城市軌道交通不同牽引供電制式的比較

范錦江 陳慧民 姜東杰

(1.同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院,200331,上海; 2.上海鐵路局科學(xué)技術(shù)研究所,200071,上海;3.唐山軌道客車公司技術(shù)中心,064000,唐山∥第一作者,講師)

城市軌道交通不同牽引供電制式的比較

范錦江1陳慧民2姜東杰3

(1.同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院,200331,上海; 2.上海鐵路局科學(xué)技術(shù)研究所,200071,上海;3.唐山軌道客車公司技術(shù)中心,064000,唐山∥第一作者,講師)

目前我國(guó)城市軌道交通牽引供電制式以DC 1 500 V上部懸掛接觸網(wǎng)為主,有些線路采用DC 750 V三軌供電制式。隨著城市軌道交通的不斷發(fā)展,為節(jié)能減排提高能效,有必要提高牽引供電電壓。近年來(lái)城際鐵路和地鐵的大力發(fā)展,使?fàn)恳╇娂夹g(shù)和動(dòng)車傳動(dòng)控制技術(shù)都得到了極大提高,無(wú)論是高鐵或地鐵動(dòng)車都采用了先進(jìn)的交流傳動(dòng)技術(shù),不同的僅是高鐵、城際鐵路采用單相交流27.5 kV供電,而地鐵采用的是DC 1 500 V供電。從技術(shù)上講地鐵也可采用與其上部絕緣凈空尺寸相應(yīng)電壓等級(jí)的單相交流供電,這無(wú)疑是一種節(jié)能減排、減少地下雜散電流,又可與高鐵、城際鐵路線路貫通的新型模式。

軌道交通; 牽引供電制式; 直流供電; 交流供電; 同相供電

First-author′s address College of Electronical and Information Engineering,Tongji University,201804,Shanghai,China

城市軌道交通發(fā)展迅速,已成為其所在城市的最大耗電戶之一。創(chuàng)新發(fā)展、節(jié)能減排、降低運(yùn)營(yíng)成本是眾多城市軌道交通運(yùn)營(yíng)企業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必由途徑。2013年5月深圳地鐵有限公司擬將原有線路的DC 1 500 V牽引供電制式升級(jí)為DC 3 000 V牽引供電制式,預(yù)計(jì)牽引耗電可節(jié)能30%左右。

升級(jí)供電制式可減少線路上的電耗值,增大牽引所間距離,減少牽引所(站)數(shù)目?；趪?guó)內(nèi)外軌道交通牽引系統(tǒng)與新技術(shù)的發(fā)展,研發(fā)一種安全快捷和低能耗的城市軌道牽引供電新制式十分必要。

曹建猷教授在1956年底提出充分的論據(jù),建議采用工頻單相交流制。這種制式被采用在我國(guó)第一條電氣化鐵路(寶雞到鳳州段)上,并一直沿用至今,而且目前仍能適合我國(guó)高速鐵路及重載鐵路的發(fā)展需要。

而我國(guó)第1條地鐵線路(北京地鐵1號(hào)線)歷經(jīng)多次設(shè)計(jì),最后采用了第三軌DC 750 V供電制式。這主要是受到當(dāng)時(shí)無(wú)法引進(jìn)盾構(gòu)先進(jìn)技術(shù)和設(shè)備的限制,也有第三軌受流方式對(duì)地下隧道凈空尺寸要求相對(duì)低的因素。1985年,上海軌道交通1號(hào)線供電分項(xiàng)專題可行性研究曾對(duì)DC 750 V和DC 1 500 V兩種制式采用了計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)仿真計(jì)算,在國(guó)內(nèi)外地鐵調(diào)研基礎(chǔ)上,提出了采用國(guó)際通用的DC 1 500 V供電和上部懸掛接觸網(wǎng)建議。相對(duì)第三軌DC 750 V供電制式,建議制式更能節(jié)能減排、降低運(yùn)營(yíng)成本、保障乘客安全。目前,深圳地鐵研發(fā)的DC 3 000 V制式上部懸掛接觸網(wǎng)能進(jìn)一步提升節(jié)能減排,降低運(yùn)營(yíng)成本。

直流供電制式優(yōu)點(diǎn)不少,但在長(zhǎng)期應(yīng)用中也存在著幾個(gè)突出的問(wèn)題:

(1) 若要節(jié)能減排,需升級(jí)電壓,進(jìn)而增加隧道凈空高度,從而增加隧道土建工程投資。

(2) 在直流牽引供電方式下,列車制動(dòng)時(shí)的再生能量利用率較低。

(3) 直流電壓級(jí)的提高目前仍受到牽引側(cè)饋線高速直流開(kāi)關(guān)分?jǐn)嗄芰Φ南拗啤Ｔ跔恳W(wǎng)發(fā)生嚴(yán)重短路情況下,由于直流開(kāi)關(guān)無(wú)法及時(shí)分?jǐn)?故極易造成牽引所整流設(shè)備的損壞,從而造成區(qū)間列車停阻。前蘇聯(lián)曾試驗(yàn)過(guò)DC 6 000 V電壓級(jí)的牽引,但牽引饋線開(kāi)關(guān)的負(fù)荷分段能力難以在技術(shù)上解決。

(4) 直流牽引供電方式會(huì)產(chǎn)生地下雜散電流,進(jìn)而會(huì)對(duì)隧道鋼結(jié)構(gòu)、地下金屬管道及電纜等設(shè)施產(chǎn)生電腐蝕,為此需設(shè)置自動(dòng)排流防護(hù)設(shè)備。

西南交通大學(xué)有關(guān)人員根據(jù)德國(guó)交流同相供電技術(shù)完成的首套同相供電裝置,于2011年在成昆線眉山牽引變電所投入試運(yùn)行,并通過(guò)科技部組織的專家鑒定驗(yàn)收。在此基礎(chǔ)上,西南交通大學(xué)又為溫州城域鐵路S1線設(shè)計(jì)了同相供電技術(shù)新方案。在此基礎(chǔ)上,本文提出一種城市軌道交通單相組合式同相供電的新制式。并對(duì)這種新制式與既有的DC 1 500 V牽引供電制式進(jìn)行技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上的比較。

1 單相組合式同相牽引供電制式

目前,國(guó)外城市軌道交通牽引供電基本采用直流牽引供電制式,隨著技術(shù)的發(fā)展,軌道交通上行駛的電力機(jī)車或動(dòng)車組已實(shí)現(xiàn)了交直交傳動(dòng)方式。目前,我國(guó)大中城市軌道交通均采用處于直流牽引供電制式下的交流傳動(dòng)方式。新一代城市軌道交通擬采用單相組合式同相牽引供電系統(tǒng)(見(jiàn)圖1)。

圖1中,牽引變電所(SS)由單相牽引變壓器和同相補(bǔ)償裝置組成;牽引網(wǎng)由上部懸掛和單向軌道組成,由分區(qū)開(kāi)關(guān)(SP)來(lái)實(shí)現(xiàn)貫通式同相供電。牽引變電所單相組合式同相供電的原理圖見(jiàn)圖2。

牽引變電所內(nèi)主要供電設(shè)備包括TT和CPD;CPD由HMT、L、ADA和TMT構(gòu)成。TT和CPD均為單相結(jié)構(gòu)。HMT原邊繞組的一端T0與TT原邊繞組中點(diǎn)相接。TT原邊繞組連接電力系統(tǒng)高壓進(jìn)線的某一線電壓,圖2中即為BC線電壓(次邊為bc線電壓),連接在B、C兩相之間。HMT原邊繞組的另一端T1連接A相(次邊為a相)。HMT次邊繞組經(jīng)過(guò)L連接ADA入端。ADA出端連接TMT原邊,產(chǎn)生與TT相同相位和頻率的電壓。TT次邊繞組和TMT次邊繞組的電壓幅值和相位相同,均接于牽引母線。相關(guān)的動(dòng)車牽引系統(tǒng)主電路原理圖如圖3所示。

圖1 單向組合式同相供電示意圖

圖2 單向組合式同相供電的原理圖

與直流牽引供電制式相比,單相組合式同相牽引供電制式具有如下優(yōu)點(diǎn):

(1) 在隧道凈空高度相同的限制下,選用單相AC 2 750 V電壓級(jí)可減小線路損耗,達(dá)到節(jié)流減排的目的。

(2) 牽引側(cè)饋線開(kāi)關(guān)采用的交流分?jǐn)嚅_(kāi)關(guān)可提高分?jǐn)嗄芰?有利于短路過(guò)載保護(hù)。

(3) 實(shí)現(xiàn)城市軌道交通全線貫通式同相牽引供電可提高再生能量的利用率,改善供電質(zhì)量。

(4) 采用交流牽引供電時(shí),地下雜散電流的電腐蝕可得到根本性的改善,可節(jié)省這方面的投資及維護(hù)費(fèi)用。

(5) 單相組合式同相牽引供電制式為城市軌道交通與城際鐵路、高鐵之間直接貫通運(yùn)行鋪墊了基本條件。

注:4QC——四象限變流器;CSK——串聯(lián)諧振電容;SPW——防空轉(zhuǎn)防滑控制;MUB——過(guò)壓限值器;KS——過(guò)壓保護(hù);ESE——諧波吸收器;CD——鏈路電容;PMW——脈寬調(diào)制器

圖3 動(dòng)車牽引系統(tǒng)主電路原理圖

3 牽引網(wǎng)電耗等效計(jì)算值的比較

為比較2種牽引供電制式下的牽引網(wǎng)電耗值,可用相對(duì)等效電路(見(jiàn)圖4及圖5)按列車功率計(jì)算牽引負(fù)荷電流值。計(jì)算設(shè)定為:

圖4 DC 1 500 V制式下的等效電路

圖5 AC 2 750 V制式下的等效電路

(1) DC制式時(shí)VDC=1 500 V,AC制式時(shí)VAC=2 750 V。

(2) 2種制式的列車編組均為4 M(動(dòng)車)+2T(拖車),每節(jié)動(dòng)車上每臺(tái)牽引電機(jī)功率Pm=180 kW。

(3) 動(dòng)車上的脈寬調(diào)制器、逆變器和牽引變壓器的功耗系數(shù)均為5%。

(4) 2種制式的列車運(yùn)行在站1和站2同一區(qū)間牽引網(wǎng)線路上。DC制式下其直流單位電阻R=0.323 Ω/km,AC制式下其交流阻抗單位Z=0.565 Ω/km。

分別計(jì)算2種制式下列車按額定電功率運(yùn)行至同一區(qū)段中點(diǎn)(站距為2 km)時(shí)的牽引網(wǎng)電流和線路電耗值。

根據(jù)圖4,DC制式下的牽引電流IDC=PDC/VDC=2 016 A,IDC1=IDC2=IDC/2=1 008 A ,線路單位電能損耗Pr=2×(IDC/2)2×R=656.4 kW/km。

根據(jù)圖5,AC制式下的牽引電流IAC=PAC/VAC=1 212 A,IAC1=IAC2=IAC/2=606 A;線路單位電能損耗Pz=2×(IAC/2)2× Z=415 kW/km。

由二者的電耗值即可求得其相對(duì)節(jié)電率j=(Pr-Pz)/Pr=0.367 ,即AC 2 750 V制式相對(duì)于DC 1 500 V制式的理論節(jié)電率為36.7%。

3 牽引供電制式的經(jīng)濟(jì)比較

設(shè)定經(jīng)濟(jì)比較的前提如下:

(1) 2種制式下隧道和牽引所的土建造價(jià)相同。

(2) 牽引所內(nèi)電氣設(shè)備僅是三相降壓整流裝置變?yōu)閱蜗嘧儔浩骱屯嘌a(bǔ)償裝置的區(qū)別,估計(jì)二者造價(jià)相近。

(3) AC制式動(dòng)車較DC制式動(dòng)車造價(jià)有所增加,CRH3型高鐵動(dòng)車上的高壓?jiǎn)蜗嘧儔浩骱湍孀兤髟靸r(jià)420萬(wàn)元,據(jù)此估算AC制式每節(jié)動(dòng)車需增加造價(jià)135萬(wàn)元,每列4節(jié)動(dòng)車增加造價(jià)540萬(wàn)元。

(4) 2種制式下每列列車均運(yùn)行12 h計(jì)算線路電耗值,并按每kwh電價(jià)為1元計(jì)算節(jié)電回收期。

為了簡(jiǎn)單化估算節(jié)電回收期,作電流分布示意圖(見(jiàn)圖6)。

圖6 I1 (n)和I2 (n)電流分布示意圖

首先,將站1和站2之間的2 km區(qū)間劃為8個(gè)等分段,則列車電流I1(n)+I2(n),n=0,1,2,…,8。先求出各點(diǎn)處的I1(n)和I2(n)值,然后,計(jì)算列車左右二側(cè)線路上的電耗功率平均值P。最后將P歸算為節(jié)省的電量值A(chǔ)和節(jié)電費(fèi)Q。

DC制式時(shí),PDC=424.2 kW,則ADC=14.14 kWh;AC 制式時(shí),PAC=268.2 kW,則AAC=8.94 kWh?？傻肁=ADC- AAC=5.2 kWh。

可見(jiàn),AC 制式時(shí)每列列車全年可節(jié)電費(fèi)Q=68.33萬(wàn)元。AC 制式每列車(4輛動(dòng)車)所增加造價(jià)的節(jié)電回收期Y≈7.9年。若計(jì)及列車再生電能利用率和變流站內(nèi)主電路設(shè)備容量利用率的提高等因素,回收期還可降低。

依據(jù)上述DC 1 500 V和AC 2 750 V電路,曾用VB6語(yǔ)言編制計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)仿真程序計(jì)算,得出列車運(yùn)行在站1至站2區(qū)間時(shí)的線路每秒電耗值、相對(duì)節(jié)電率j和節(jié)電回收期Y值。結(jié)果表明,與等分近似計(jì)算法的計(jì)算值大致相近[2-3]。

4 結(jié)語(yǔ)

實(shí)施交流牽引供制式的前題是對(duì)既有DC 1 500 V的絕緣設(shè)備進(jìn)行AC絕緣電壓的相關(guān)試驗(yàn)和論證。在既有隧道凈空限制下,經(jīng)初步調(diào)研分析可選用AC 2 750 V牽引供電制式。

采用交流牽引供電制式的城市軌道交通線路適宜先在中小城市郊區(qū)建造,以減少初期的土建投資。為穩(wěn)妥起見(jiàn),可先在郊區(qū)建設(shè)單相組合式同相牽引供電試驗(yàn)區(qū)段。

[1] 李群湛.論新一代牽引供電系統(tǒng)及其關(guān)鍵技術(shù)[J].西南交通大學(xué)學(xué)報(bào),2014,49(4):559.

[2] 陳慧民.高速動(dòng)車組牽引特性分析[J].城市軌道交通研究,2008,11(7):21.

[3] 范錦江.牽引變電所狀態(tài)實(shí)時(shí)仿真與檢測(cè)綜合系統(tǒng)的研究[R].上海:上海鐵路局,2008.

[4] 姜東杰.CRH3型動(dòng)車組牽引傳動(dòng)系統(tǒng)[J].鐵道機(jī)車車輛,2008(增):95.

On Different Urban Rail Transit Traction Power Supply Mode

FAN Jinjiang, CHEN Huimin, JIANG Dongjie

Current urban rail transit power supply mainly adopts DC 1 500 V for overhead suspension contact,but some old lines are still supplied with three rail lines with DC 750 V.With the rapid development of urban rail transit,it is necessary to raise the traction power supply voltage from the energy-saving and upgrading efficiency point of view.In fact,the vigorously development of intercity railways in recent years has greatly improved the traction power supply technology and train drive control technology.Advanced AC traction drive technology is applied both in high-speed rail and subway,the high-speed intercity railway is supplied with 27.5 KV of AC power supply and the subway is supplied with 1 500 V of DC power supply.In terms of the power supply technology,subway could adopt upper insulation clearance size corresponding to the single phase AC power supply and the corresponding grade voltage,it is undoubtedly a kind of new mode featuring energy-saving and emission reduction,it could also reduce the underground stray current,and be connected with the intercity high-speed railways.

rail transit; traction power supply system; DC power supply; AC power supply; cophase power supply

TM 922.01:U 231

10.16037/j.1007-869x.2016.12.022

2015-05-07)