城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)分析

李凡

（天津市河北區(qū)福音勞務(wù)服務(wù)中心，天津 300000）

0 前言

城市軌道交通需求的增加，擴大了牽引供電系統(tǒng)的應(yīng)用范圍，使?fàn)恳╇娤到y(tǒng)相關(guān)的理論與技術(shù)研究增多。在新時期背景下，牽引供電系統(tǒng)表現(xiàn)出智能化發(fā)展趨勢，為實現(xiàn)智慧型牽引供電系統(tǒng)建設(shè)目標(biāo)，應(yīng)在智能化發(fā)展基礎(chǔ)上，引進多元先進技術(shù)，推動系統(tǒng)集成化、綜合性發(fā)展，滿足城市軌道交通需求。

1 系統(tǒng)分類與組成

1.1 牽引供電系統(tǒng)的分類

傳統(tǒng)牽引供電系統(tǒng)包括直流制與交流制兩種，目前牽引供電系統(tǒng)已對兩種制式進行整合，發(fā)揮二者協(xié)同優(yōu)勢，為城市軌道交通提供穩(wěn)定、可靠電力供應(yīng)。

直流制牽引供電系統(tǒng)是指直流電供電模式，通常在變電站、接觸網(wǎng)及牽引網(wǎng)處配置1500V 的直流電。因目前城市軌道交通以雙軌為主，其用電量較大，可利用直流制牽引供電系統(tǒng)在軌道交通兩端供電，在一側(cè)牽引供電系統(tǒng)出現(xiàn)故障后，可用另一側(cè)牽引供電系統(tǒng)保障穩(wěn)定供電，使軌道交通正常運行。

在直流制牽引供電系統(tǒng)中，具備雜散電流保護功能，有時還采用預(yù)埋鉛塊和單向?qū)ń拥氐姆绞?，保證產(chǎn)生雜散電流10km內(nèi)軌道極化電位不大于0.5V，電流密度不大于0.6mA/dm2。

但要永久性消除雜散電流的方法目前只有兩種：①負(fù)極回路必須與地面絕對絕緣，寧波地鐵正在使用這種技術(shù)；②采用三相交流供電系統(tǒng)，不僅能夠消除雜散電流，而且工程造價比直流供電系統(tǒng)低，是未來發(fā)展的方向。

交流制牽引供電系統(tǒng)是指交流電供電模式，通過單向鏈接方式運行，需在變電站內(nèi)配置兩臺變壓器，支持雙繞組單相變壓，確保交流制牽引供電系統(tǒng)可形成開口三角形，在城市軌道交通供電系統(tǒng)中，交流制牽引供電系統(tǒng)將電網(wǎng)接入端作為高壓側(cè)，可保障軌道交通用電操作的穩(wěn)定性，并根據(jù)城市軌道交通的實際運行工況，進行各個區(qū)間的優(yōu)化配置，提高供電系統(tǒng)的可靠性及規(guī)范性[1]。

1.2 牽引供電系統(tǒng)的組成

在牽引供電系統(tǒng)組成中，接觸網(wǎng)為核心結(jié)構(gòu)。應(yīng)結(jié)合軌道交通用電需求，合理選擇接觸網(wǎng)，優(yōu)化配置牽引供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，在此之上，應(yīng)合理選擇供電方式，保障牽引供電系統(tǒng)功能發(fā)揮。

在接觸網(wǎng)選擇中，城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)可用的接觸網(wǎng)包括柔性與剛性兩類。柔性接觸網(wǎng)具備導(dǎo)向運行作用，可有效控制支撐點負(fù)荷，適用于輕軌或無軌電車等；剛性接觸網(wǎng)基于力學(xué)結(jié)構(gòu)作用，將傳統(tǒng)軟質(zhì)導(dǎo)線用硬質(zhì)金屬條替代，以剛性懸掛方式建設(shè)接觸網(wǎng)，有助于城市軌道交通運行效率的提高[2]。

在供電方式選擇中，城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)可用的供電方式有雙邊供電、集中供電、直接供電、帶回流線直接供電等。通常來說，地鐵的牽引供電系統(tǒng)以雙邊供電為主；長線路城市軌道交通以集中供電為主；鐵路牽引供電系統(tǒng)以直接供電及帶回流線直接供電為主，實現(xiàn)供電方式特征與城市軌道交通用電需求的有效對接，保障安全可靠穩(wěn)定供電，提高城市軌道交通運行效率與可靠性[3]。

2 智能化系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

隨著城市軌道交通牽引通電系統(tǒng)的發(fā)展，對供電量、供電可靠性與供電穩(wěn)定性提出更高要求。為滿足城市軌道交通需求，專家學(xué)者引進多元先進技術(shù)，建設(shè)智能化城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)，其關(guān)鍵技術(shù)如下。

2.1 智能壽命預(yù)測技術(shù)

智能壽命預(yù)測技術(shù)可有效評估牽引供電系統(tǒng)各個部件的使用壽命，為運維人員更換部件提供參考，保障牽引供電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定供電。就技術(shù)角度而言，智能壽命預(yù)測技術(shù)將IGBT 功率模塊為基礎(chǔ)，收集變流器運行參數(shù)，按照一定算法計算IGBT 模塊的功率損耗，預(yù)測部件的使用壽命。細(xì)化來說，智能壽命預(yù)測技術(shù)是通過數(shù)據(jù)建模計算功率損耗，獲取功率損耗與時間變化間的關(guān)系曲線，就此分析預(yù)測部件使用壽命，為牽引供電系統(tǒng)智能化管理提供技術(shù)支持。

表1 牽引供電系統(tǒng)指標(biāo)對比

2.2 分布式協(xié)同控制技術(shù)

對于城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)來說，分布式協(xié)同控制技術(shù)以“變壓回饋”為核心。在城市軌道列車進站制動過程中，制動功率呈上升趨勢，為保障城市軌道列車運行安全，牽引供電系統(tǒng)應(yīng)將直流電壓控制在一定范圍內(nèi)，避免其超過某個閾值。就此，在城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)中，可利用分布式協(xié)同控制技術(shù)，配置多個能饋裝置，用于吸收制動過程中出現(xiàn)的峰值功率，控制直流電壓，使其處于閾值范圍內(nèi)，保障列車運行安全。

2.3 分布式載波移向技術(shù)

分布式載波移向技術(shù)以高精度的過零點捕獲技術(shù)為核心，技術(shù)人員可通過載波頻率的適當(dāng)調(diào)整，確保過零點相位差保持不變，實現(xiàn)牽引供電系統(tǒng)中部分控制的自同步，有助于牽引供電系統(tǒng)中部分諧波的對消，保障牽引供電系統(tǒng)高質(zhì)量供電。與傳統(tǒng)硬線同步相比，分布式載波移向的應(yīng)用效果更為顯著。

3 智能化系統(tǒng)的發(fā)展方向

基于上述先進技術(shù)，智能化牽引供電系統(tǒng)在城市軌道交通中有取得良好應(yīng)用效果，為城市軌道交通發(fā)展提供有效保障。在牽引供電系統(tǒng)的未來發(fā)展中，技術(shù)人員應(yīng)將目前的智能化系統(tǒng)為基礎(chǔ)，結(jié)合城市軌道交通的特征要求及技術(shù)要求，明確智能化系統(tǒng)的發(fā)展方向，加強理論與技術(shù)研發(fā)，推動牽引供電系統(tǒng)的進一步發(fā)展。

3.1 智能化系統(tǒng)的特征要求

在新一代智能化牽引供電系統(tǒng)研發(fā)中，技術(shù)人員可從牽引供電系統(tǒng)的發(fā)展趨勢入手，逐步增加牽引供電系統(tǒng)的功能，提高其性能，為城市軌道交通發(fā)展提供更優(yōu)質(zhì)的技術(shù)保障。細(xì)化來說，不同時代的牽引供電系統(tǒng)指標(biāo)對標(biāo)如表1 所示。

根據(jù)表1 對比可知，在新一代智能化牽引供電系統(tǒng)中，技術(shù)人員應(yīng)將傳統(tǒng)雙向變流更換為四象限變流器，以此簡化牽引供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，拓展功能，加強性能，進而降低建設(shè)成本與運維成本，提高牽引供電系統(tǒng)智能化水平。

3.2 智能化系統(tǒng)的技術(shù)要求

為實現(xiàn)新一代智能化牽引供電系統(tǒng)的功能與性能，技術(shù)人員可引進以下先進技術(shù)，進一步提高牽引供電系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，滿足牽引供電系統(tǒng)的發(fā)展需求，推動城市軌道交通的高速發(fā)展。

（1）最優(yōu)容量配置技術(shù)。在新一代智能化牽引供電系統(tǒng)建設(shè)中，技術(shù)人員可根據(jù)城市軌道交通各項數(shù)據(jù)，進行系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化配置。細(xì)化來說，技術(shù)人員可根據(jù)列車參數(shù)，計算牽引功率、制動功率及電子制動最大電壓；根據(jù)線路條件，計算線路坡度、站間距及線路阻抗；根據(jù)運營組織，計算發(fā)車密度、客流狀況，綜合上述參數(shù)，進行牽引供電系統(tǒng)的最優(yōu)容量配置，減少能耗，增強節(jié)能效果，實現(xiàn)資源的最大化利用。

（2）功率因數(shù)補償技術(shù)。在牽引供電系統(tǒng)中，為減少能耗，技術(shù)人員可引進先進功率因數(shù)補償技術(shù)，基于四象限變流器的高運行性能，可實施分布式無功補償，由四象限變流器發(fā)出牽引供電系統(tǒng)所需的無功功率，進行無功補償，簡化牽引供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，降低建設(shè)成本與運維成本。

（3）在線智能融冰技術(shù)。在城市軌道交通運行中，易受惡劣天氣影響，導(dǎo)致接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象。在以往的城市軌道交通運維中，大都由運維人員應(yīng)用專業(yè)設(shè)備處理結(jié)冰問題，表現(xiàn)出效率低、效果差等問題，不滿足城市軌道交通運行需求。在此基礎(chǔ)上，技術(shù)人員可引進在線智能融冰技術(shù)，利用牽引供電系統(tǒng)控制模式的優(yōu)化，實現(xiàn)遠(yuǎn)程在線融冰，確保城市軌道交通供電系統(tǒng)在惡劣天氣下正常運行，切實發(fā)揮緩解城市交通擁堵的作用。

（4）智能故障診斷技術(shù)。在新一代智能化牽引供電系統(tǒng)設(shè)計中，技術(shù)人員可利用傳感器技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及大數(shù)據(jù)技術(shù)，全面采集牽引供電系統(tǒng)各個部件的運行參數(shù)及特征量數(shù)據(jù)，利用收集的海量數(shù)據(jù)形成數(shù)據(jù)庫，深入挖掘牽引供電系統(tǒng)部件的運行數(shù)據(jù)規(guī)律。在此基礎(chǔ)上利用累積損傷技術(shù)與特征量辨識技術(shù)，評估系統(tǒng)部件的健康狀況，對故障系統(tǒng)部件進行智能診斷，便于運維人員進行預(yù)防性維修，延長部件使用壽命，減少部件的運維成本，保障牽引供電系統(tǒng)的長期穩(wěn)定運行。

4 結(jié)論

綜上所述，牽引供電系統(tǒng)的組成相對復(fù)雜，在構(gòu)建智能化牽引供電系統(tǒng)時，可引進智能壽命預(yù)測技術(shù)、分布式協(xié)同控制技術(shù)、分布式載波移向技術(shù)，為研發(fā)新一代智能化牽引供電系統(tǒng)，技術(shù)人員應(yīng)綜合考慮特征要求與技術(shù)要求，實現(xiàn)牽引供電系統(tǒng)的轉(zhuǎn)型升級，推動其高質(zhì)量發(fā)展。