城市轨道交通交流牵引供电系统及其关键技术

城市轨道交通交流牵引供电系统及其关键技术摘要：随着经济和科技发展，交通运输领域也表现出快速发展趋势，很多一二线城市纷纷建设轻轨、地铁等，其中，城轨供电问题成为一个难题。城轨系统电源来自于城轨交流牵引供电系统。为了缓解城轨供电压力，本文对供电系统进行分析，希望可以供应更多电力。关键词：城市轨道交通；交流牵引供电；关键技术1传统城市轨道交通直流牵引供电系统城市轨道交通牵引供电系统一般由城市电网电源和城市轨道交通内部供电系统两部分组成，一般采用设置专门的主变电所为牵引变电所及降压变电所集中提供电源。主变电所高压侧进线电压一般取自110kV三相城市电源，经主变降压后变成35kV或者10kV。牵引变电所、降压变电所均为一级负荷需保证有两路独立的电源。城市轨道交通中机车所需的功率一般不大，线路长度一般为几十公里，供电距离相对干线铁路较小，牵引网所需的电压等级不是很高，故而城市轨道交通普遍都使用了直流的供电制式。而且直流制相较于交流制没有电抗压降，所以在同样的电压等级下条件，直流制的电压损失更低。因为城市轨道交通设置在城市之内，其敷设的各电力线路布置在市区各建筑群之间，为了保证安全，系统的电压等级不宜过高。而且直流供电没有了接触网电分相的问题，使得列车的运行效率提高。主牵引变电所的降压变压器将取自城市电网的三相高压交流电压降至35kV，再通过中压网络将该电压送至牵引变电所。牵引变电所的作用就体现在整流变压器将交流电再次降压，或者利用整流器将交流电转化为适合电力机车的低压直流电。然后通过馈线将牵引变电所馈出的直流电送到牵引网上，列车通过其受流器与接触网的滑动接触从而获得电能。然而作为电流返回至牵引变电所的流通路径的钢轨，它和大地之间并非完全绝缘，所以当电流途径钢轨回流至牵引变电所的时候。将会有部分电流泄漏至大地中，从大地回流至牵引变电所。这种泄漏到道床及其周围土壤介质中的电流分布广泛，称为＂迷流＂或＂杂散电流＂。这种杂散电流会对地铁周围的埋地金属管道、通讯电缆外皮以及车站和区间隧道主体结构中的钢筋发生电化学腐蚀，久而久之则会酿成灾难性事故。对此，采取了排流保护、走行轨降阻、杂散电流收集和管道外涂等杂散电流腐蚀防护措施，这些措施的成本都不低但仍不能从根本上治理杂散电流和其带来的腐蚀影响。除此之外，直流制供电方式变电设施数量较多，牵引网结构较为复杂的特点导致其维护工作量大，建设维护成本较直流制就更多。在供电能力上，直流制的供电电压等级低，相较于交流制，变电所的间距更短，所需的数量也更多，从而导致工程的投资成本、运营管理费用更高。另外，使用交流牵引电机的电力机车，因为交流牵引电机的防空转性能好，功率密度高，且结构更加简单，所以经济成本也更低。因此，考虑到城市轨道交通线路普遍较短与其启动频繁，对制动减速要求高的特点，同时也考虑到单相电功率不像三相电功率那样瞬时值保持恒定不变，而是2倍工频波动的特点，提出一种新的牵引供电系统是十分必要的。这种新的牵引供电系统采用使用了工频三相交流牵引供电制式，并且选用了35kV供电电缆与合适的接触网电压等级，取消了电分相，充分利用三相电的优势来治理杂散电流。2城市轨道交通三相交流牵引供电系统的结构2.1主变电所城市轨道三相交流牵引供电系统采用了集中式的外部电源供电方案，建设专用的主变电所，作用是实现电压等级的转换，其原边接入电力系统，次边接三相电缆供电网；其外部电源大都引自城市110kV的高压电网。三相交流牵引供电系统主变电所的供电方案优先选用牵引独立供电方案。牵引独立供电方案指的是牵引供电系统、动力照明系统分开独立供电。牵引独立供电方案中，主变电所中的牵引主变压器和动力变压器，各自分别负责牵引负荷和动力照明负荷。2.2三相电缆供电网三相电缆供电网由三根交流单芯铠装电力电缆组成，接受来自主变电所的电能，以中压等级将电能传输给牵引变电所。城市轨道交通供电电缆一般采用35kV交流单芯铠装电力电缆，干线铁路供电电缆可采用110kV的交流单芯铠装电力电缆。不同路段的电缆敷设方式也不尽相同。对地下段来说，采用双洞双线的供电电缆通常以支架的形式敷设在中墙上；采用单洞双线的供电电缆置于电缆沟槽内敷设于道床两侧；对地面段来说，供电电缆既可以支架方式敷设，也可敷设于电缆沟槽内；电缆根据绝缘材料的不同普遍使用的是交联聚乙烯绝缘电缆和聚氯乙烯绝缘电缆，由于聚氯乙烯燃烧时会产生有毒气体，所以城市轨道交通地下线路一般采用交联聚乙烯绝缘聚乙烯护套电力电缆，地面线路通常采用交联聚乙烯绝缘聚氯乙烯护套电力电缆。基于电缆的优秀输电能力，三相牵引供电系统的三相电缆供电网应优先选择呈品字型紧密布置的三相单芯铠装电力电缆。2.3牵引变电所城轨三相交流牵引供电系统牵引变电所中牵引变压器是最主要的设备。牵引变压器为Yd接线，三相电缆供电网与原边相连，次边与接触带和钢轨并接，若干个牵引变压所间隔一段距离共同给接触带和钢轨之间运行的电力机车供电，从而实现将三相电缆供电网的交流电降压提供给列车。2.4三相牵引网三相牵引网与三相电缆供电网平行布置，都用来进行能量传输。牵引网中接触网一般主要有架空接触网和供电轨两种形式，而架空接触网分为刚性接触网和柔性接触网。本文研究的城市轨道交通系统中的三相牵引网由相互绝缘的第一供电轨、第二供电轨和钢轨构成，由于缺乏实际工程参数，在计算本部分可靠性时，供电轨接触受电可视为刚性接触网进行研究，其结构主要由汇流排、汇流排接头、中心锚结和接触线构成。而目前城市轨道交通交流牵引供电系统中接触带部分的电压等级还未形成一个规定的标准，在能满足载流量的情况下，2.0-6.0kV是目前理论设计的接触网电压等级。3城市轨道交通交流牵引供电系统关键技术3.1供电方式（1）直流制。变电所、牵引网、接触网一般使用DC1500V的供电方式。该方式下的牵引网选择双边供电，若其中某个牵引所出现问题，就转变成大双边供电，这样可以跨区域供电。同时，在该方式下一般会安排杂散电流保护机制，主要是因为该模式下可将电能顺利分流，并实现长距离输送。但因为变电模式影响，使其可供电距离较短，因此可能增加一些设备的建设和配置，增加成本。此外，该方式下的电能传输速率较低，优势不明显。（2）交流制。该方式下的系统使用25kV交流电。在该方式下，变电所配置两部变压器，一般选择双绕组的单相变压，因此这些设备组成三角形结构，有一侧角存在开口。因为需要依靠变电所实现降压要求，所以在终端进行降压之外，在各个线路区间内也有设置的加压系统，主要提供照明电力。但实际运行期间，发现该系统运行对于设备的耐磨损要求较高，主要是因为该系统长时间处于动态取流状态，接触压力极大，设备磨损度较高。3.2牵引网分段供电与保护城轨交通中的电缆牵引网较多，例如，可支持长距离传输、可输送电能大等，应用十分广泛。但是如果选择上下行并行线路的设计方式，会增加系统的架设成本，而且系统结构比较复杂，一旦其中一环出现故障，很容易引起其他环节也出现故障。基于此，选择分段供电模式，划分区段进行供电。设计时，也可以根据要求一起或分段设计。因此，一般情况下，为方便进行施工，是在变压器处进行统一分段，然后在其他区间线路中进行分开分段。通过这种方式和设计，可以避免某段出现问题后影响到其