地铁牵引供电系统关键技术分析

2021-08-05杨方

探索科学(学术版) 2021年7期

杨方

中交二公局电务工程有限公司陕西西安 710109

从目前城市化发展情况来看，存在着严重的交通拥堵问题，这也影响到城市居民的正常出行。基于此，很多地区开始兴建地铁工程，借助地铁载客能力强、运输速度快的优势，来分担城市运输压力。在地铁工程修建过程中，牵引供电系统属于重要的组成内容，通过优化系统相关内容，提升系统运行过程的安全性，对于提升列车运输安全性有着积极地意义。

1 地铁牵引供电系统基础内容

1.1 基本分类

1.1.1 直流电力牵引系统对于早期的直流传动，电动机主要采用凸轮调节电阻的方式进行电压调节，但是这种方式会引起很大的冲击电流。现在的方式主要有依靠直流电源经一电流变换器向直流牵引电动机供电。斩波调速即脉宽调速，能够调节电动机的输入电压平均值，其原理是，当直流电源电压基本不变时，利用电子开关的通断，使施加在电动机两端的电压脉冲宽度占空比发生改变。这个过程就是直流电动机的平滑无级调速过程，即通过斩波器对牵引电动机的两端的电压进行平滑的、连续的调节并通过改变晶闸管的移向角改变输出电压，最终达到调速目的。

1.1.2 交流电力牵引系统使用交流电机供电的地铁列车，一般采用鼠笼式异步电动机，交流地铁列车采用的调速方式是变频调速，可把固频交流电换为可调压、调频的交流电，并有变频器向交流电动机供电。这种控制方式的优点包括:第一，由于中间部分的直流电压保持不变，强迫换流的线路则会很简单；第二，调频调压均可由逆变器内部实现，可排除直流滤波回路的参数影响而实现快速调节；第三，电源侧功率因数较高，减少了高次谐波对电网的影响；第四，可以将输出电压调制成姗波，减少了低次谐波，从而解决了电动机在低频区的转矩脉动问题，也降低了电动机的谐波损耗与噪声。

1.2 供电方式在供电方式的选择中，常用方式如下:第一，直流供电模式，该供电方式在应用中比较简单，系统所输出的电能可以直接供给列车运行，具有系统组成简单、运营成本低等优势。但是该方式在应用中的平衡态较差，回路电阻较大，不适用长距离(超过20km)列车系统运行需求。第二，吸流变压器供电方式，其原理在于在线路上布设吸流变压器，使其可以将原线路串接到接触网中，同时从次边串联回流线，并将一根上线设置在相邻吸流变压器中间，使其可以与回流线、轨道关联在一起，这样在线路运行过程中能够顺利将回流吸回，起到抗干扰的作用。第三，自耦变压器供电模式，在牵引供电系统采用该模式进行供电时，其输出电压值在55―60kv，在线路分配上，其中一端会和正馈线连接在一起，另一端则会与接触网联系在一起，并在中点抽头位置引出线与钢轨相连，在稳定供电的同时，可以起到良好的抗干扰能力和防雷功能。

2 地铁牵引供电系统运行关键技术分析

2.1 电力电缆参数选择

为了确保牵引地铁系统的稳定运行，首要任务便是确保电力电缆参数选择结果的合理性。以单芯电缆为例，如图一所示，从外向内依次由外护套、铠装层、绝缘护层、金属屏蔽层、绝缘层和线芯，目前在线芯材料的选择中，主要使用到的材料为来铜线、铝线、铜芯铝外壳等，而常用的绝缘层则使用到PVC、XLPE等材料来制作，金属屏蔽层多使用多根金属材料来完成编织处理，进而提升分析结果的可靠性。另外，在电力电缆分析过程中，还需要做好线芯与屏蔽层之间的电容计算，具体计算公式为C＝kC×10―6/(lnr1―lnr2)，其中r1表示线缆屏蔽层半径，计量单位为 m；r2表示线缆线芯半径，计量单位为m；k表示计量常数，查看相关表格进行查询；C表示介电常数。

图一单芯电缆构成示意图

2.2 完成电压损失计算在系统应用设计中，也需按要求进行电压损失值计算，这也是完善供电系统的基础要求。如图二所示，假定此时有电流I通过线路，而线路内的阻抗值为Z，那么此时利用线路电压计算公司，能够得到相应的电压计算公式，根据公式还可以继续计算电压损失量。从目前地铁工程运行情况来看，机车的功率因数也处于不断提升的状态，这样也造成功率因数角度不断缩小，而相互之间的几何关系也出现扩大的情况，此时如果忽略掉该角度，也会带来较大的应用误差，此过程也会利用向量计算法来完成内容分析，从而根据计算得到的损失值来确定牵引网参数。

图二列车载流线路图

2.3 合理选择供电网选型为了满足地铁运行过程的基础需求，在应用过程中也需要做好供电网选型工作，具体网络会由系统供电线与回流线构成，在对其进行分析时，可以将其看做是二导线传输模型来进行分析。基于以往的应用数据可以了解到，在系统运行过程中，钢芯铝绞线在应用过程中所产生的阻抗值和感抗值均超过传统的单、双芯电缆，而且此类电缆在布设时的架空线应用了裸露的导线，同时并没有布置绝缘层，这也使得两组导线在铺设过程中，其间距明显超过了传统线缆，属于比较适合的网线选择。但是此类电缆只能使用架空的方式进行布置，在地铁供电系统中不太适用，这也是线路后续改良过程中的参考方向。

2.4 供电回路选型处理为了提升地铁运行过程的稳定性，在应用过程中也需要做好供电回路选型处理，具体网络会由柔性接触网、刚性接触网组成，在对其进行分析时，可以利用Carson公式来完成模型参数的计算工作，从而提升所分析结果的可靠性。以柔性接触网为例，该接触网系统在应用过程中，其内容包括了接触线、加强线、承力索系统等，在系统的网载流量也会和导线之间的载流量存在着较强的关联性。在系统运行过程中，需要对接触网所产生的阻抗值和感抗值进行计算，根据技术所得结果来判断系统目前运行状态的可靠性，动态调整接触网参数，从而提升系统设计内容的合理性与可靠性。

2.5 供电回路电流分布处理地铁工程在运行过程中，需要确保供电过程的持续性和稳定性，并且在系统全线运行的过程中，也需要做好接触回路电流分布计算，该内容的计算结果也会直接影响到系统运行状态。在具体的计算过程中，可供选择的计算方法较多，选择某一类计算方法进行分析。在该方法的计算过程中，会以回流线路为基础，沿着相邻四所进行取流，选择恰当的取流点进行分析，并且在分析过程中，需要对系统内牵引变压器阻抗、接触供电网阻抗等数值进行采集，带入到公式中对其进行计算，根据计算结果来完成分布处理内容的优化工作，提升分析结果的使用价值。

2.6 供电网电流优化计算除了上述提到的应用内容外，在牵引供电系统设计过程中还需要注重供电网电流优化计算工作。该内容的合理性也会对整个系统的工作状态来较大影响，从目前的计算情况来看，进行该内容计算时，可以进行选择的方法相对较多，从中选择某一类计算方法来进行细致叙述。在该方法的计算过程中，会以供电网线路为基础，对于负载取流内容进行梳理，在区域内划分为若干个应用区域，并且在其中选择恰当的取流点进行分析，而且在内容分析过程中，也会对系统牵引变压器阻抗、供电网阻抗、供电网感抗参数进行采集，将这些数值带入到公式中对其进行计算，并且根据计算结果对于供电网节点内容进行优化，以稳定整个供电网络运行效果[1]。

3 地铁牵引供电技术发展分析

3.1 再生制动与储能技术从目前的发展情况来看，在牵引供电系统未来发展过程中，再生制动与储能技术有着良好的发展趋势，该技术主要针对直流牵引供电系统，此系统在应用过程中存在着整流运行环节，此时会缺少稳定电流来稳定输电网运行状态。基于此在系统应用中也需要合理设计储能吸收装置，对于能量进行临时存储，以满足供电系统稳定运行的相关要求。目前研究的主流存储方式包括地面储能模式与车载储能模式，但是从目前的使用情况来看，车载储能模式在地铁运行中具备了更好的节能性，而且在发展中还可以对轨道启停过程中产生的冲击进行合理避免，进而提升两列车运行状态的稳定性[2]。

3.2 永磁同步牵引技术在牵引供电系统未来发展过程中，永磁同步牵引技术在未来发展过程中，也具备了良好的应用优势，并且也具有了非常良好的发展前景。在具体应用中，该技术具备了更好的节能性，依托于永磁设备特点，也可以减少列车运行过程中的铜损耗与铁损耗，基于可靠数据，可以节省至少10%的资源损耗。同时系统在应用中，也具备了较强的功率密度，这对于系统体积的缩减有着积极地意义，常规状态下其缩减率可以达到30%左右，同时也具备了更加良好的转矩优势，从而提升系统运行过程中动力来源的稳定性。另外，在应用设计中，也会应用到一体化设计，并将其封闭在密闭空间当中，起到降低系统噪音的作用[3]。

3.3 轻量化处理设计在牵引供电系统未来发展过程中，轻量化处理设计也属于非常重要的发展方向，这也是降低列车供电过程能耗的重要保障。在列车设计过程中，牵引供电系统也属于整个运营系统载重的重要组成，基于此也需要在后续发展中对其展开轻量化设计，从而起到减少能耗的作用。具体应用设计中，会使用到先进性更强的功率器件，同时也会对常规电容元件、电抗组件进行优化，以降低整个系统的总重量。另外，在优化设计过程中，也会对列车箱体结构来完成优化设计，例如，将铝合金材料作为新的箱体制作材料，此类材料的耐腐蚀性更强，满足轻量化应用优势[4]。

3.4 新型半导体技术除了上述应用内容外，在牵引供电系统未来发展过程中，新型半导体技术也属于非常重要的发展方向，这也是持续优化供电系统的重要保障。例如，目前许多地区会将SiC材料作为半导体制作原料，相比以往的单质硅材料，其运行速度更快，而且在应用过程中的损耗量也会减少，这样也可以更好的应对关断拖尾电流问题，提升系统转换过程的应用质量。另外，该技术在应用过程中，SiC材料组成结构的便捷性更强，可以改善系统对于器件工作状态的冷却需求，使其可以更好地满足轻量化特征，提升供电系统运行过程的可靠性与经济性[5]。