城轨交流牵引供电系统接触网标称电压探讨

2018-09-11

电气化铁道 2018年4期

0 引言

城市轨道交通（以下简称城轨）交流牵引供电系统是一种基于35 kV电缆和适当电压等级接触网的工频单相交流牵引供电模式[1]，用于地铁和轻轨，可以实现全线路无分相，避免直流牵引供电系统中杂散电流的危害，并能直接高效利用列车的再生制动电能。

文献[1]提出和研究了城轨交流牵引供电系统及其关键技术，指出了确定接触网标称电压需考虑的因素；文献[2]主要研究了城轨交流牵引供电系统的无功补偿方案。文献[1]和[2]分别指出接触网标称电压有效值应在2.0～3.5 kV和2.0～6.0 kV范围内，但都未详细探讨和确定具体电压值。接触网标称电压的确定成为城轨交流牵引供电技术亟需完善的重要内容。

高铁动车和地铁轻轨列车交流传动系统电压介于1.0～2.75 kV之间，随着电力电子技术的发展和牵引传动容量需求的变化，电压提高到原来的1～2倍是合理的。交流1.0～6.0 kV的电气安全距离几乎完全一致[3]，在该电压范围内，城轨隧道净空基本相同，土建投资成本基本无差。综合已有研究资料，在2.0～6.0 kV范围内对接触网标称电压的具体值进行选择和论证是合适的。

1 城轨交流牵引供电系统设计条件

城轨交流牵引供电系统正常运行时，机车主要从相邻2座牵引所牵引变压器取流，取流形式类似于双边供电，牵引网的最大电压损失发生在2座牵引所的中间位置。牵引供电系统设计应满足其运行方式和条件，即当中间牵引所解列退出运行时，所在正线接触网应由该牵引所两侧的牵引所供电，且不得影响列车的正常运行和高峰最大客流运输能力[4，5]，其故障条件是任意2座解列的牵引所至少相隔2座能正常运行的牵引所，如图1所示。

图1 故障工况示意图

2 接触网标称电压的确定

采用交流牵引供电系统后，接触网电压的提升可使牵引所间距延长一倍[1，2]，牵引所数量减半。既有直流牵引所平均间距约2.5 km，则交流牵引所平均间距约5 km。以下考核中机车功率取3 120 kW，功率因数参照高铁标准，即高峰工况下旅行速度60 km/h，发车30对/h，即追踪间距为2 km，刚性牵引网单位长度阻抗z=(0.044 2+j0.433 1)W/km。

2.1 牵引供电系统电压损失计算方法适用性

铁路交流牵引供电系统电压计算方法有工程近似法[6，7]和精确计算法[8]，前者适用于首末端电压相角差为3°～5°的情况，方法简便并被广泛使用；后者适用于电压相角差大或工程近似法误差极大的情况，该方法较为繁琐，使用不便，尤其在双边供电、多车取流时，电压损失计算尤为复杂。

利用工程近似法计算接触网标称电压取不同值时中间牵引所解列情况下两侧牵引所区间中点的单车取流牵引网电压损失，分析工程近似法的误差，结果如表1所示。

表1 工程近似法误差

由表1可知，工程近似法计算误差普遍偏高，尤其是标称电压取2.0～4.0 kV时，误差已经高达不可忽视的程度。

计算牵引网中点处与两端的电压相角差q，结果如表2所示。

表2 电压相角差q

由表2可知，标称电压越低，牵引网电压相角差θ越大，标称电压取2.0～4.0 kV时，相角差已远不能满足工程近似法假设的θ值。当区间有多辆列车取流或端头牵引所故障单侧供电时，电压相角差更大，经工程近似法计算的各负荷引起的电压损失误差不断叠加，使得最终计算结果更加失真。而接触网标称电压取6.0 kV时，相角差θ可满足工程近似法使用前提。

2.2 接触网组成

城轨交流牵引供电系统长回路电流主要由电缆输送，接触网分流系数很小[9]，可忽略不计，接触网的最大电流出现在短回路区段。高峰故障工况下2座牵引所间短回路接触网最大电流见表3。

表3 接触网最大电流

城市轨道交通接触网分为刚性悬挂和柔性悬挂，刚性悬挂用于地下线路，柔性悬挂既可用于地下线路也可用于地面及高架线路。刚性悬挂由汇流排和接触线组成，以汇流排PAC110为例，其载流量可达3 500 A以上[10]，接触线CTAH120载流量可达690 A，刚性悬挂总载流量可达4 190 A，由表3可知刚性悬挂能满足2.0～6.0 kV各电压等级接触网的载流需求。目前，非地下线路的接触网多采用柔性悬挂，根据载流量校核不同电压等级柔性接触网的组成，结果如表4所示。

表4 柔性接触网组成

由表4可知，接触网标称电压若太低，地面及高架线路则需采用类似直流接触网双承双导加辅助馈线的形式，该形式柔性接触网空间结构过于复杂，不利于轻型悬挂，运行维护不便且投资成本过高。因此接触网的标称电压不宜过低，宜在5.0～6.0 kV范围内选择。

2.3 短回路钢轨电位

假设钢轨对地电导非常小，长回路的钢轨电流可近似为0[6]，即钢轨电流全部经由短回路两侧的单相牵引变压器回流，如图2所示。通过分析，可推得短回路区间钢轨电位分布如式（1）。

图2 短回路电流分配及钢轨电位示意图

式中，为s点的钢轨电位，V；n为架空导线对钢轨的平均互感应系数；g为钢轨网传播常数，1/km；Z0为钢轨特性阻抗，W；s为计算点位置坐标，km；x为机车距主变电所侧牵引所距离，km；D为牵引所间距，km。

分析式（1）可知，牵引所间距和钢轨计算点位置一定时，机车电流越大，短回路钢轨电位越高；而当机车功率一定时，接触网电压等级越高，机车取流越小。为了确保人身安全，尽可能降低钢轨电位和可接触电压，接触网的标称电压在允许范围内应尽量提高。

2.4 牵引网电压水平

干线铁路接触网标称电压为25 kV，牵引变电所母线电压为27.5 kV，动车组运行时允许牵引网最低电压为22.5 kV。参照该标准，城轨交流供电系统接触网标称电压取6.0 kV，则牵引变电所母线电压为6.6 kV，牵引网允许最低电压为5.4 kV。牵引变压器RT=0.018W，XT=0.378W。假设单侧线路共有3座牵引所，平均所间距5 km，故障工况下中间牵引所解列退出运行，考核高峰故障工况下的牵引网电压水平，结果如图3所示。

图3 6 kV标称电压高峰故障工况牵引网电压水平

若接触网标称电压取5.0 kV，则牵引变电所母线电压为5.5 kV，牵引网允许最低电压为4.5 kV。牵引变压器RT=0.012 5W，XT=0.263W。考核高峰故障工况下的牵引网电压水平，结果如图4所示。

图4 5 kV标称电压高峰故障工况下牵引网电压水平

分析图3和图4，标称电压取6.0 kV，无论接触网采用柔性悬挂还是刚性悬挂，高峰故障工况下牵引网电压水平均满足列车运行最低电压要求；标称电压取5.0 kV，接触网采用柔性悬挂时牵引网最低电压略低于列车行车最低电压要求。同理考核标称电压取2.0、3.0和4.0 kV时牵引网电压水平，高峰故障工况下牵引网电压水平不能满足行车要求，若改善牵引网电压水平则需增加牵引所数量，建设投资成本随之大幅增加。因此，为满足接触网标称电压的普适性，其电压等级宜取6.0 kV。

2.5 牵引网最长供电距离

综上分析，接触网标称电压初步确定为6.0 kV。城市轨道交通采用交流牵引供电系统后，接触网电压等级的提升和电缆的高输送功率使得牵引网的最长供电距离得到提升。假设牵引所平均间距5 km，且主变电所设置在线路的一端即向单侧牵引网供电，上下行同位置取流，仿真计算仅有1座主变电所供电时单侧牵引网分别长30和35 km的牵引网电压水平，结果如图5和图6所示。

图5 单侧牵引网长30 km时牵引网电压水平

图6 单侧牵引网长35 km时牵引网电压水平

分析图5和图6，单侧牵引网长30 km时，牵引网电压水平满足列车运行最低电压要求；单侧牵引网长35 km时，故障工况1下由于首端牵引所解列退出，列车仅从一侧牵引所取流，牵引网首端电压很低，32 km取流位置处牵引网电压为5 304 V，低于列车运行最低电压5 400 V的限值，不满足列车运行要求。

因此，主变电所位于线路一端时，单侧牵引网最长供电距离可达30 km。当主变电所向两侧牵引网供电时，最长供电距离比单侧供电时延长1倍，即可达60 km。当前城市轨道交通线路长度普遍为15～35 km，绝大多数不超过50 km，因此牵引所平均间距5 km时，全线仅设置1座主变电所即可完全满足线路需求。此外，双侧供电时电缆载流减小，可选择更少以及更小截面的电缆，材料成本更低。接触网标称电压采用6.0 kV，牵引供电系统具有很强的供电能力。