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

摘要：城市轨道交通能够更好地缓解城市的交通压力，受到了更多的关注，对城市轨道交通牵引供电系统及相关技术进行探究也更加重要。基于此，阐述城市轨道牵引直流供电系统和城市轨道牵引交流供电系统，分析基于接触网、第三轨的供电网络技术和直流、交流供电系统建设时的电力系统保护技术，具有现实的意义。关键词：城市轨道交通；牵引供电系统；电力技术引言城市轨道交通是一种较为新型的交通工具，目前已经被我国的多个城市所使用，成为了我国城市交通网络中的重要组成部分，有效缓解了城市的交通压力。城市轨道交通与公交车、汽车等交通方式不同，有着明显的低污染、低噪音特点。由于其自身的优势，城市轨道交通受到了更多人的关注，对城市轨道交通牵引供电系统及相关技术进行探究也更加重要。1城市轨道交通供电系统组成城市轨道交通作为城市电网的重要用户，一般直接从城市电网获取电能，供电系统主要由电源系统、牵引供电系统和动力照明系统组成。其中外部电源可以看作是城市轨道交通供电系统与城市电网的接口，将电能从城市电网引入供电系统；牵引供电系统主要负责向全线运行的车辆提供电能，通常包括牵引变电所和牵引网两大部分；动力照明系统为除城市轨道交通车辆以外的其他所有地铁用电负荷提供电能，其中包括通信、信号、事故照明等许多一级负荷，如图1所示。图1城市轨道交通供电系统2城市轨道交通牵引供电系统2.1直流制牵引供电系统城市轨道交通直流供电系统有主变电所、牵引变电所、降压变电所、馈电线、接触网/轨、走行轨、回流线、杂散电流防护系统等部分组成。其中主变电所把城市110kV电源引入的三相高压交流电降压配送给轨道交通沿线的牵引变电所和降压变电所。牵引变电所是将交流电经降压整流成750V/1500V直流电，直流馈电线是将牵引变电所的直流电输送到接触网/接触轨上，接触网/接触轨是沿电动列车行驶轨迹路线架设线路，电动列车通过受电器与接触网/轨的直接接触获得电能，走行轨是作为牵引供电回路的一部分和回流线一起将轨道回流引向牵引变电所。就我国城市轨道交通目前阶段的牵引供电方式来说，大部分城市主流采取的是1500V直流电的供电方式。这种供电方式能提供稳定的牵引电压和电流，从而保障了人们日常出行的稳定和不受影响。而双轨道交通牵引作为一种对用电需求更高的城市轨道交通方式，需要在实际的运行过程中采取两边都供电的模式，这一模式的采用是为了防止当一边供电系统出现故障时，另一边的供电系统能够接替进行工作，从而保障城市轨道交通正常运行，不会造成城市交通停运。此外，还会辅助以直流牵引供电网的保护，借助杂散电流的保护方法，将使用的电压、电流等均匀地分配到每一个运输网络，从而保证每一个用电器都能够保持正常的工作，而且对于长距离的运输线路来说，也具有一定的保障作用，不会由于线路过长而出现故障。因此，直流制牵引供电系统在目前的城市轨道交通工程中成为了主流的牵引供电系统。2.2交流制牵引供电系统城市轨道交流供电系统也是由主变电所、降压变电所、馈电线、接触网、走行轨、回流线等组成。根据牵引供电电流制，目前的交流供电模式主要有低频单相交流制、三相交流制、工频单相交流制，下面我们重点讨论工频单相交流制供电系统。工频单相交流制是目前电气化铁道发展中的一项先进供电制，采用工频单相交流电向电力机车供电，它的主要优点有：（1）供电系统结构简单。牵引变电所从电力系统获得电能，经过电压变换后直接供给牵引网，减少了整流机组；（2）供电电压增高，既可保证大功率机车的供电，提高机车牵引定数和运行速度，又可使变电所之间的距离延长，导线面积减小，建设投资和运营费用显著降低；（3）交流电力机车的粘着性和牵引性能良好，牵引电动机可在全并联状态下运行，防止轮对空转的恶性发展，从而提高了运用粘着系数；（4）和直流制比，减小了杂散电流对地下金属的腐蚀作用，一般可不设专门的杂散电流防护装置。工频单相交流牵引制的主要缺点一方面是为减小负序影响需采用分相供电的方式，会出现机车供电断点，另一方面是对邻近通信线路的干扰。对于第一点可采用这需采用自动过分相措施或增加负序补偿装置，另一个干扰问题已随着通信的光缆化也不成问题了。通过以上对比分析我们可以得出交流工频单相牵引供电系统比直流牵引供电系统在供电能力、建设成本、运营安全以及电能质量上都占有很大优势。目前温州城市轨道交通S1线采用的就是27.5kv交流制牵引供电方式。3城市轨道交通牵引供电的电力技术3.1柔性接触网柔性接触网是城市轨道交通供电系统布置中最常见的方式之一，布置方式有链形悬挂和简单悬挂等。其中简单悬挂方式具有较强的便捷性，因为在处理过程中无需布置承力线，只需布置导线即可，结构简单，支柱高度低，通常适用于轻轨和无轨电车供电系统建设中。虽然简单悬挂方式具有上述优势，但也有明显的缺陷，它的跨度非常小，存在悬挂硬点，容易终导致上下振荡问题产生。链形悬挂利用悬索完成连接，确保承力线与导线之间有效衔接，跨度大，速度高，规避简单悬挂的缺陷与不足，该方式不仅适用于电气化铁路，而且也比较适用于城市内速度快的地铁系统运行中。3.2刚性接触网在我国城市轨道交通牵引供电系统运行中对刚性接触网的应用成效更加显著。刚性接触网通过对硬质金属条的应用，取代传统导线，确保悬挂效果。综合实践应用表明，对刚性接触网的应用，优势明显，增加接触面积，解决了柔性接触网中无法承力的缺陷。我国大多数城市内部轨道交通系统多为从下到上，这种转换对刚性接触网的应用，使得其应用优势更加明显，实现无缝对接，无需更换操作。刚性接触网的结构设置一般采用集电弓方式进行布置，传统接触网应用过程中出现脱落的问题被全面规避，接触网的布置与应用更加稳定、可靠，通常比较适用于速度快的城市轨道交通系统。3.3第三轨第三轨主要由六种部分组成，分别是接触轨、接触轨头、端部弯头、防爬器和安装底座。接触轨采用钢铝复合轨，因为这种材料耐磨损、重量轻、导电率高。接触轨头分为温度伸缩接头和正常接头两种。温度伸缩接头的优势使其能根据接触轨道温度变化而变化。正常接头是在导电轨固定铝制鱼尾板，无缝安装，不预留温度伸缩缝，支持点与接头的距离范围在550mm之内。集电靴与断轨处对接时要顺利通过，必须依靠端部弯头实现。防爬器的作用是限制接触轨自由伸缩的膨胀伸缩量。安装底座地材料要使用绝缘体，安装部位主要是轻枕和轨道整体道床上。4城市轨道轨道交通供电系统相关技术的探讨4.1供电系统中谐波分析及治理在城市轨道交通供电系统中由于存在非线性负荷，如牵引整流机组、荧光灯和UPS电源等，会产生大量的谐波，降低电能质量。供电网络中的谐波不仅会对供电线路产生附加损耗，影响系统中电气设备的正常运行，还会对通信系统产生干扰。在直流制牵引供电系统中，整流机组是产生谐波的主要原因。限制谐波的方法有增加整流装置的脉波数，加装无源或有源滤波器等措施。4.2供电系统中无功功率补偿城市轨道交通中的动力照明系统中包含了大量的低压用电设备，功率因数较低。系统中功率因素过低，会使供电线路中损耗增加，导致变送配电设备发热严重；还会增加供电线路的无功电压降，导致线路末端端电压过低，甚至会导致电压和电流相位差变大，产生较为严重的谐波分量。因此应该进行无功功率补偿来提高系统的功率因数。4.3迷流腐蚀及防护直流制牵引供电系统中，利用走行轨作为电流的回流线，但由于钢轨对地不是完全绝缘，会导致部分电流杂散流入道床，并经由钢筋、水管等金属导线流回牵引变电所，从而形成迷流。迷流会对轨道交通中的金属产生电解腐蚀，导致走行轨以及地下金属设备受到严重损坏。对迷流的处理方法主要是防治和监测相结合。防治主要是减少杂散电流值，常用的方法有加强走行轨对地绝缘，在沿线设置合理的迷流收集网和排流柜等排流装置，以便将迷流引回牵引变电所负极。检测是指通过专用检测系统检测轨地阻抗和运输结构的腐蚀电位，为迷流腐蚀防护提供精确地数据，指导轨道的养护和保养等工作。5结束语综上所述，城市轨道交通系统里的地铁和轻轨不仅方便了人们的出行，还提高了人们的生活质量和水平，作为每一条交通线路必不可少的牵引供电系统，牵引供电及电力技术成了目前城市轨道交通的重点研究项目，牵引供电系统的不断进步与发展，不仅节省了城市轨道建设的成本，还为城市轨道交通的平稳运行提供安全保证。