城市軌道交通交流牽引供電系統(tǒng)及其關(guān)鍵技術(shù)

城市軌道交通交流牽引供電系統(tǒng)及其關(guān)鍵技術(shù)摘要：隨著經(jīng)濟(jì)和科技發(fā)展，交通運(yùn)輸領(lǐng)域也表現(xiàn)出快速發(fā)展趨勢，很多一二線城市紛紛建設(shè)輕軌、地鐵等，其中，城軌供電問題成為一個(gè)難題。城軌系統(tǒng)電源來自于城軌交流牽引供電系統(tǒng)。為了緩解城軌供電壓力，本文對供電系統(tǒng)進(jìn)行分析，希望可以供應(yīng)更多電力。關(guān)鍵詞：城市軌道交通；交流牽引供電；關(guān)鍵技術(shù)1傳統(tǒng)城市軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)一般由城市電網(wǎng)電源和城市軌道交通內(nèi)部供電系統(tǒng)兩部分組成，一般采用設(shè)置專門的主變電所為牽引變電所及降壓變電所集中提供電源。主變電所高壓側(cè)進(jìn)線電壓一般取自110kV三相城市電源，經(jīng)主變降壓后變成35kV或者10kV。牽引變電所、降壓變電所均為一級(jí)負(fù)荷需保證有兩路獨(dú)立的電源。城市軌道交通中機(jī)車所需的功率一般不大，線路長度一般為幾十公里，供電距離相對干線鐵路較小，牽引網(wǎng)所需的電壓等級(jí)不是很高，故而城市軌道交通普遍都使用了直流的供電制式。而且直流制相較于交流制沒有電抗壓降，所以在同樣的電壓等級(jí)下條件，直流制的電壓損失更低。因?yàn)槌鞘熊壍澜煌ㄔO(shè)置在城市之內(nèi)，其敷設(shè)的各電力線路布置在市區(qū)各建筑群之間，為了保證安全，系統(tǒng)的電壓等級(jí)不宜過高。而且直流供電沒有了接觸網(wǎng)電分相的問題，使得列車的運(yùn)行效率提高。主牽引變電所的降壓變壓器將取自城市電網(wǎng)的三相高壓交流電壓降至35kV，再通過中壓網(wǎng)絡(luò)將該電壓送至牽引變電所。牽引變電所的作用就體現(xiàn)在整流變壓器將交流電再次降壓，或者利用整流器將交流電轉(zhuǎn)化為適合電力機(jī)車的低壓直流電。然后通過饋線將牽引變電所饋出的直流電送到牽引網(wǎng)上，列車通過其受流器與接觸網(wǎng)的滑動(dòng)接觸從而獲得電能。然而作為電流返回至牽引變電所的流通路徑的鋼軌，它和大地之間并非完全絕緣，所以當(dāng)電流途徑鋼軌回流至牽引變電所的時(shí)候。將會(huì)有部分電流泄漏至大地中，從大地回流至牽引變電所。這種泄漏到道床及其周圍土壤介質(zhì)中的電流分布廣泛，稱為＂迷流＂或＂雜散電流＂。這種雜散電流會(huì)對地鐵周圍的埋地金屬管道、通訊電纜外皮以及車站和區(qū)間隧道主體結(jié)構(gòu)中的鋼筋發(fā)生電化學(xué)腐蝕，久而久之則會(huì)釀成災(zāi)難性事故。對此，采取了排流保護(hù)、走行軌降阻、雜散電流收集和管道外涂等雜散電流腐蝕防護(hù)措施，這些措施的成本都不低但仍不能從根本上治理雜散電流和其帶來的腐蝕影響。除此之外，直流制供電方式變電設(shè)施數(shù)量較多，牽引網(wǎng)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的特點(diǎn)導(dǎo)致其維護(hù)工作量大，建設(shè)維護(hù)成本較直流制就更多。在供電能力上，直流制的供電電壓等級(jí)低，相較于交流制，變電所的間距更短，所需的數(shù)量也更多，從而導(dǎo)致工程的投資成本、運(yùn)營管理費(fèi)用更高。另外，使用交流牽引電機(jī)的電力機(jī)車，因?yàn)榻涣鳡恳姍C(jī)的防空轉(zhuǎn)性能好，功率密度高，且結(jié)構(gòu)更加簡單，所以經(jīng)濟(jì)成本也更低。因此，考慮到城市軌道交通線路普遍較短與其啟動(dòng)頻繁，對制動(dòng)減速要求高的特點(diǎn)，同時(shí)也考慮到單相電功率不像三相電功率那樣瞬時(shí)值保持恒定不變，而是2倍工頻波動(dòng)的特點(diǎn)，提出一種新的牽引供電系統(tǒng)是十分必要的。這種新的牽引供電系統(tǒng)采用使用了工頻三相交流牽引供電制式，并且選用了35kV供電電纜與合適的接觸網(wǎng)電壓等級(jí)，取消了電分相，充分利用三相電的優(yōu)勢來治理雜散電流。2城市軌道交通三相交流牽引供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)2.1主變電所城市軌道三相交流牽引供電系統(tǒng)采用了集中式的外部電源供電方案，建設(shè)專用的主變電所，作用是實(shí)現(xiàn)電壓等級(jí)的轉(zhuǎn)換，其原邊接入電力系統(tǒng)，次邊接三相電纜供電網(wǎng)；其外部電源大都引自城市110kV的高壓電網(wǎng)。三相交流牽引供電系統(tǒng)主變電所的供電方案優(yōu)先選用牽引獨(dú)立供電方案。牽引獨(dú)立供電方案指的是牽引供電系統(tǒng)、動(dòng)力照明系統(tǒng)分開獨(dú)立供電。牽引獨(dú)立供電方案中，主變電所中的牽引主變壓器和動(dòng)力變壓器，各自分別負(fù)責(zé)牽引負(fù)荷和動(dòng)力照明負(fù)荷。2.2三相電纜供電網(wǎng)三相電纜供電網(wǎng)由三根交流單芯鎧裝電力電纜組成，接受來自主變電所的電能，以中壓等級(jí)將電能傳輸給牽引變電所。城市軌道交通供電電纜一般采用35kV交流單芯鎧裝電力電纜，干線鐵路供電電纜可采用110kV的交流單芯鎧裝電力電纜。不同路段的電纜敷設(shè)方式也不盡相同。對地下段來說，采用雙洞雙線的供電電纜通常以支架的形式敷設(shè)在中墻上；采用單洞雙線的供電電纜置于電纜溝槽內(nèi)敷設(shè)于道床兩側(cè)；對地面段來說，供電電纜既可以支架方式敷設(shè)，也可敷設(shè)于電纜溝槽內(nèi)；電纜根據(jù)絕緣材料的不同普遍使用的是交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜和聚氯乙烯絕緣電纜，由于聚氯乙烯燃燒時(shí)會(huì)產(chǎn)生有毒氣體，所以城市軌道交通地下線路一般采用交聯(lián)聚乙烯絕緣聚乙烯護(hù)套電力電纜，地面線路通常采用交聯(lián)聚乙烯絕緣聚氯乙烯護(hù)套電力電纜?；陔娎|的優(yōu)秀輸電能力，三相牽引供電系統(tǒng)的三相電纜供電網(wǎng)應(yīng)優(yōu)先選擇呈品字型緊密布置的三相單芯鎧裝電力電纜。2.3牽引變電所城軌三相交流牽引供電系統(tǒng)牽引變電所中牽引變壓器是最主要的設(shè)備。牽引變壓器為Yd接線，三相電纜供電網(wǎng)與原邊相連，次邊與接觸帶和鋼軌并接，若干個(gè)牽引變壓所間隔一段距離共同給接觸帶和鋼軌之間運(yùn)行的電力機(jī)車供電，從而實(shí)現(xiàn)將三相電纜供電網(wǎng)的交流電降壓提供給列車。2.4三相牽引網(wǎng)三相牽引網(wǎng)與三相電纜供電網(wǎng)平行布置，都用來進(jìn)行能量傳輸。牽引網(wǎng)中接觸網(wǎng)一般主要有架空接觸網(wǎng)和供電軌兩種形式，而架空接觸網(wǎng)分為剛性接觸網(wǎng)和柔性接觸網(wǎng)。本文研究的城市軌道交通系統(tǒng)中的三相牽引網(wǎng)由相互絕緣的第一供電軌、第二供電軌和鋼軌構(gòu)成，由于缺乏實(shí)際工程參數(shù)，在計(jì)算本部分可靠性時(shí)，供電軌接觸受電可視為剛性接觸網(wǎng)進(jìn)行研究，其結(jié)構(gòu)主要由匯流排、匯流排接頭、中心錨結(jié)和接觸線構(gòu)成。而目前城市軌道交通交流牽引供電系統(tǒng)中接觸帶部分的電壓等級(jí)還未形成一個(gè)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)，在能滿足載流量的情況下，2.0-6.0kV是目前理論設(shè)計(jì)的接觸網(wǎng)電壓等級(jí)。3城市軌道交通交流牽引供電系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)3.1供電方式（1）直流制。變電所、牽引網(wǎng)、接觸網(wǎng)一般使用DC1500V的供電方式。該方式下的牽引網(wǎng)選擇雙邊供電，若其中某個(gè)牽引所出現(xiàn)問題，就轉(zhuǎn)變成大雙邊供電，這樣可以跨區(qū)域供電。同時(shí)，在該方式下一般會(huì)安排雜散電流保護(hù)機(jī)制，主要是因?yàn)樵撃Ｊ较驴蓪㈦娔茼樌至?，并?shí)現(xiàn)長距離輸送。但因?yàn)樽冸娔Ｊ接绊?，使其可供電距離較短，因此可能增加一些設(shè)備的建設(shè)和配置，增加成本。此外，該方式下的電能傳輸速率較低，優(yōu)勢不明顯。（2）交流制。該方式下的系統(tǒng)使用25kV交流電。在該方式下，變電所配置兩部變壓器，一般選擇雙繞組的單相變壓，因此這些設(shè)備組成三角形結(jié)構(gòu)，有一側(cè)角存在開口。因?yàn)樾枰揽孔冸娝鶎?shí)現(xiàn)降壓要求，所以在終端進(jìn)行降壓之外，在各個(gè)線路區(qū)間內(nèi)也有設(shè)置的加壓系統(tǒng)，主要提供照明電力。但實(shí)際運(yùn)行期間，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)運(yùn)行對于設(shè)備的耐磨損要求較高，主要是因?yàn)樵撓到y(tǒng)長時(shí)間處于動(dòng)態(tài)取流狀態(tài)，接觸壓力極大，設(shè)備磨損度較高。3.2牽引網(wǎng)分段供電與保護(hù)城軌交通中的電纜牽引網(wǎng)較多，例如，可支持長距離傳輸、可輸送電能大等，應(yīng)用十分廣泛。但是如果選擇上下行并行線路的設(shè)計(jì)方式，會(huì)增加系統(tǒng)的架設(shè)成本，而且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，一旦其中一環(huán)出現(xiàn)故障，很容易引起其他環(huán)節(jié)也出現(xiàn)故障?；诖?，選擇分段供電模式，劃分區(qū)段進(jìn)行供電。設(shè)計(jì)時(shí)，也可以根據(jù)要求一起或分段設(shè)計(jì)。因此，一般情況下，為方便進(jìn)行施工，是在變壓器處進(jìn)行統(tǒng)一分段，然后在其他區(qū)間線路中進(jìn)行分開分段。通過這種方式和設(shè)計(jì)，可以避免某段出現(xiàn)問題后影響到其