無列車運(yùn)行區(qū)段的軌道電位

圖4中無列車在走行軌ab區(qū)段和走行軌bc區(qū)段運(yùn)行。下面計(jì)算ab區(qū)段和bc區(qū)段的電壓以及軌道電位。

假設(shè)DCAT 5a的正電壓為Ua2a，負(fù)電壓為Uaa4；DCAT 5b的正電壓為Ub2b，負(fù)電壓為Ubb4；ab區(qū)段的正電壓饋電接觸網(wǎng)(軌)電阻為Ra2b2，ab區(qū)段的負(fù)電壓回流線電阻為Ra4b4。一般地，在DCAT牽引供電系統(tǒng)中，正電壓饋電接觸網(wǎng)(軌)和負(fù)電壓回流線的線徑一樣，因此

Ra2b2=Ra4b4

(7)

由正電壓饋電接觸網(wǎng)(軌)回路a、a2、b2、b、a，可得電壓Uab為

(8)

由負(fù)電壓回流線回路a、a4、b4、b、a，可得電壓Uab為

(9)

把式(8)和(9)相加，并由DCAT工作原理可知Uab為0，即 Uab=0。

同理可計(jì)算得到bc區(qū)段的軌道電位Ubc=0。

如果節(jié)點(diǎn)a的電位為0，節(jié)點(diǎn)b和節(jié)點(diǎn)c的電位皆為0。因此，走行軌ab區(qū)段的軌道電位為0，走行軌bc區(qū)段的軌道電位也為0，即在DCAT牽引供電系統(tǒng)中，無列車運(yùn)行的走行軌區(qū)段的軌道電位為0。

4.2有列車運(yùn)行區(qū)段的軌道電位

在圖4中有一組列車在cd區(qū)段運(yùn)行，列車從兩個(gè)牽引變電所1a和1b分別獲得牽引電流IS1和IS2。根據(jù)DCAT基本原理，正電壓饋電接觸網(wǎng)(軌)節(jié)點(diǎn)b2流向節(jié)點(diǎn)c2的電流為IS1/2，負(fù)電壓回流線節(jié)點(diǎn)c4流向節(jié)點(diǎn)b4的電流為IS1/2。

假設(shè)負(fù)電壓回流線節(jié)點(diǎn)c4流向節(jié)點(diǎn)d4的電流為I4/2，則節(jié)點(diǎn)c2流向節(jié)點(diǎn)m2的電流為(IS1+I4/2)，節(jié)點(diǎn)d2流向節(jié)點(diǎn)m2的電流為(IS2-I4/2)，節(jié)點(diǎn)m流向節(jié)點(diǎn)c的電流為(IS1+I4)，節(jié)點(diǎn)m流向節(jié)點(diǎn)d的電流為(IS1-I4)。一般地，假設(shè)正電壓饋電接觸網(wǎng)(軌)、負(fù)電壓回流線和走行軌的單位長(zhǎng)度電阻相等且為r。在圖4中，線段c2m2和線段cm的長(zhǎng)度均為l1，線段m2d2和線段md的長(zhǎng)度均為l2。根據(jù)DCAT基本原理的電壓關(guān)系和圖4中各支路的電流關(guān)系，得到Ucd=0。

由Uab=0、Ubc=0和Ucd=0表明，不管走行軌區(qū)段有沒有列車運(yùn)行，其與DCAT中性端相連接的節(jié)點(diǎn)電位都為0。因此走行軌列車在位置m的軌道電位Em為

(10)

由式(10)和圖4可知，最高軌道電位Em，max發(fā)生在l1=l2處，即列車運(yùn)行在走行軌區(qū)段的中點(diǎn)。把式(5)和式(6)代入后，得到其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

(11)

式(10)和式(11)表明，當(dāng)線路單位長(zhǎng)度的電阻和列車電流一定時(shí)，走行軌的軌道電位只與DCAT之間的走行軌區(qū)段長(zhǎng)度有關(guān)，且最高軌道電位發(fā)生在列車運(yùn)行的兩個(gè)DCAT之間走行軌區(qū)段的中點(diǎn)處。由于式(11)中l(wèi)0是兩個(gè)牽引變電所供電區(qū)間長(zhǎng)度的1/N，故一組列車運(yùn)行時(shí)，DCAT牽引供電系統(tǒng)中的最高軌道電位是傳統(tǒng)直流牽引供電系統(tǒng)最高軌道電位的1/N。

以上分析的是兩個(gè)牽引變電所之間只有一組列車運(yùn)行的情況。如果兩個(gè)牽引變電所供電區(qū)間有多組列車運(yùn)行時(shí)，通過進(jìn)一步分析可知，走行軌的軌道電位只與兩個(gè)DCAT之間的走行軌區(qū)段長(zhǎng)度和該區(qū)段內(nèi)運(yùn)行列車的電流有關(guān)，即兩個(gè)牽引變電所之間的走行軌區(qū)間有多組列車運(yùn)行，但每?jī)蓚€(gè)DCAT之間走行軌區(qū)段只有一組列車運(yùn)行時(shí)，其走行軌區(qū)段的軌道電位只與該走行軌區(qū)段內(nèi)運(yùn)行列車的牽引電流有關(guān)，與其他列車的牽引電流無關(guān)。而在傳統(tǒng)直流牽引供電系統(tǒng)中，軌道電位由所有列車在走行軌上的牽引電流之和決定，運(yùn)行列車越多，軌道電位越高。

故多組列車運(yùn)行時(shí)，DCAT牽引供電系統(tǒng)中的軌道電位只需考慮兩個(gè)牽引變電所供電區(qū)間內(nèi)牽引電流最大的那列車，而傳統(tǒng)直流牽引供電系統(tǒng)的軌道電位需要考慮在供電區(qū)間內(nèi)所有列車的牽引電流。

4.3無列車運(yùn)行區(qū)段的迷流電流和迷流電量

由Uab=0和Ubc=0可知，無列車運(yùn)行的走行軌ab區(qū)段和走行軌bc區(qū)段沒有電流流過。因此，無列車運(yùn)行區(qū)段的迷流電流為零，進(jìn)而迷流電量也為零。

4.4有列車運(yùn)行區(qū)段的迷流電流和迷流電量

在圖4中，走行軌cd區(qū)段為有列車的運(yùn)行區(qū)段。假設(shè)兩個(gè)牽引變電所之間的走行軌長(zhǎng)度為L(zhǎng)t，對(duì)地平均電阻為Re1；傳統(tǒng)直流牽引供電系統(tǒng)中(即沒有DCAT)列車走行軌對(duì)地平均電壓為Ur1，則在傳統(tǒng)直流牽引供電系統(tǒng)中，列車對(duì)地的平均迷流(即漏電流)為

(12)

采用DCAT牽引供電系統(tǒng)后，由于列車運(yùn)行的兩個(gè)DCAT之間走行軌區(qū)段的長(zhǎng)度l0=Lt/3，因此走行軌區(qū)段對(duì)地并聯(lián)的單位電阻數(shù)得以減少，對(duì)地分布的電阻值得以增大。走行軌區(qū)段對(duì)地電阻Re2是走行軌對(duì)地總電阻的3倍，走行軌區(qū)段對(duì)地平均電壓Ur2是走行軌平均電壓的1/3，即

(13)

由式(13)可得到兩個(gè)DCAT之間列車對(duì)地的迷流電流為

(14)

迷流電流對(duì)金屬構(gòu)件造成的電化學(xué)腐蝕，實(shí)質(zhì)是指迷流電流和時(shí)間的乘積，即迷流電量對(duì)金屬構(gòu)件造成的電化學(xué)腐蝕，就像電解金屬一樣，相同的電流值，電解的時(shí)間越長(zhǎng)，造成的金屬腐蝕就會(huì)越多。

假設(shè)列車在走行軌長(zhǎng)度為L(zhǎng)t的兩個(gè)牽引變電所之間的平均運(yùn)行時(shí)間為Tt，那么列車運(yùn)行在傳統(tǒng)直流牽引供電系統(tǒng)中兩個(gè)牽引變電所之間的時(shí)間內(nèi)，迷流電流造成的電化學(xué)腐蝕的迷流電量Qstray1為

Qstray1=Istray1Tt

(15)

采用DCAT牽引供電系統(tǒng)后，由于兩個(gè)DCAT之間走行軌區(qū)段的長(zhǎng)度為L(zhǎng)t/3，因此平均運(yùn)行時(shí)間也將縮短為Tt/3。那么，列車運(yùn)行在DCAT牽引供電系統(tǒng)兩個(gè)AT區(qū)段內(nèi)，迷流電流造成的電化學(xué)腐蝕的迷流電量Qstray2為

(16)

由式(14)、式(16)可以推論出，當(dāng)圖4中的兩個(gè)牽引變電所之間的DCAT把走行軌分成N等份時(shí)，迷流電流為

(17)

迷流電流造成的電化學(xué)腐蝕的迷流電量為

(18)

上述結(jié)果表明，在DCAT牽引供電系統(tǒng)中，沒有列車運(yùn)行的走行軌區(qū)段不會(huì)產(chǎn)生迷流電流；有列車運(yùn)行的走行軌區(qū)段會(huì)產(chǎn)生迷流電流，但迷流電流的大小與走行軌區(qū)段數(shù)N的平方成反比，迷流電流造成的電化學(xué)腐蝕的迷流電量與走行軌的區(qū)段數(shù)N的3次方成反比。

5DCAT牽引供電系統(tǒng)線路電壓損失的減小

從圖4中可知，當(dāng)列車運(yùn)行至兩個(gè)牽引變電所之間線路的中點(diǎn)時(shí)，即列車運(yùn)行在bc區(qū)段走行軌的中點(diǎn)時(shí)，線路電壓損失最大。通過對(duì)傳統(tǒng)直流牽引供電系統(tǒng)雙端供電和圖4的DCAT供電系統(tǒng)的電壓損失進(jìn)行比較可知，一組列車運(yùn)行到bc區(qū)段走行軌中點(diǎn)時(shí)，bc區(qū)段的電壓損失對(duì)于傳統(tǒng)直流牽引供電系統(tǒng)和DCAT牽引供電系統(tǒng)都是一樣的。假設(shè)bc區(qū)段的電壓損失為ΔU，對(duì)于傳統(tǒng)直流牽引供電系統(tǒng)來說，ab區(qū)段的電壓損失為2ΔU；而對(duì)于DCAT牽引供電系統(tǒng)來說，由于ab區(qū)段的電流減小了50%，所以電壓損失也減小了50%，仍為ΔU。當(dāng)兩個(gè)牽引變電所之間有N(奇數(shù))等分區(qū)段時(shí)，可以得到傳統(tǒng)直流牽引供電系統(tǒng)的電壓損失ΔU1為

(19)

同理可得DCAT牽引供電系統(tǒng)的電壓損失ΔU2為

(20)

由式(19)和(20)得到傳統(tǒng)直流牽引供電系統(tǒng)與DCAT牽引供電系統(tǒng)中線路的電壓損失比為

(21)

由式(21)知，圖4所示的DCAT牽引供電系統(tǒng)N=3，故電壓損失比為2/3。

6DCAT牽引供電系統(tǒng)線路損耗的降低

從圖4中可知，列車運(yùn)行在cd區(qū)段走行軌上，全部列車電流流過cd區(qū)段的正電壓饋電接觸網(wǎng)(軌)和走行軌，但正電壓饋電接觸網(wǎng)(軌)和走行軌上兩個(gè)相反方向的電流此升彼降的變化率與傳統(tǒng)直流牽引供電系統(tǒng)有所不同，因此線損有所不同。另外，cd區(qū)段的負(fù)電壓回流線的電流是走行軌上兩個(gè)方向電流之差的一個(gè)函數(shù)，線損很小，因此，cd區(qū)段的線路損耗與傳統(tǒng)直流牽引供電系統(tǒng)相當(dāng)。由于ab區(qū)段和bc區(qū)段線路上供電電壓為列車電壓的2倍，故列車獲得相同牽引功率時(shí)，ab區(qū)段和bc區(qū)段線路的電流只有傳統(tǒng)直流牽引供電系統(tǒng)電流的1/2，相應(yīng)地，ab區(qū)段和bc區(qū)段線路的損耗為傳統(tǒng)直流牽引供電系統(tǒng)的1/4。

假設(shè)DCAT把兩個(gè)牽引變電所之間的走行軌均分為N份，傳統(tǒng)直流牽引供電系統(tǒng)中每一份線路的損耗為Pline0，則在傳統(tǒng)直流牽引供電系統(tǒng)中，兩個(gè)牽引變電所之間的線路損耗為

Pline-loss1=NPline0

(22)

而DCAT牽引供電系統(tǒng)中兩個(gè)牽引變電所之間的線路損耗為

(23)

由式(22)和(23)得到傳統(tǒng)直流牽引供電系統(tǒng)與DCAT牽引供電系統(tǒng)中線路的損耗關(guān)系為

(24)

由式(24)可知，N越大，線損減小量就越大。顯然，圖4所示的DCAT牽引供電系統(tǒng)的線損只有傳統(tǒng)直流牽引供電系統(tǒng)的50%。

7結(jié)語

為解決城市軌道交通迷流電流的危害，本文提出了基于直流自耦變壓器(DCAT)的牽引供電系統(tǒng)。DCAT牽引供電系統(tǒng)的基本構(gòu)架是：在傳統(tǒng)直流牽引供電系統(tǒng)上，增加負(fù)電壓回流線以及沿線每隔一定區(qū)間設(shè)置DCAT。DCAT由電力電子開關(guān)和直流電容器構(gòu)成，3個(gè)出線端分別連接正電壓饋電接觸網(wǎng)(軌)、走行軌和負(fù)電壓回流線。DCAT牽引供電系統(tǒng)不僅能很好地解決迷流電流的危害，還能減小線路的電壓損失和功率損耗，同時(shí)還能兼作列車制動(dòng)能量的吸收裝置。

假定DCAT牽引供電系統(tǒng)的DCAT把兩個(gè)牽引變電所之間的軌道線路分為N等份。本文分析了DCAT牽引供電系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，得到如下結(jié)論：

1) DCAT牽引供電系統(tǒng)與傳統(tǒng)牽引供電系統(tǒng)相比，迷流電流大大減小，進(jìn)而造成電化學(xué)腐蝕的迷流電量也大大減小。當(dāng)走行軌長(zhǎng)度和列車牽引電流都相同時(shí)，前者的迷流電流是后者的1/N2，前者的迷流電量更是進(jìn)一步減少，只有后者的1/N3；

2) DCAT牽引供電系統(tǒng)與傳統(tǒng)牽引供電系統(tǒng)相比，其軌道電位大大降低：?jiǎn)瘟熊囘\(yùn)行雙邊供電時(shí)，前者的最高軌道電位是后者的1/N；多組列車運(yùn)行雙邊供電時(shí)，前者的軌道電位只需考慮供電區(qū)間內(nèi)牽引電流最大的那列車，而后者的軌道電位需要考慮供電區(qū)間內(nèi)所有列車的牽引電流;

3) DCAT牽引供電系統(tǒng)引入了負(fù)電壓回流，在牽引供電網(wǎng)絕緣等級(jí)和列車供電電壓都不變的前提下，牽引網(wǎng)的供電電壓是傳統(tǒng)直流供電電壓的2倍，牽引網(wǎng)電流是列車電流的1/2。既減小了線路的電壓損失，又大大減小了線路的功率損耗;

4) 由于軌道電位的降低和牽引網(wǎng)電壓的升高，在現(xiàn)有的城市軌道交通供電設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)下，DCAT牽引供電系統(tǒng)的供電區(qū)間可以得到有效延長(zhǎng)，從而可以減少牽引變電所的數(shù)量，降低牽引供電系統(tǒng)成本;

5) DCAT牽引供電系統(tǒng)中的DCAT不需要引入外部信號(hào)控制，簡(jiǎn)單獨(dú)立，且可以兼作列車再生制動(dòng)能量的吸收裝置;

6) DCAT牽引供電系統(tǒng)簡(jiǎn)單，只需在傳統(tǒng)直流牽引供電系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加DCAT和回流線，因此傳統(tǒng)直流牽引供電系統(tǒng)很容易改造升級(jí)成DCAT牽引供電系統(tǒng)；

7) DCAT牽引供電系統(tǒng)，特別是新建線路的DCAT牽引供電系統(tǒng)，可以對(duì)牽引變電所的整流裝置進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，使得整流裝置是兩組整流器的串聯(lián)。這樣整流裝置的輸出電壓是列車供電電壓的2倍，整流裝置的中點(diǎn)與走行軌直接連接時(shí)，可省去牽引變電所內(nèi)的DCAT以進(jìn)一步降低牽引供電系統(tǒng)成本。

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(編輯：王艷菊)

DC Auto-Transformer Based Traction Power Supply System for Urban Rail Transit

Trillion Q ZhengYang XiaofengYou Xiaojie

(School of Electrical Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044)

Abstract:Electrified urban transit systems dominantly employ running rails as the return-current path for the conventional traction power supply, which corrode electrified rapid-transit system itself and neighboring infrastructure components, such as buried pipelines and underground works destructively and chronically. One new structure of DC traction power supply system for urban transit vehicles is proposed in the paper, which is named DC auto-transformer (DCAT) traction power supply system and can mitigate rail potential and stray current drastically. The DCAT traction power system consists of the conventional traction power supply system, the DCAT and negative voltage return feeder. Analysis results show that the DCAT traction power supply system can mitigate rail voltage drop stray current effectively and can feed regenerative braking power of one transit vehicles to the others because the DCAT which consists of power electronic switches and DC capacitors also serves as energy storage device. In addition, voltage between power feeder and return feeder inherited by the DCAT traction power supply system doubles that by its conventional counterpart. Consequently, both the voltage drop and the power loss from the traction network are reduced very considerably, without any modification to the insulation clearance of traction power network and the supply voltage of transit vehicles.

Key words:urban rail transit; AT power supply system; rail voltage drop; stray current; stray charge; DC auto transformer

doi:10.3969/j.issn.1672-6073.2016.03.021

收稿日期:2015-12-15修回日期: 2016-01-18

作者簡(jiǎn)介:鄭瓊林，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殍F道牽引供電與電力傳動(dòng)、高性能低損耗電力電子系統(tǒng)、電能有源濾波與電能質(zhì)量、光伏發(fā)電與并網(wǎng)控制，tqzheng@bjtu.edu.cn

中圖分類號(hào)U231.8

文獻(xiàn)標(biāo)志碼A

文章編號(hào)1672-6073(2016)03-0091-07