地鐵DC3000V供電制式應(yīng)用研究

摘 要：本文主要就地鐵電壓制式的發(fā)展為切入點，分析了電壓制式的發(fā)展過程，并對地鐵供電應(yīng)用DC3000V供電制式的條件進行詳細(xì)研究。

關(guān)鍵詞：供電制式；供電設(shè)備；牽引供電

1、概述

目前世界各國城市軌道交通電壓制式類型繁多，主要分為DC500、600、750、1000、1200、1500、3000V等。目前國內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中城市軌道交通制式電壓如下：IEC：DC750、1500、3000V；中國標(biāo)準(zhǔn)：DC750、1500V。從修建年代方面看，在早期的地鐵及輕軌系統(tǒng)中，大多數(shù)采用DC750V系統(tǒng)。這是因為當(dāng)時整流設(shè)備大多數(shù)采用水銀整流器，其反向沖擊電壓水平僅能滿足750V電壓的要求，初期的硅二極管也是很難達到1500V及以上電壓的要求。但目前大電流的硅二極管制造技術(shù)已經(jīng)成熟，完全具備更高電壓等級的要求。地鐵電壓等級從時間軸看是一個逐步提高的過程。

從我國的地鐵輕軌發(fā)展史看，七十年代修建成的北京、天津地鐵采用DC750V電壓等級，而在九十年代起建設(shè)的地鐵工程除武漢、昆明外，其它城市均采用DC1500V電壓等級。從DC3000V牽引供電制式的應(yīng)用來看，目前國內(nèi)尚未有運營線路，國外應(yīng)用主要為兩個方向：干線鐵路：意大利等西歐國家、前蘇聯(lián)等加盟共和國；地鐵線路：如格魯吉亞、巴西圣保羅地鐵等。電壓制式與車站間距具有較大的相關(guān)性，對于DC3000V制式，比較適合車站間距在4到10公里的線路，如表1所示。

2、DC3000V牽引供電制式應(yīng)用所需條件

DC3000V牽引供電方案影響整流機組、直流開關(guān)柜、直流電纜等變電所牽引設(shè)備材料，其他交流設(shè)備與DC1500V方案一致。由于目前國內(nèi)針對DC3000V相關(guān)設(shè)備材料尚未形成系統(tǒng)的、完整的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，因此其相關(guān)參數(shù)的選擇需參照DC1500V設(shè)備的選擇標(biāo)準(zhǔn)，相應(yīng)提高一定等級。

2.1整流變壓器

DC3000V系統(tǒng)的整流變壓器，其電壓比仍然為AC35/1.18/1.18，由于低壓側(cè)在整流器內(nèi)部需串聯(lián)，所以，整流變壓器低壓側(cè)的絕緣水平應(yīng)按2.36kV考慮。整流變壓器低壓側(cè)電壓仍然小于3kV，所以，目前的整流變壓器的絕緣水平是可以滿足要求的。DC1500V與DC3000V系統(tǒng)整流變壓器的具體參數(shù)對比分析如下表2：

綜上絕緣水平參數(shù)選取分析，整流變壓器主要參數(shù)為，分接范圍：35±2·2.5%；額定電壓（高壓/低壓/低壓）：35/1.18/1.18kV（整流機組串聯(lián)方式）；相數(shù)：三相；額定容量：3300kVA；絕緣等級：F級；冷卻方式：自然風(fēng)冷。

2. 2整流器

DC3000V整流器實現(xiàn)方式分為兩個三相橋并聯(lián)和兩個三相橋串聯(lián)兩種，兩種方式技術(shù)經(jīng)濟性分析如下表3所示：

綜上經(jīng)濟技術(shù)對比分析，DC3000V整流器采用兩個三相橋串聯(lián)方式，不僅造價較低，且不影響二極管、整流變壓器等主要設(shè)備及元器件的技術(shù)參數(shù)，故推薦本工程DC3000V整流器采用串聯(lián)方式，由兩個串聯(lián)的三相橋構(gòu)成，十二脈波全波整流。但無論采取哪種方式，不存在技術(shù)困難。

DC1500V與DC3000V系統(tǒng)整流器的技術(shù)參數(shù)主要差異為絕緣水平的不同，具體參數(shù)對比分析如下表4：

綜上絕緣水平參數(shù)選取分析，整流器主要參數(shù)為，額定直流電壓：3000V；最高直流電壓：3600V；額定功率：3000kW；工頻耐壓：14kV；沖擊耐壓：30kV；冷卻方式：自然風(fēng)冷。

2. 3直流開關(guān)柜

直流開關(guān)柜采用戶內(nèi)空氣式開關(guān)柜。進線柜和饋線柜均采用手車式結(jié)構(gòu)，開關(guān)為直流快速斷路器；負(fù)極柜采用手動隔離開關(guān)。DC1500V與DC3000V系統(tǒng)直流開關(guān)柜的技術(shù)參數(shù)主要差異為絕緣水平的不同，具體參數(shù)對比分析如下表5：

綜上絕緣水平參數(shù)選取分析，直流開關(guān)柜主要參數(shù)為，額定電壓：DC3000V；最高工作電壓：DC3600V；額定電流：4000A；預(yù)期短路電流峰值：55kA；預(yù)期短路電流穩(wěn)態(tài)值：40kA；工頻耐壓：≥14kV；沖擊耐壓：≥30kV。

2.4直流電纜

目前國內(nèi)DC1500V電纜直接用AC1000V XLPE電纜代替，直流電纜選用銅芯、交聯(lián)聚乙烯絕緣、低煙、無鹵、A類阻燃電纜。DC1500V與DC3000V系統(tǒng)直流電纜的技術(shù)參數(shù)主要差異為絕緣水平的不同，具體參數(shù)對比分析如下表6：

綜上絕緣水平參數(shù)選取分析，直流電纜主要參數(shù)為，額定電壓：3000V；最高工作電壓：3600V；工頻耐壓：11kV/12kV；沖擊耐壓：60kV；絕緣：乙丙橡膠（EPR）；外護套：熱固性材料。

3、DC3000V牽引供電制式應(yīng)用優(yōu)點

（1）越高電壓等級的供電制式，單邊供電距離越遠(yuǎn)，所需的變電所越少，節(jié)約了建設(shè)投資。

（2）采用DC3000V供電制式，由于變電所數(shù)量減少，運營維護成本有所降低少；

（3）推進電壓制式多樣化的發(fā)展，推進設(shè)備國產(chǎn)化率。

4、結(jié)論

根據(jù)以上內(nèi)容的分析和研究，我們知道DC3000V供電制式比較適合車站間距在4到10公里的線路。且相關(guān)設(shè)備在技術(shù)上完全可以實現(xiàn)的，但目前我國缺少DC3000V電壓等級相配套的有關(guān)設(shè)備生產(chǎn)及試驗標(biāo)準(zhǔn)，該電壓等級設(shè)備采購方面需進一步研究。

參考文獻：

[1] GB/T 25890.1 軌道交通地面裝置直流開關(guān)設(shè)備.

[2] GB 1094.11電力變壓器.

[3] GB/T28429軌道交通1500V及以下直流牽引電力電纜及附件.

[4] 孫才勤，陳琪，鄧玉斌.雙向變流型再生電能吸收利用裝置應(yīng)用分析[J].電氣化鐵道，2017，28（04）

[5] 薛揚禹. 地鐵再生制動能量利用方案研究[D].西南交通大學(xué)，2017.

作者簡介：

吳志斌，1985-，男，福建漳平人，本科， 廈門軌道交通集團有限公司，工程師，2008年從事地鐵供電系統(tǒng)方面工作至今。