新技術(shù)在城市軌道交通牽引設備的應用和發(fā)展趨勢

摘 要：當下我國各個領(lǐng)域的發(fā)展都有了質(zhì)的飛躍，這一影響讓人們的生活質(zhì)量在不同方面都發(fā)生了改變。在這一背景下，交通行業(yè)也算有了一番嶄新的變化。城市軌道交通作為交通行業(yè)不可或缺的一部分，在近年來為群眾帶來了很大的幫助。所以針對城市軌道交通牽引供電技術(shù)，其作為城市軌道交通系統(tǒng)中的核心，也能在很大程度上促進城市軌道交通的進一步發(fā)展。由此，本文將對新技術(shù)在城市軌道交通牽引設備的應用和發(fā)展趨勢進行研究，希望可以為我國的交通行業(yè)提供幫助。

關(guān)鍵詞：城市軌道 新技術(shù) 牽引設備 發(fā)展趨勢

Abstract：At present， the development of various fields in China has made a qualitative leap， and this impact has changed people's quality of life in different aspects. In this context， the transportation industry has also undergone some new changes. As an indispensable part of the transportation industry， urban rail transit has brought great help to the masses in recent years. Therefore， for the urban rail transit traction power supply technology， as the core of the urban rail transit system， it can also greatly promote the further development of urban rail transit. Therefore， this paper will study the application and development trend of new technologies in urban rail transit traction equipment， hoping to provide help for the transportation industry.

Key words：urban rail， new technology， traction equipment， development trend

1 引言

當下城市人口數(shù)量逐年遞增，城市交通問題愈加明顯。我國開始希望通過新的牽引供電技術(shù)來提高我國城市交通的發(fā)展。城市軌道交通的主要特點體現(xiàn)在污染更少、速度更快以及減少城市交通擁堵等方面。值得注意的是，雖然我國交通系統(tǒng)發(fā)展前景較為廣闊，并且技術(shù)手段越來越完善，但隨之而來的一些問題也愈加明顯。因此，還需要結(jié)合實際情況，加大技術(shù)手段的創(chuàng)新力度，并對城市軌道交通中一些關(guān)鍵技術(shù)保持高度重視，特別是牽引供電系統(tǒng)，更要特別注重優(yōu)化與創(chuàng)新，這樣不僅有利于最大程度發(fā)揮電力技術(shù)的應用功能，更能真正實現(xiàn)城市軌道交通的有序健康高質(zhì)量發(fā)展目的。

2 新技術(shù)的應用背景及發(fā)展現(xiàn)狀

新技術(shù)的應用背景及現(xiàn)狀，與其他軌道交通相比，城市軌道交通是一種節(jié)能環(huán)保的交通方式，但隨著其規(guī)模的不斷擴張，它自身的能源消耗已經(jīng)成為制約其進一步發(fā)展的瓶頸。北京在2008年用掉了6.5億千瓦時的電力，相當于整個社會的1%，相當于所有工業(yè)部門的能源消耗。

中國城市軌道交通在近幾年內(nèi)的營運里程不斷增多，營運壓力日益增大，因此，如何提升營運效能，不僅要靠組織與管理，更要運用新科技。我們先來看一看儲能技術(shù)的發(fā)展，目前最常用的是機械儲能、電化學儲能、電動儲能、飛輪儲能、超級電容儲能、電力儲能。

2.1 儲能技術(shù)的發(fā)展和現(xiàn)狀

根據(jù)目前的儲能技術(shù)發(fā)展趨勢，未來在軌道交通中，最有前途的就是鋰離子電池和超級電容。超級電容器的能量密度雖然沒有高速飛輪那么高，但是其功率密度卻是普通的鉛酸電池的數(shù)百倍，壽命長，環(huán)境適應性強，充放電效率高，功率密度高能量密度高，這就是超級電容器的四個顯著特征。但自1997年以后，超級電容就出現(xiàn)了技術(shù)上的瓶頸。儲能技術(shù)的發(fā)展主要體現(xiàn)在四個方面：提高了能量密度，提高了功率密度，降低了成本，提高了使用壽命，使其更廣泛地應用于了軌道交通。

看信息技術(shù)對軌道交通的影響，以太網(wǎng)在地面上的應用越來越多，但是在汽車上，因為對可靠性的要求很高，所以大部分的車輛都是采用 TCN技術(shù)，而現(xiàn)在， TCP/IP的以太網(wǎng)已經(jīng)成為了一個標準的開放式通訊網(wǎng)絡，可以讓不同的廠商之間的設備進行連接;第二，成本低廉，容易建立，而且以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳送能力也很強。

儲能技術(shù)是智能電網(wǎng)的核心技術(shù)，可再生能源的大量應用，特別是風能、太陽能光電等，其隨機性、間歇性、波動性等特點，將會嚴重影響電網(wǎng)的調(diào)峰、運行控制以及供電質(zhì)量。能量儲存技術(shù)可以有效地改善電網(wǎng)接收潔凈能源的能力，同時也可以有效地解決由于大量的清潔能源涌入造成的電網(wǎng)安全性和穩(wěn)定性問題。

運用能量存儲技術(shù)，可以使企業(yè)的能量管理達到最優(yōu)，從而達到節(jié)能的目的。儲能技術(shù)的發(fā)展是保障大規(guī)模清潔能源、保障電網(wǎng)安全和經(jīng)濟運行的關(guān)鍵。由于能量存儲技術(shù)可以在電網(wǎng)中增加存儲鏈，使得“剛性”的實時電力系統(tǒng)更加“柔性”，特別是可以有效地降低因大規(guī)模潔凈能源接入電網(wǎng)造成的波動性，提高電網(wǎng)運行的安全性、經(jīng)濟性和靈活性。儲能技術(shù)一般可分為熱存儲和電能存儲兩大類，而在世界各地，主要集中在電能的存儲上。

2.2 以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和現(xiàn)狀

工業(yè)以太網(wǎng)在實時性、穩(wěn)定性、通信帶寬等方面得到了越來越多的應用。目前，系統(tǒng)已經(jīng)在 PIS、信號、網(wǎng)絡等領(lǐng)域得到了廣泛地應用，并且有逐漸走向多網(wǎng)融合的趨勢。工業(yè)以太網(wǎng)在軌道交通中的應用，能有效地促進各個系統(tǒng)之間的信息交換，同時也能建立起一個大型的實時數(shù)據(jù)庫，為運營和維護提供有力的支持，提高運營效率。

2.3 無線通信技術(shù)的發(fā)展和現(xiàn)狀

與此同時，我們也看到了無線技術(shù)的發(fā)展，4G，聯(lián)通，正在逐漸實現(xiàn)4G、4G的商業(yè)化。隨著3G、4G無線技術(shù)的不斷發(fā)展，車載無線技術(shù)也逐步應用于車輛，通過無線技術(shù)可以即時了解車輛的狀態(tài)，并能在最短的時間內(nèi)解決車輛故障。

3 軌道交通牽引技術(shù)的發(fā)展與應用

為使現(xiàn)代鐵路車輛的牽引控制現(xiàn)代化，必須引進系統(tǒng)運行的牽引控制。在目前的發(fā)展過程中，列車上的電子控制技術(shù)已經(jīng)被淘汰，被電腦控制的電力牽引所取代，它可以由電腦進行自動檢測，實現(xiàn)自動控制。此外，該系統(tǒng)還具備智能信號處理和輸出信號的功能，通過數(shù)據(jù)的傳遞實現(xiàn)對列車的控制，在軌道交通領(lǐng)域有著很高的實用價值。

3.1 牽引驅(qū)動技術(shù)的發(fā)展

目前，我國城市軌道交通的主要能源形式是以電能為主，在動力傳輸方面，針對城市軌道交通的牽引模式，按其電流特性將其劃分為直流驅(qū)動和交流驅(qū)動兩種，其工作原理是將電力輸入到電力引擎，并由引擎來實現(xiàn)對汽車的牽引。其中，直流牽引電機的結(jié)構(gòu)比較復雜，通常采用半控式可控硅來實現(xiàn)對直流的斬波，實現(xiàn)了斬波和相控電壓的融合。隨著技術(shù)的進步，交流驅(qū)動被廣泛地用于鐵路車輛的牽引，而變頻調(diào)速的電壓逆變器的出現(xiàn)，使交流驅(qū)動成為了主要的牽引技術(shù)，上世紀90年代，歐洲一些國家停止了生產(chǎn)，從此銷聲匿跡。

3.2 應用牽引技術(shù)

目前，交流驅(qū)動是最主流的機車牽引技術(shù)，利用牽引變換器對軌道交通進行控制。為了達到牽引變電流的目的，必須在機車的設計中采用變頻調(diào)速裝置，以解決電壓等級的不足。比如德國，日本，曾經(jīng)使用過1200 V、1700 V的三電平，后來又增加了電壓模塊，使其輸出波形更為穩(wěn)定。同時，為了控制車輛的行駛速度和停車模式，必須將車速傳感器和全電剎車結(jié)合起來，以確保電力牽引的靈活性和可靠性。

4 供電系統(tǒng)在城市軌道交通牽引的使用方式

目前，我國城市軌道交通的牽引設備主要采用交流電牽引和直流式直流牽引兩種形式。在我國科技飛速發(fā)展的今天，要實現(xiàn)我國交通運輸業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，最好的辦法就是將這兩種技術(shù)結(jié)合起來，這樣才能發(fā)揮出更大的作用，從而提高工作效率。比如地鐵、輕軌、智能軌道等。保證有充足的供電。另外，為了更好地解決城市軌道交通的安全問題，為市民的出行提供有效的保障，我們必須對城市交通的牽引供電系統(tǒng)和電力技術(shù)進行深入的研究，以便為今后的發(fā)展打下堅實的基礎(chǔ)。

4.1 直流制牽引供電系統(tǒng)

從我國現(xiàn)有的鐵路牽引條件來看，由于直流牽引多采用雙向電力，所以采用直流電力作為牽引電源的方法并不多見。這種方法可以在一條電力線發(fā)生故障時，由另外一條電力線提供電力，以滿足電力供應和城市軌道交通的需要。在建設的過程中，采用了雜散的電流保護技術(shù)，將電力輸送到不同的供電網(wǎng)絡，并進行遠程傳輸。然而，由于牽引式直流電力系統(tǒng)在實際應用中仍然受限于其本身的供電方式，導致了電力傳輸距離的縮短，電力傳輸?shù)男式档?，因而不適合于城市軌道交通的牽引供電系統(tǒng)。

4.2 交流制牽引供電系統(tǒng)

與直流制供電牽引系統(tǒng)相比，交流制牽引供電系統(tǒng)的使用更為廣泛，追溯其根源，其不僅更加安全穩(wěn)定，而且也有利于系統(tǒng)的持續(xù)、正常運行。針對電網(wǎng)接入段的高壓端口來講，其主要作用是為了實現(xiàn)提升用電工作的安全穩(wěn)定性。值得注意的是，因為交流制牽引供電系統(tǒng)中含有自動降壓功能，所以降壓系統(tǒng)是必不可少的，要以各區(qū)域供電需求為基礎(chǔ)，對整個供電系統(tǒng)進行科學合理地設置，這樣才有利于供電系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運行。除此之外，針對交流制牽引供電系統(tǒng)所需設備來講，也要求相關(guān)設備具備明顯的耐磨損性，這樣不僅能為牽引供電系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行提供更加可靠的保障，而且也能在很大程度上增加供電系統(tǒng)的使用時間。

4.3 供電系統(tǒng)設備新應用

無論是采用直流制還是交流制牽引供電系統(tǒng)，這都不是未來的主要發(fā)展趨勢，隨著科技的不斷進步，供電系統(tǒng)也需要與時俱進走向智能化監(jiān)控設備，無人值守，自動故障檢測等途徑，在供電設備中大量地加入這些高科技設備，不僅能極大地提升設備的智能化、穩(wěn)定性。同時能夠很好地匹配全自動無人駕駛的軌道交通線路，全面提升自動化程度。

5 現(xiàn)代列車牽引傳動系統(tǒng)控制特點

電力機車牽引電驅(qū)動系統(tǒng)的主要工作是利用機電能實現(xiàn)對速度、位置和轉(zhuǎn)矩的控制。其實質(zhì)是電動機及換流器的性能。現(xiàn)代的鐵路運輸系統(tǒng)是以直-交的方式進行的。牽引設備包括：主變壓器、牽引變流器、牽引電動機以及相應的控制裝置。牽引電路主要由網(wǎng)側(cè)電路、四象限整流電路、三相逆變器電路等組成。牽引是由牽引輪和軌道的粘附力決定的。輪子重量、輪軌材料的彈性以及輪子受力是三個因素。

列車由基本的動力單元組成，能夠根據(jù)不同的交通需要，靈活地組合成不同的編組。根據(jù)機車動力的需要和使用情況，可采用動力集中式機車或固定重聯(lián)機車、分散式或城市軌道、重載組合型等多種動力裝置。本文從模塊化、平臺化、結(jié)構(gòu)化的角度出發(fā)，將列車的控制系統(tǒng)分為三個層面，分別是列車控制、車輛控制、驅(qū)動控制。牽引控制系統(tǒng)的列車控制機，負責列車的上層控制、狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷，主要功能有：運行端的選擇和確定邏輯、運行方向和左右方向、牽引和剎車命令、牽引和制動力控制、牽引與制動力協(xié)同、列車級故障診斷和安全導向、輔助系統(tǒng)控制和記錄、輔助系統(tǒng)的控制和記錄、信息交流、車輛級控制、狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷等。

現(xiàn)代列車的控制與診斷系統(tǒng)均以車載網(wǎng)絡為基礎(chǔ)。其主要的功能包括：實時、確定性、可靠性、安全性（包含安全性和信息安全性），其應用特點包括：對列車進行動態(tài)解編、監(jiān)控數(shù)據(jù)、消息數(shù)據(jù)、流數(shù)據(jù)等。

將故障診斷與網(wǎng)絡、傳感器技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)了列車級診斷—汽車級診斷—設備分級診斷的集成系統(tǒng)，并將其應用于車地一體化的遠程集成系統(tǒng)中。

6 新技術(shù)在城市軌道交通牽引設備的應用

6.1 柔性接觸網(wǎng)

新技術(shù)在城市軌道交通牽引設備的應用中，柔性接觸網(wǎng)是應用最為廣泛的一種技術(shù)手段，因為柔性接觸網(wǎng)的布置方式以簡單懸掛或者鏈形懸掛為主。簡單懸掛與鏈形懸掛相對比來講，更加適宜應用在輕軌與無軌電車供電系統(tǒng)建設中。針對簡單懸掛方式的缺點來講，受到其跨度小的影響，再加上其存在懸掛硬點，從而不可避免地會增加出現(xiàn)上下震蕩問題的概率。而針對鏈形懸掛方式來講，主要是通過懸索進行連接，在連接的過程中，勢必要做到承力線和導線連接的合理性，在鏈形懸掛方式跨度大、速度快的影響下，其并不會出現(xiàn)簡單懸掛方式所存在的問題。除此之外，鏈形懸掛方式無論是在電氣化鐵路，還是在地鐵系統(tǒng)運行中，都有著良好的應用效果，并且也能為整個牽引供電系統(tǒng)的供電功能提供保障。

6.2 剛性接觸網(wǎng)

在城市軌道交通牽引設備中使用剛性接觸網(wǎng)，能使得牽引供電系統(tǒng)應用效果更為明顯。其是將傳統(tǒng)的導線換為一種特定硬度的金屬導線，以此來提升懸掛效果。經(jīng)實踐表明，剛性接觸網(wǎng)不僅應用優(yōu)勢更加顯著，而且通過接觸面積的擴大，也能有效改善或者解決傳統(tǒng)城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)中存在的缺陷。眾所周知，大部分城市內(nèi)部軌道交通系統(tǒng)普遍是由下至上，這種轉(zhuǎn)換方式能最大程度彰顯出剛性接觸網(wǎng)的應用優(yōu)勢，做到無縫銜接的同時，也并不需要對其進行更換。除此之外，通常情況下，剛性接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)布置方式是以集電弓方式為主，有效避免傳統(tǒng)接觸網(wǎng)應用階段所存在的一些問題，其中最為有效的就是規(guī)避了脫落問題，使得接觸網(wǎng)的實際應用更加安全可靠。

6.3 第三軌

針對第三軌來講，其是由接觸軌、防爬器、端部彎頭、接觸軌頭等組合而成的供電網(wǎng)絡，第三軌供電材質(zhì)主要是鋼或鋁，鋼鋁的導電能力比較突出，其不僅可以降低牽引設備的電能消耗，還不用在軌道的沿線安裝電纜，可以很好地控制投資成本，對于第三軌的接觸軌接頭來說，這是由普通接頭和溫度反饋下的可伸縮接頭組成的。在正常接頭安裝的過程中，要利用鋁制魚尾板進行固定，并將支持點距離控制在0.6米以上。針對溫度伸縮接頭來講，通過溫度伸縮接頭的合理利用，不僅能有效把控溫度變化，而且也能對接觸軌伸縮性進行更加合理地調(diào)控。除此之外，第三軌組成結(jié)構(gòu)并不復雜，僅可利用少量資金，便能完成具體安裝與維護工作，并且自然天氣要素等也不會對其造成較為嚴重的影響，即便是在小尺寸隧道的應用中，也有較為明顯的應用成效。

7 新技術(shù)在城市軌道交通牽引設備中的發(fā)展趨勢

第二次工業(yè)革命和蒸汽技術(shù)的興起，使世界上首條鐵路在18世紀初期誕生。過去的兩百年間，火車的牽引功率由蒸汽機、內(nèi)燃機轉(zhuǎn)向電動牽引，而電力牽引則由直流傳動向交流驅(qū)動發(fā)展，牽引控制技術(shù)也發(fā)生了變化。

列車牽引系統(tǒng)是主要的車載設備。提高車載設備的功率密度（kVA/kg），降低機組質(zhì)量，即降低了車輛負荷，可實現(xiàn)持久的節(jié)能效果。功率密度是最能體現(xiàn)變流器綜合技術(shù)水平的指標。功率密度越高，即輕量化水平越高，節(jié)能效果越顯著。目前市場上具有代表性的輔助換流器產(chǎn)品開發(fā)情況，不同型號或平臺的輔助變流器功率密度從0.09到0.32，差異巨大。日系平臺的功率密度約為0.1級別。普遍來說，誕生年代越新，功率密度越高。如西門子的新一代平臺MTP_MF比舊平臺HBU_MT的功率密度從0.1提高到0.14水平。Knorr的電源子公司PowerTech和SMA的輔助變流器產(chǎn)品功率密度已經(jīng)高達0.3級別。假定既有車輛采用130kVA的東芝變流器，質(zhì)量為1410kg，功率密度0.09。若功率密度提高到0.2和0.3，則將分別減重760kg和977kg。功率密度的提高、機組的輕量化，已成為城市軌道交通牽引設備主要的發(fā)展趨勢。

7.1 供電設備的發(fā)展趨勢

現(xiàn)在我國的地鐵內(nèi)供電基本已全部裝有電源濾波器，且整流器也采用24脈波了，可以說在內(nèi)部的優(yōu)化已經(jīng)做到非常優(yōu)秀了，所以現(xiàn)在的供電設備開始以外部優(yōu)化作為主要目標，發(fā)展創(chuàng)新用于供電設備的新型材料、使用更加節(jié)能的新技術(shù)，讓供電設備更加可靠和穩(wěn)定。同時將供電設備變得更加智能化、多元化、模塊化，讓其與新應用相互配合，使其在保養(yǎng)維護更加方便。

8 結(jié)語

隨著社會的發(fā)展，時代的進步，國內(nèi)各城市發(fā)展軌道交通的任務越來越重，很多城市開始加大了軌道交通線路建設，在此背景下，雖然方便了城市居民的交通出行，卻給城市軌道交通的牽引帶來了難題，對于一些人口數(shù)量比較大的城市而言，具備穩(wěn)定性高，可靠性強，還要逐漸智能化，減少人力成本，所以，希望我國的城市軌道交通牽引設備在將來能有更好的進步，來減小城市軌道交通發(fā)展的壓力。

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作者簡介

卿嵩：（1986.02—），男，漢四川人，大學本科，工程師。研究方向：電氣自動化。