地鐵牽引供電系統(tǒng)關鍵技術分析

楊 方

中交二公局電務工程有限公司 陜西 西安 710109

從目前城市化發(fā)展情況來看，存在著嚴重的交通擁堵問題，這也影響到城市居民的正常出行?；诖?，很多地區(qū)開始興建地鐵工程，借助地鐵載客能力強、運輸速度快的優(yōu)勢，來分擔城市運輸壓力。在地鐵工程修建過程中，牽引供電系統(tǒng)屬于重要的組成內容，通過優(yōu)化系統(tǒng)相關內容，提升系統(tǒng)運行過程的安全性，對于提升列車運輸安全性有著積極地意義。

1 地鐵牽引供電系統(tǒng)基礎內容

1.1 基本分類

1.1.1 直流電力牽引系統(tǒng) 對于早期的直流傳動，電動機主要采用凸輪調節(jié)電阻的方式進行電壓調節(jié)，但是這種方式會引起很大的沖擊電流?，F(xiàn)在的方式主要有依靠直流電源經一電流變換器向直流牽引電動機供電。斬波調速即脈寬調速，能夠調節(jié)電動機的輸入電壓平均值，其原理是，當直流電源電壓基本不變時，利用電子開關的通斷，使施加在電動機兩端的電壓脈沖寬度占空比發(fā)生改變。這個過程就是直流電動機的平滑無級調速過程，即通過斬波器對牽引電動機的兩端的電壓進行平滑的、連續(xù)的調節(jié)并通過改變晶閘管的移向角改變輸出電壓，最終達到調速目的。

1.1.2 交流電力牽引系統(tǒng) 使用交流電機供電的地鐵列車，一般采用鼠籠式異步電動機，交流地鐵列車采用的調速方式是變頻調速，可把固頻交流電換為可調壓、調頻的交流電，并有變頻器向交流電動機供電。這種控制方式的優(yōu)點包括:第一，由于中間部分的直流電壓保持不變，強迫換流的線路則會很簡單；第二，調頻調壓均可由逆變器內部實現(xiàn)，可排除直流濾波回路的參數影響而實現(xiàn)快速調節(jié)；第三，電源側功率因數較高，減少了高次諧波對電網的影響；第四，可以將輸出電壓調制成姍波，減少了低次諧波，從而解決了電動機在低頻區(qū)的轉矩脈動問題，也降低了電動機的諧波損耗與噪聲。

1.2 供電方式 在供電方式的選擇中，常用方式如下:第一，直流供電模式，該供電方式在應用中比較簡單，系統(tǒng)所輸出的電能可以直接供給列車運行，具有系統(tǒng)組成簡單、運營成本低等優(yōu)勢。但是該方式在應用中的平衡態(tài)較差，回路電阻較大，不適用長距離(超過20km)列車系統(tǒng)運行需求。第二，吸流變壓器供電方式，其原理在于在線路上布設吸流變壓器，使其可以將原線路串接到接觸網中，同時從次邊串聯(lián)回流線，并將一根上線設置在相鄰吸流變壓器中間，使其可以與回流線、軌道關聯(lián)在一起，這樣在線路運行過程中能夠順利將回流吸回，起到抗干擾的作用。第三，自耦變壓器供電模式，在牽引供電系統(tǒng)采用該模式進行供電時，其輸出電壓值在55―60kv，在線路分配上，其中一端會和正饋線連接在一起，另一端則會與接觸網聯(lián)系在一起，并在中點抽頭位置引出線與鋼軌相連，在穩(wěn)定供電的同時，可以起到良好的抗干擾能力和防雷功能。

2 地鐵牽引供電系統(tǒng)運行關鍵技術分析

2.1 電力電纜參數選擇

為了確保牽引地鐵系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，首要任務便是確保電力電纜參數選擇結果的合理性。以單芯電纜為例，如圖一所示，從外向內依次由外護套、鎧裝層、絕緣護層、金屬屏蔽層、絕緣層和線芯，目前在線芯材料的選擇中，主要使用到的材料為來銅線、鋁線、銅芯鋁外殼等，而常用的絕緣層則使用到PVC、XLPE等材料來制作，金屬屏蔽層多使用多根金屬材料來完成編織處理，進而提升分析結果的可靠性。另外，在電力電纜分析過程中，還需要做好線芯與屏蔽層之間的電容計算，具體計算公式為C＝kC×10―6/(lnr1―lnr2)，其中r1表示線纜屏蔽層半徑，計量單位為 m；r2表示線纜線芯半徑，計量單位為m；k表示計量常數，查看相關表格進行查詢；C表示介電常數。

圖一 單芯電纜構成示意圖

2.2 完成電壓損失計算 在系統(tǒng)應用設計中，也需按要求進行電壓損失值計算，這也是完善供電系統(tǒng)的基礎要求。如圖二所示，假定此時有電流I通過線路，而線路內的阻抗值為Z，那么此時利用線路電壓計算公司，能夠得到相應的電壓計算公式，根據公式還可以繼續(xù)計算電壓損失量。從目前地鐵工程運行情況來看，機車的功率因數也處于不斷提升的狀態(tài)，這樣也造成功率因數角度不斷縮小，而相互之間的幾何關系也出現(xiàn)擴大的情況，此時如果忽略掉該角度，也會帶來較大的應用誤差，此過程也會利用向量計算法來完成內容分析，從而根據計算得到的損失值來確定牽引網參數。

圖二 列車載流線路圖

2.3 合理選擇供電網選型 為了滿足地鐵運行過程的基礎需求，在應用過程中也需要做好供電網選型工作，具體網絡會由系統(tǒng)供電線與回流線構成，在對其進行分析時，可以將其看做是二導線傳輸模型來進行分析。基于以往的應用數據可以了解到，在系統(tǒng)運行過程中，鋼芯鋁絞線在應用過程中所產生的阻抗值和感抗值均超過傳統(tǒng)的單、雙芯電纜，而且此類電纜在布設時的架空線應用了裸露的導線，同時并沒有布置絕緣層，這也使得兩組導線在鋪設過程中，其間距明顯超過了傳統(tǒng)線纜，屬于比較適合的網線選擇。但是此類電纜只能使用架空的方式進行布置，在地鐵供電系統(tǒng)中不太適用，這也是線路后續(xù)改良過程中的參考方向。

2.4 供電回路選型處理 為了提升地鐵運行過程的穩(wěn)定性，在應用過程中也需要做好供電回路選型處理，具體網絡會由柔性接觸網、剛性接觸網組成，在對其進行分析時，可以利用Carson公式來完成模型參數的計算工作，從而提升所分析結果的可靠性。以柔性接觸網為例，該接觸網系統(tǒng)在應用過程中，其內容包括了接觸線、加強線、承力索系統(tǒng)等，在系統(tǒng)的網載流量也會和導線之間的載流量存在著較強的關聯(lián)性。在系統(tǒng)運行過程中，需要對接觸網所產生的阻抗值和感抗值進行計算，根據技術所得結果來判斷系統(tǒng)目前運行狀態(tài)的可靠性，動態(tài)調整接觸網參數，從而提升系統(tǒng)設計內容的合理性與可靠性。

2.5 供電回路電流分布處理 地鐵工程在運行過程中，需要確保供電過程的持續(xù)性和穩(wěn)定性，并且在系統(tǒng)全線運行的過程中，也需要做好接觸回路電流分布計算，該內容的計算結果也會直接影響到系統(tǒng)運行狀態(tài)。在具體的計算過程中，可供選擇的計算方法較多，選擇某一類計算方法進行分析。在該方法的計算過程中，會以回流線路為基礎，沿著相鄰四所進行取流，選擇恰當的取流點進行分析，并且在分析過程中，需要對系統(tǒng)內牽引變壓器阻抗、接觸供電網阻抗等數值進行采集，帶入到公式中對其進行計算，根據計算結果來完成分布處理內容的優(yōu)化工作，提升分析結果的使用價值。

2.6 供電網電流優(yōu)化計算 除了上述提到的應用內容外，在牽引供電系統(tǒng)設計過程中還需要注重供電網電流優(yōu)化計算工作。該內容的合理性也會對整個系統(tǒng)的工作狀態(tài)來較大影響，從目前的計算情況來看，進行該內容計算時，可以進行選擇的方法相對較多，從中選擇某一類計算方法來進行細致敘述。在該方法的計算過程中，會以供電網線路為基礎，對于負載取流內容進行梳理，在區(qū)域內劃分為若干個應用區(qū)域，并且在其中選擇恰當的取流點進行分析，而且在內容分析過程中，也會對系統(tǒng)牽引變壓器阻抗、供電網阻抗、供電網感抗參數進行采集，將這些數值帶入到公式中對其進行計算，并且根據計算結果對于供電網節(jié)點內容進行優(yōu)化，以穩(wěn)定整個供電網絡運行效果[1]。

3 地鐵牽引供電技術發(fā)展分析

3.1 再生制動與儲能技術 從目前的發(fā)展情況來看，在牽引供電系統(tǒng)未來發(fā)展過程中，再生制動與儲能技術有著良好的發(fā)展趨勢，該技術主要針對直流牽引供電系統(tǒng)，此系統(tǒng)在應用過程中存在著整流運行環(huán)節(jié)，此時會缺少穩(wěn)定電流來穩(wěn)定輸電網運行狀態(tài)?；诖嗽谙到y(tǒng)應用中也需要合理設計儲能吸收裝置，對于能量進行臨時存儲，以滿足供電系統(tǒng)穩(wěn)定運行的相關要求。目前研究的主流存儲方式包括地面儲能模式與車載儲能模式，但是從目前的使用情況來看，車載儲能模式在地鐵運行中具備了更好的節(jié)能性，而且在發(fā)展中還可以對軌道啟停過程中產生的沖擊進行合理避免，進而提升兩列車運行狀態(tài)的穩(wěn)定性[2]。

3.2 永磁同步牽引技術 在牽引供電系統(tǒng)未來發(fā)展過程中，永磁同步牽引技術在未來發(fā)展過程中，也具備了良好的應用優(yōu)勢，并且也具有了非常良好的發(fā)展前景。在具體應用中，該技術具備了更好的節(jié)能性，依托于永磁設備特點，也可以減少列車運行過程中的銅損耗與鐵損耗，基于可靠數據，可以節(jié)省至少10%的資源損耗。同時系統(tǒng)在應用中，也具備了較強的功率密度，這對于系統(tǒng)體積的縮減有著積極地意義，常規(guī)狀態(tài)下其縮減率可以達到30%左右，同時也具備了更加良好的轉矩優(yōu)勢，從而提升系統(tǒng)運行過程中動力來源的穩(wěn)定性。另外，在應用設計中，也會應用到一體化設計，并將其封閉在密閉空間當中，起到降低系統(tǒng)噪音的作用[3]。

3.3 輕量化處理設計 在牽引供電系統(tǒng)未來發(fā)展過程中，輕量化處理設計也屬于非常重要的發(fā)展方向，這也是降低列車供電過程能耗的重要保障。在列車設計過程中，牽引供電系統(tǒng)也屬于整個運營系統(tǒng)載重的重要組成，基于此也需要在后續(xù)發(fā)展中對其展開輕量化設計，從而起到減少能耗的作用。具體應用設計中，會使用到先進性更強的功率器件，同時也會對常規(guī)電容元件、電抗組件進行優(yōu)化，以降低整個系統(tǒng)的總重量。另外，在優(yōu)化設計過程中，也會對列車箱體結構來完成優(yōu)化設計，例如，將鋁合金材料作為新的箱體制作材料，此類材料的耐腐蝕性更強，滿足輕量化應用優(yōu)勢[4]。

3.4 新型半導體技術 除了上述應用內容外，在牽引供電系統(tǒng)未來發(fā)展過程中，新型半導體技術也屬于非常重要的發(fā)展方向，這也是持續(xù)優(yōu)化供電系統(tǒng)的重要保障。例如，目前許多地區(qū)會將SiC材料作為半導體制作原料，相比以往的單質硅材料，其運行速度更快，而且在應用過程中的損耗量也會減少，這樣也可以更好的應對關斷拖尾電流問題，提升系統(tǒng)轉換過程的應用質量。另外，該技術在應用過程中，SiC材料組成結構的便捷性更強，可以改善系統(tǒng)對于器件工作狀態(tài)的冷卻需求，使其可以更好地滿足輕量化特征，提升供電系統(tǒng)運行過程的可靠性與經濟性[5]。

結束語

綜上所述，在地鐵系統(tǒng)運行過程中，牽引供電系統(tǒng)屬于重要的組成部分，通過融入合理技術來優(yōu)化整個運行系統(tǒng)，不僅可以提升系統(tǒng)運行質量，而且對于提升系統(tǒng)工作狀態(tài)安全性也有著積極地作用。