城市轨道交通牵引供电及电力技术分析

城市轨道交通牵引供电及电力技术分析

简程

武汉地铁运营有限公司， 430000

摘要：由于城市化的快速发展，为满足人们出行方便。城市轨道逐渐成为城市交通发展的重要方向。作为城市轨道交通设备系统的重要构成，电气系统一定程度上影响设备运行的稳定性、舒适性和安全性。随着科学技术的发展，城市轨道交通设备电气系统经历了继电器控制、PLC控制和现在的智能化、信息化控制，电气系统控制功能日益先进，保证了设备运行的稳定、安全、高效。鉴于此，本文以非晶合金牵引变压器、智能检测、智能运维以及搭载双向变流器的牵引供电系统为切入点，对城市轨道交通设备电气系统做深入研究。

关键词：轨道交通；牵引供电；技术；分析

引言

近年来，为彻底解决城市轨道交通直流供电制式下杂散电流的泄漏问题，开始应用专用轨回流技术。为充分了解专用轨回流方式给城市轨道交通建设带来的变化和影响，文章首先采用对比的方法，分别从供电系统组成、牵引所间距、接地方式、接地保护、列车检修静调、限界、车辆和轨道设计几个方面与走行轨回流方式进行比较；其次，针对目前几种专用轨电分段原则的特点对其进行比对，得出专用轨只有在与折返小交路电分段对齐设置分段时对运营维护将更有利的结论；再次，针对存在多条线大架修共享同一车辆基地，不同回流方式线路间存在跨线运行的情况，简述回流方式转换段设置的工程应用案例；最后，展望未来专用轨回流技术在城市轨道交通牵引供电系统的发展方向。

1城市轨道交通牵引供电系统概述

城市轨道交通牵引供电系统是城市轨道交通运行的核心系统，系统主要由变电站、接触网、配电室、牵引变流器、牵引电机、牵引车辆等多个部分组成。变电站负责将电力系统的交流电能转换为牵引系统所需要的直流电能，接触网负责将直流电能传输到牵引车辆上，配电室负责对牵引供电系统进行配电和控制。牵引变流器是将接触网上的直流电转换为可控的三相交流电的装置，牵引电机则将牵引变流器输出的电能转化为机械能，驱动牵引车辆行驶。牵引供电系统的工作原理是将变电站提供的交流电能，经过牵引变流器转换为可控的三相交流电，再通过接触网传输到牵引车辆上，最终通过牵引电机将电能转化为机械能，驱动车辆行驶。牵引供电系统是城市轨道交通的核心技术之一，其性能的稳定性、可靠性和高效性直接影响城市轨道交通系统的运行效率和运行安全。根据不同的供电方式，城市轨道交通牵引供电系统可分为第三轨供电系统、架空接触网供电系统和有轨电车供电系统三种。其中，第三轨供电系统是将电能通过地下的第三轨传输到牵引车辆上，是一种较为传统的供电方式，使用较为广泛；架空接触网供电系统则是通过架设在铁路上空的接触网，将电能传输到车辆上，是一种较为现代化的供电方式；有轨电车供电系统是一种以车体为传导载体，通过接地回路来完成牵引供电的方式，其优点在于结构简单，成本较低。城市轨道交通牵引供电系统的特点主要有两个方面，一方面是对电力质量的要求较高，包括电压、电流、频率等多个参数需要保持稳定和精确，以保障车辆的安全运行；另一方面是对供电可靠性的要求较高，牵引供电系统需要保证在各种情况下都能正常供电，避免出现断电或者过载等情况，保证城市轨道交通系统的运行安全。

2城市轨道交通牵引供电及电力技术

2.1分布式协同控制技术

分布式协同控制技术是指将多个智能化牵引供电系统节点连接在一起,实现相互之间的信息交流和协同控制,从而提高整个系统的运行效率和可靠性。传统的牵引供电系统通常采用集中式控制方式,即由一个中心控制系统对整个系统进行管理和调度。而分布式协同控制存在单点故障的风险,一旦中心控制系统发生故障,整个系统可能会瘫痪。在城市轨道交通智能化牵引供电系统中,分布式协同控制技术应用于列车进站制动时的功率控制。当列车进行制动时,制动功率会不断增大,为确保安全,需要限制直流电压在一定范围内升高。列车进站制动时,各个能馈装置通过通信网络共享信息,了解当前的功率需求,并根据系统运行状态和电力需求进行自适应调整,协同控制策略可以根据实时的功率需求分配任务给各个能馈装置,使它们按照合适的功率输出,共同接收和消耗进站制动的峰值功率。

2.2变压器瓦斯保护

对于大型变压器（容量在0.8MVA以上）都是采用变压器油作为绝缘和散热的，当变压器内部故障时，由于短路电流和电弧的作用，故障点附近的绝缘物和变压器油分解而产生气体，同时由于气体的上升和压力的增大会引起油流的变化。利用这个特点构成的保护为瓦斯保护。通常情况下，变压器本体和有载调压部分均设有瓦斯保护，瓦斯保护又分为重瓦斯和轻瓦斯，重瓦斯动作于跳闸，轻瓦斯动作于报警。瓦斯保护主要由瓦斯继电器、信号继电器和保护出口继电器等构成，瓦斯继电器安装在变压器油箱和油枕的连接管上。在安装带有瓦斯继电器的变压器时，变压器顶盖沿瓦斯继电器方向应有1%～1.5%的升高坡度，连接管朝油枕方向应有2%～4%的升高坡度，主要是使变压器内的气体容易往瓦斯继电器内跑，以提高灵敏度。

2.3大电流脱扣保护

大电流脱扣保护主要用于直流近端短路保护，无延时性，与电客车保护相配合，能够躲过电客车断路器的大电流脱扣保护。该保护是直流开关柜主保护，与交流系统中的速断保护原理类似，主要用于切断金属性近端短路故障。通过计算和短路试验获得整定值（通常进线柜大电流脱扣定值为12000A，正线馈线柜大电流脱扣定值为8000A，场段馈线柜大电流脱扣定值为7000A，能馈柜大电流脱扣定值按最小整定值设置，但不得低于2000A），大于最大负荷下电客车正常启动的电流值且小于近端最大短路电流。

2.4能量高效利用与自洽调度技术

能量高效利用与自洽调度技术是实现新型牵引供电系统横向多源互补、纵向网-源-储-车深度互动、随机高波动源-荷能量实时匹配的关键。为提高系统自洽率和能量利用效率，建立源-荷多时间尺度下能量调度模型，提出不同工况下能量优化调度策略；根据新型牵引供电系统能流管控行为对系统运行性能的影响，考虑电压稳定、无功补偿及应急供电等需求，制定不同场景下发挥系统供电能力、保障供电品质能量调控方法。考虑网、源、储、车行为特征，提出信息同步处理和多时间尺度能量高效利用与自洽调度算法，提高可再生能源利用率，充分利用再生制动能量，发挥储能装置缓冲调节作用，实现削峰填谷，保障系统高效运行。

结束语

城市轨道交通牵引供电技术具有一定的复杂性，其中的供电网络、绝缘保护等关键技术环节对于系统的稳定性和安全性具有至关重要的作用。在牵引供电技术的选择上，基于接触轨和第三轨是目前较为常见的两种技术路线，每种技术都有其适用范围和局限性。对于牵引交流供电系统，采用电缆牵引网和牵引网分段供电的措施可以有效降低电能的消耗，提高系统的效率和稳定性。而在牵引直流供电系统中，采用绝缘保护系统可以有效限制迷流的产生，保障供电系统的稳定性和安全性。在城市轨道交通建设中需要基于实际情况，合理应用各种供电技术，从而提升城市轨道交通的安全性与稳定性。

参考文献

[1]李洁，解绍锋，陈祯怡.城轨三相交流牵引供电系统中心变电所可靠性分析[J].电气化铁道，2021，32（5）：80-85.

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[3]蒋俊.城市轨道交通交流牵引供电系统可靠性研究[D].成都：西南交通大学，2019.(10): 5-6.