城市轨道交通直流牵引供电及系统控制策略分析

城市轨道交通直流牵引供电及系统控制策略分析摘要：在城市轨道交通供电系统中，按照故障率和故障直接影响程度来综合分析，直流牵引供电系统故障是对运营服务影响最严重的，高居榜首。因此，如何更好的对直流供电系统进行维护保养，提前准确的发现设备隐患，快速高效的处理直流故障，是摆在运营供电人员面前的难题和严峻考验。本文就城市轨道交通直流牵引供电及系统控制策略的有关内容进行了简要的分析，以供参考。关键词：城市轨道交通；直流牵引供电；系统控制1城市轨道交通直流牵引供电系统组成城市轨道交通牵引供电系统为整个城市轨道交通的运行提供电能，是城市轨道交通的重要组成部分。城市轨道交通牵引供电系统又分为：直流系统和交流系统。直流牵引供电系统主要包括牵引变电所、牵引网以及列车等，整个直流牵引供电的能量流动过程，直流牵引变电所首先将电压等级为35kV的交流电通过变压器进行降压，然后通过整流转换成为750V的直流电，然后电能通过接触轨给列车进行供电，最终通过走行轨进行回流，从而构成完整的电路。其中牵引变电所中的PWM整流机组和二极管整流机组并联运行进行列车制动和启动时的能量传输，将电能传送回接触网或者传输到列车。由于研究精力有限，因此对于直流牵引供电系统中的牵引供电装置的损耗和辅助供电系统没有进行详细的研究，仅在计算列车功率时给定功率和转换效率进行近似计算。牵引变电所是直流牵引供电系统的核心装置，本文采用能馈式牵引变电所代替传统的二极管整流牵引变电所，主要包括二极管整流机组和PWM整流机组。其中PWM整流机组可以将列车制动时的能量回馈到接触网，提高城市轨道交通的节能减排水平。其主要功能是负责将交流侧网络的高压经过降压整流到直流侧网络为750V的电压，是交流侧网络和直流侧网路的接口。能馈式牵引变电所的工作方式根据列车的不同的运行工况从而选择不同的工作方式，分别为：（1）当列车处于牵引工况时，牵引所工作方式为整流当列车处于牵引工况时，牵引变电所处于整流工况，二极管整流机组和PWM整流机组进行整流工作，向列车输送电能。（2）当列车处于制动工况时，牵引所工作方式为能馈当列车处于制动工况时，牵引变电所处于能馈工况，二极管整理机组被阻断，PWM整流机组处于逆变状态，将列车制动产生的多余的制动能量回馈到电网中。2直流牵引供电

2.1组成与要求在轨道交通牵引供电系统中，电能从牵引降压混合所经馈线、接触轨(网)输送给电动列车，再从电动列车经钢轨（称轨道回路）、回流线流回牵引降压混合所。由馈电线、接触轨（网）、轨道回路及回流线组成的供电网络称为牵引网。牵引供电系统即由牵引降压混合所和牵引网组成，其中牵引降压混合所和接触轨（网）是牵引供电系统的主要组成部分。由于接触轨是沿线路敷设的与轨道平行的附加轨，故又称第三轨。牵引降压混合所的数量、容量和设置是根据牵引计算的结果，并经比较后确定的。它们一般设置在城市轨道交通沿线若干车站及车辆段附近。每个牵引降压混合所按其所需容量设置两组牵引整流机组并列运行，沿线任一牵引降压混合所故障解列，由两侧相邻的牵引降压混合所共同承担该区段的全部牵引负荷。2.2运行方式一般情况下城市轨道交通车辆段内采用单边供电方式，正线采用双边供电方式。在采用双边供电时，当某一牵引降压混合所故障退出运行时，该段接触轨（网）就成为了单边供电方式。正线上任何牵引降压混合所故障退出运行时，均由相邻牵引降压混合所越区供电。在越区供电方式下，供电末端的接触轨（网）电压比较低，电能耗损较大，因此，视情况要适当减少同时处在该供电区段的列车数目。另外，直流馈线保护整定时还需考虑大双边供电方式下的灵敏度。（1）双边供电。同一区段的接触轨，从两端相邻的牵引变电所的DC750V馈线开关获取电能，是牵引变电所向同一区段接触轨供电的正常运行方式。（2）单边供电。同一区段的接触轨，只从一端的牵引变电所的DC750V馈线开关获取电能，是牵引变电所向同一区段接触轨供电的非正常运行方式。（3）越区供电。越区供电是一种非正常供电方式（也称事故供电方式）。越区供电是指牵引降压混合所超越正常供电范围，向相邻牵引降压混合所所属的停电牵引网供电。3城市轨道交通直流牵引供电及系统控制策略3.1能馈装置技术应用在目前牵引变电所采用二极管整流模式下，多余电制动能量吸收的方式主要分为消耗型、储能型和逆变回馈型等三种基本模式。消耗型吸收装置结构简单、技术成熟，主要采用电阻消耗。根据制动电阻放置位置的不同分为车载制动电阻消耗型和地面制动电阻消耗两种基本模式。储能型吸收装置依据储能介质的不同，又分为电容储能、电池储能和飞轮储能等三种基本模式。再生能量逆变回馈型吸收装置（即再生能量回馈装置），根据电网反馈电网电压等级的不同分为10kV(35kV/33kV)逆变装置和0.4kV逆变装置。地面制动能量吸收装置可以减轻车辆重量，减少车载设备，降低隧道内发热量，引起了国内外研究者高度重视。近几年来，随着大功率电力电子技术和计算机控制技术的发展，再生能量回馈装置因其综合成本较低，符合国家节能政策，顺应城轨列车的发展需求，其技术和产品均有了长足的发展，再生能量回馈装置目前已在国内地铁试验线及正线上示范应用，技术与工程应用逐渐成熟。逆变回馈型再生制动能量吸收装置也就是再生能量回馈装置，此类技术主要采用晶闸管、IGBT等电力电子器件构成大功率三相逆变器，该逆变器的直流侧与牵引变电所中的直流母线相联，将再生制动能量通过逆变装置逆变为三相交流电能，再通过整流变压器或专用变压器回馈至中压网络，供地铁中的其他系统负荷使用。3.2轨电位装置的应用列车车体及屏蔽门直接与钢轨连接，站台可以等效为大地。这两者之间的电压差如果过大会危及乘客的人身安全，因此需要有一个保护系统监测站台钢轨的电压，保证其处于人体的安全耐受电压范围内。轨电位装置保护的原理非常直观，一侧连接钢轨，另一侧连接至大地。在检测到电压超过限定电压值及延时后，轨电位装置动作，短接负极与大地，以保证乘客的人生安全。通过保护原理分析，可认为电压型框架保护与轨电位装置的监测方式在本质上基本相同，区别在于保护曲线及动作影响上。轨电位装置可以作为低压区域对电压型框架保护的过滤。3.3完善故障定位当短路故障发生后，现有的保护装置立即跳闸，当系统发生永久性故障后，传统的做法就是依靠人工巡线，即费事费力，而且直接影响到整个牵引系统的运行。因此研究一种适合于城市轨道交通直流牵引供电系统的故障定位算法很有必要。依靠从直流侧短路故障发生后到保护装置动作前记录的短时暂态数据定位很困难，但这段数据保护了很多信息，包括故障位置的信息，如何有效利用这段信息是现阶段研究的重点内容。基于分布式参数的时域故障定位算法可以直接利用故障发生后到保护设备动作前的原始数据进行定位计算，无需对数据进行滤波。这种定位算法原本是为交流输电系统量身打造，但经国内外学者的研究，直流输电线路与交流输电线路并无本质区别，只是能量集中的频域不同，因此可以将线路等效为分布式参数的思想用于直流牵引供电系统的故障定位计算。参考文献[1]刘志刚,郝峰杰,陈杰,等.城轨牵引供电系统车-地配合参数优化方法[J].北京交通大学学报,2019,v.43;No