軌道交通非接觸供電技術的工程應用探討

張鵬

摘 要：本文介紹了應用于交通領域的幾種非接觸供電系統(tǒng)的原理與構成，并綜述了各種應用場景下對非接觸供電技術的需求，最終比選確定可用于工程實際的非接觸供電技術，并給出了幾種應用構想。

關鍵詞：非接觸供電;軌道交通;應用

0 引言

現(xiàn)有的軌道交通，例如高鐵、地鐵、輕軌、低速磁懸浮列車、有軌電車等，其受電方式多采用地面鋪設第三供電軌或空中架設供電網(wǎng)等接觸式供電方案，但接觸式供電帶來如下問題：

（1）系統(tǒng)可靠性、安全性較差，維護繁雜。

（2）速度難以進一步提升。

（3）影響城市景觀，產(chǎn)生視覺污染。

（4）難以適應未來磁浮交通發(fā)展方向。

綜上所述，未來的軌道交通對速度和環(huán)境的友好均提出更高的要求，傳統(tǒng)接觸網(wǎng)很難滿足。這就需要新一代的供電技術來適應這些變化，它應具備以下幾點特征：

（1）能達到更高的運行速度和更高的可靠性。

（2）能運用于磁浮和輪軌交通。

（3）不低于現(xiàn)有接觸網(wǎng)的傳輸功率。

（4）具有更小的安裝體積，盡量對環(huán)境不造成視覺上的影響。

要達成以上目標，就需要采用非接觸供電技術。

1 非接觸供電系統(tǒng)原理與特點

非接觸供電技術（Contactless Power Transfer，CPT）是借助空間電場或磁場將能量從發(fā)射端以無電氣連接的形式傳遞至接收端的全新電能傳輸技術，非接觸供電技術根據(jù)其原理，主要分為電磁感應式（Inductive Power Transfer， IPT）和電場耦合式（Electric Field Power Transfer， EPT）兩大類。

電磁感應方式非接觸供電是通過電場與磁場之間的轉(zhuǎn)換，利用磁場在兩個線圈之間建立耦合關系或交變磁場來傳輸能量，這種傳輸方式根據(jù)其原理還分為“齒諧波直線發(fā)電機”（linear generator， LG）和“空心變壓器”（Inductive Power Transfer ， IPT）。本文主要討論基于LG技術和IPT技術的非接觸供電技術在軌道交通中的應用。

1.1 LG型非接觸供電技術原理與特點

齒諧波直線發(fā)電機是目前少數(shù)投入實用的軌道交通非接觸供電系統(tǒng)，它最成功的應用案例是德國的TR-08高速磁?。瓷虾８咚俅鸥。R-08磁懸浮列車采用有鐵芯長定子同步直線電機作為推進系統(tǒng)和懸浮系統(tǒng)。由于同步直線電機的齒槽效應，當磁浮列車行駛時，除了具有與列車運行速度一致的基本平移速度分量外，還存在著相于列車運行速度5倍及更高倍的平移速度分量，這就是齒諧波。

由于這些相對運動速度更高的齒諧波與發(fā)電機定子線圈存在相對運動，它將在發(fā)電機定子線圈中感應電勢。隨著列車運行速度的提高，該感應電勢頻率及幅值成比例上升。當列車達到一定速度時， 該感應電勢可提供足夠的電能，以供車體用電。

具體到上海高速磁浮運營線，當列車速度達到100 km時，每節(jié)列車傳輸功率約180 kW。

基于齒諧波直線發(fā)電機的LG型CPT系統(tǒng)具有以下的工程應用特點：

（1）系統(tǒng)需要具備長定子的同步直線電機結(jié)構，才能利用地面初級繞組勵磁時產(chǎn)生的齒諧波效應。

（2）對初級和次級之間的氣隙要求較高，需要達到10 mm級別。

（3）高次諧波在次級中產(chǎn)生的感生電動勢僅在列車前進的過程中會產(chǎn)生。

（4）基于齒諧波直線發(fā)電機的非接觸供電裝置能量傳輸功率較小。

1.2 IPT型非接觸供電技術原理與特點

IPT型非接觸供電技術，也稱“空心變壓器”是基于電磁感應的非接觸供電技術，其工作原理是利用磁場在兩個線圈之間建立耦合關系來傳輸能量，當原邊通入交變電流時，在原邊與次變線圈之間產(chǎn)生交變的磁場，該交變磁場在次級線圈中產(chǎn)生隨磁場變化的感應電動勢，提供給次邊負載，最后經(jīng)電力電子變換后直接輸出給用電設備，從而實現(xiàn)電能的無線傳輸。

在軌道交通IPT系統(tǒng)應用中，需要敷設線圈的線路長度以km計，單根導線不可能完成整個系統(tǒng)一次側(cè)線圈敷設。為提高系統(tǒng)效率，一次側(cè)線圈可采用分段敷設形式。

一個典型的軌道交通IPT系統(tǒng)包含以下幾個主要部分構成：IPT整流逆變機組、IPT磁耦合機構（地面發(fā)射線圈、車載拾取線圈）、IPT補償裝置。

IPT型CPT系統(tǒng)具有以下的工程應用特點：

（1）電能傳輸采用電磁感應LC耦合方式，不依賴直線電機，傳輸功率較大（500 kW～1 000 kW）。

（2）允許初級和次級再各方向存在一定的位移，這種空間位置上的松耦合特性非常適合于動磁懸浮列車和傳統(tǒng)的輪軌交通。

（3）空心變壓器的漏磁較大，因此必須考慮交變磁場對周圍其他金屬結(jié)構體的影響。

（4）系統(tǒng)的工作效率受到逆變器效率、補償形式和補償算法的影響，是比較復雜的電氣設備。

IPT系統(tǒng)最為成功的應用是龐巴迪Flexity2有軌電車在德國奧格斯堡項目中采用的“Primove”三相地面繞組線圈，線圈分為5段，該系統(tǒng)最大傳輸功率為250 kW。

此外韓國鐵道科學研究院（KAIST）研制的應用于驅(qū)動高鐵的1 MW無接觸電能傳輸系統(tǒng)，一次側(cè)采用單相線圈，單段線圈長度128 m，二次側(cè)采用4個并聯(lián)接收線圈向負載供電，亦取得了成功。

1.3 CPT技術的性能與安裝條件

根據(jù)前文總結(jié)，應用于軌道交通的CPT技術主要有齒諧波直線發(fā)電機（LG）型和空心變壓器（IPT）這2種主要模式，他們的電氣性能和安裝條件如下：

2 非接觸供電技術的應用分析

2.1 非接觸供電的工程應用場景

對CPT的工程應用分析首先明確其使用場景，以及在對應的應用場景下，對系統(tǒng)的性能需求，并針對不同技術路線的CPT裝置的進行比選。軌道交通領域的使用場景主要有2類：第一類是磁浮軌道交通;第二類是傳統(tǒng)的輪軌交通。

2.1.1 EMS型高速磁浮系統(tǒng)

高速磁浮列車，一般采用長定子繞組同步直線電機，其電力牽引的主要功率施加在地面繞組上。根據(jù)上海高速磁浮示范線情況，現(xiàn)有的5輛編組計算，列車的最大動照需求功率在1 500 kW左右。

在安裝空間方面，直線發(fā)電機線圈（LG系統(tǒng)）就位于懸浮磁鐵表面。同時，還可以在車體轉(zhuǎn)向架下方，軌道梁兩側(cè)德國的TR-08磁浮列車后續(xù)車型就試驗過采用IPT系統(tǒng)為低速段供電，代替原先的剛性接觸軌。

2.1.2 EMS低速磁浮系統(tǒng)

低速磁浮列車一般采用短定子異步直線電機，其牽引動力側(cè)主要在車輛側(cè)，對系統(tǒng)傳輸功率要求更高。短定子的直線電機也決定低速磁浮無法使用LG型CPT裝置。同時，由于其采用常導吸力磁浮，一般在軌道梁兩側(cè)設置F型懸浮磁鐵，因此IPT裝置的設置位置還需要考慮電磁感應與相鄰金屬結(jié)構的影響。

根據(jù)相關資料，某典型的3輛編組低速EMS磁浮列車（Mc1+M+Mc2），最大功率需求約2 000 kW。

安裝方面，線圈安裝于車輛底部的梁體上時，需對軌道梁中部金屬結(jié)構物進行電磁屏蔽，以免產(chǎn)生過大的渦流損耗。同時還需要調(diào)整梁體上信號測速用的交叉電纜，以免產(chǎn)生電磁干擾。另一種思路是設置于軌道梁側(cè)面原用于安裝接觸軌的位置，此處遠離其他設備設施，安裝條件較好。

2.1.3 有軌電車

現(xiàn)代有軌電車是一種中低運量軌道交通系統(tǒng)， 因其地面設置的特點，既需要考慮供電的可靠性、安全性，也需要考慮城市的美觀化要求，比較合適采用非接觸供電系統(tǒng)。

根據(jù)相關資料，以3節(jié)編組的有軌電車為例（Mc1-T-Mc2），其最大功率為約800 kW～900 kW。

安裝方面，現(xiàn)代有軌電車軌道一般采用路面設置。因此，一般采用IPT供電裝置的有軌電車，其供電裝置的設備位置位于車輛底部，兩軌道中間的位置。這樣布置無論對空間利用還是電磁耦合方面的影響都是十分有利的。

2.2 非接觸供電技術的適用性比選

非接觸供電系統(tǒng)應用于工程實際的核心問題主要有3個方面：（1）電氣性能參數(shù)是否滿足要求;（2）安裝是否具備條件;（3）經(jīng)濟性是否合理。

通過上述的列表分析可以看出，空心變壓器技術在全領域具有更好適用性，但經(jīng)濟性較差，這主要由于其需要單獨敷設繞組，增加了投資。

3 幾種CPT系統(tǒng)的工程應用構想

3.1 在高速EMS磁浮中引入IPT系統(tǒng)

高速磁浮系統(tǒng)可以通過搭配IPT系統(tǒng)對LG系統(tǒng)進行補充，在低速段設置IPT繞組向車輛供電。高速磁浮本身動照功率較低，總功率約1 000 kW。IPT逆變器和補償設備電源可以從中壓環(huán)網(wǎng)的軌旁牽引變電所的直流饋線引出，在磁浮列車靠近車站兩側(cè)的低速段上分段設置IPT繞組。系統(tǒng)框圖如下（圖4）：

IPT繞組的分段原則與長定子繞組一致，應按照不小于2倍的車長設置。由于IPT繞組不參與牽引，其換步過程對車輛的行駛沒有體感方面的影響，因此可以采用較為經(jīng)濟合理的“跳蛙法”來節(jié)省饋線電纜數(shù)量。

3.2 有軌電車系統(tǒng)中全線采用IPT系統(tǒng)

有軌電車的牽引供電功率一般低于1 000 kW，比較適合采用IPT系統(tǒng)。全線設置IPT線圈時，由于IPT的分段繞組是不互相連接的，因此在IPT逆變器或者上級牽引所退出運行時，由相鄰的IPT逆變器或者牽引所提供支援，這就需要在IPT逆變器上一級設置直流饋線，以防牽引所整流機組退出運行。同時還需在兩個相鄰IPT繞組段的饋線電纜間設置聯(lián)絡開關，以防止IPT逆變器故障。系統(tǒng)框圖如圖5。

同樣的，這種IPT繞組的分段原則，應按照不小于2倍的車長設置，換步可采用較為經(jīng)濟合理的“跳蛙法”來節(jié)省饋線電纜數(shù)量。

4 結(jié)語

本文綜述了LG和IPT兩種非接觸移動供電技術的性能、安裝特點，并重點論述了不同場景下的適用性?？梢钥吹?，IPT模式非接觸供電具有更廣泛的適用性和相對更簡單的地面繞組，是未來非常具有應用前景的CPT技術，應進一步加以研究。

參考文獻：

[1]王立天，李力鵬.高速磁懸浮牽引供電系統(tǒng)[M].北京交通大學出版社，2014.

[2]薛琦.高速磁浮列車無接觸式受流系統(tǒng)的研究田[D].西南交通大學，2013.

[3]武瑛.新型無接觸供電系統(tǒng)的研究[D].中國科學院研究電工所，2004.

[4]金熙宰，李秉憲，李俊昊，等.高速列車1 MW感應功率傳輸系統(tǒng)的開發(fā)[J].西鐵科技，2015（3）：43-48.