楊 方

中交二公局電務工程有限公司 陜西 西安 710109

從目前城市化發(fā)展情況來看，存在著嚴重的交通擁堵問題，這也影響到城市居民的正常出行?；诖?，很多地區(qū)開始興建地鐵工程，借助地鐵載客能力強、運輸速度快的優(yōu)勢，來分擔城市運輸壓力。在地鐵工程修建過程中，牽引供電系統(tǒng)屬于重要的組成內(nèi)容，通過優(yōu)化系統(tǒng)相關內(nèi)容，提升系統(tǒng)運行過程的安全性，對于提升列車運輸安全性有著積極地意義。

1 地鐵牽引供電系統(tǒng)基礎內(nèi)容

1.1 基本分類

1.1.1 直流電力牽引系統(tǒng) 對于早期的直流傳動，電動機主要采用凸輪調(diào)節(jié)電阻的方式進行電壓調(diào)節(jié)，但是這種方式會引起很大的沖擊電流?，F(xiàn)在的方式主要有依靠直流電源經(jīng)一電流變換器向直流牽引電動機供電。斬波調(diào)速即脈寬調(diào)速，能夠調(diào)節(jié)電動機的輸入電壓平均值，其原理是，當直流電源電壓基本不變時，利用電子開關的通斷，使施加在電動機兩端的電壓脈沖寬度占空比發(fā)生改變。這個過程就是直流電動機的平滑無級調(diào)速過程，即通過斬波器對牽引電動機的兩端的電壓進行平滑的、連續(xù)的調(diào)節(jié)并通過改變晶閘管的移向角改變輸出電壓，最終達到調(diào)速目的。

1.1.2 交流電力牽引系統(tǒng) 使用交流電機供電的地鐵列車，一般采用鼠籠式異步電動機，交流地鐵列車采用的調(diào)速方式是變頻調(diào)速，可把固頻交流電換為可調(diào)壓、調(diào)頻的交流電，并有變頻器向交流電動機供電。這種控制方式的優(yōu)點包括:第一，由于中間部分的直流電壓保持不變，強迫換流的線路則會很簡單；第二，調(diào)頻調(diào)壓均可由逆變器內(nèi)部實現(xiàn)，可排除直流濾波回路的參數(shù)影響而實現(xiàn)快速調(diào)節(jié)；第三，電源側(cè)功率因數(shù)較高，減少了高次諧波對電網(wǎng)的影響；第四，可以將輸出電壓調(diào)制成姍波，減少了低次諧波，從而解決了電動機在低頻區(qū)的轉(zhuǎn)矩脈動問題，也降低了電動機的諧波損耗與噪聲。

1.2 供電方式 在供電方式的選擇中，常用方式如下:第一，直流供電模式，該供電方式在應用中比較簡單，系統(tǒng)所輸出的電能可以直接供給列車運行，具有系統(tǒng)組成簡單、運營成本低等優(yōu)勢。但是該方式在應用中的平衡態(tài)較差，回路電阻較大，不適用長距離(超過20km)列車系統(tǒng)運行需求。第二，吸流變壓器供電方式，其原理在于在線路上布設吸流變壓器，使其可以將原線路串接到接觸網(wǎng)中，同時從次邊串聯(lián)回流線，并將一根上線設置在相鄰吸流變壓器中間，使其可以與回流線、軌道關聯(lián)在一起，這樣在線路運行過程中能夠順利將回流吸回，起到抗干擾的作用。第三，自耦變壓器供電模式，在牽引供電系統(tǒng)采用該模式進行供電時，其輸出電壓值在55―60kv，在線路分配上，其中一端會和正饋線連接在一起，另一端則會與接觸網(wǎng)聯(lián)系在一起，并在中點抽頭位置引出線與鋼軌相連，在穩(wěn)定供電的同時，可以起到良好的抗干擾能力和防雷功能。

2 地鐵牽引供電系統(tǒng)運行關鍵技術分析

2.1 電力電纜參數(shù)選擇

為了確保牽引地鐵系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，首要任務便是確保電力電纜參數(shù)選擇結(jié)果的合理性。以單芯電纜為例，如圖一所示，從外向內(nèi)依次由外護套、鎧裝層、絕緣護層、金屬屏蔽層、絕緣層和線芯，目前在線芯材料的選擇中，主要使用到的材料為來銅線、鋁線、銅芯鋁外殼等，而常用的絕緣層則使用到PVC、XLPE等材料來制作，金屬屏蔽層多使用多根金屬材料來完成編織處理，進而提升分析結(jié)果的可靠性。另外，在電力電纜分析過程中，還需要做好線芯與屏蔽層之間的電容計算，具體計算公式為C＝kC×10―6/(lnr1―lnr2)，其中r1表示線纜屏蔽層半徑，計量單位為 m；r2表示線纜線芯半徑，計量單位為m；k表示計量常數(shù)，查看相關表格進行查詢；C表示介電常數(shù)。

圖一 單芯電纜構(gòu)成示意圖

2.2 完成電壓損失計算 在系統(tǒng)應用設計中，也需按要求進行電壓損失值計算，這也是完善供電系統(tǒng)的基礎要求。如圖二所示，假定此時有電流I通過線路，而線路內(nèi)的阻抗值為Z，那么此時利用線路電壓計算公司，能夠得到相應的電壓計算公式，根據(jù)公式還可以繼續(xù)計算電壓損失量。從目前地鐵工程運行情況來看，機車的功率因數(shù)也處于不斷提升的狀態(tài)，這樣也造成功率因數(shù)角度不斷縮小，而相互之間的幾何關系也出現(xiàn)擴大的情況，此時如果忽略掉該角度，也會帶來較大的應用誤差，此過程也會利用向量計算法來完成內(nèi)容分析，從而根據(jù)計算得到的損失值來確定牽引網(wǎng)參數(shù)。

圖二 列車載流線路圖

2.3 合理選擇供電網(wǎng)選型 為了滿足地鐵運行過程的基礎需求，在應用過程中也需要做好供電網(wǎng)選型工作，具體網(wǎng)絡會由系統(tǒng)供電線與回流線構(gòu)成，在對其進行分析時，可以將其看做是二導線傳輸模型來進行分析?；谝酝膽脭?shù)據(jù)可以了解到，在系統(tǒng)運行過程中，鋼芯鋁絞線在應用過程中所產(chǎn)生的阻抗值和感抗值均超過傳統(tǒng)的單、雙芯電纜，而且此類電纜在布設時的架空線應用了裸露的導線，同時并沒有布置絕緣層，這也使得兩組導線在鋪設過程中，其間距明顯超過了傳統(tǒng)線纜，屬于比較適合的網(wǎng)線選擇。但是此類電纜只能使用架空的方式進行布置，在地鐵供電系統(tǒng)中不太適用，這也是線路后續(xù)改良過程中的參考方向。

2.4 供電回路選型處理 為了提升地鐵運行過程的穩(wěn)定性，在應用過程中也需要做好供電回路選型處理，具體網(wǎng)絡會由柔性接觸網(wǎng)、剛性接觸網(wǎng)組成，在對其進行分析時，可以利用Carson公式來完成模型參數(shù)的計算工作，從而提升所分析結(jié)果的可靠性。以柔性接觸網(wǎng)為例，該接觸網(wǎng)系統(tǒng)在應用過程中，其內(nèi)容包括了接觸線、加強線、承力索系統(tǒng)等，在系統(tǒng)的網(wǎng)載流量也會和導線之間的載流量存在著較強的關聯(lián)性。在系統(tǒng)運行過程中，需要對接觸網(wǎng)所產(chǎn)生的阻抗值和感抗值進行計算，根據(jù)技術所得結(jié)果來判斷系統(tǒng)目前運行狀態(tài)的可靠性，動態(tài)調(diào)整接觸網(wǎng)參數(shù)，從而提升系統(tǒng)設計內(nèi)容的合理性與可靠性。

2.5 供電回路電流分布處理 地鐵工程在運行過程中，需要確保供電過程的持續(xù)性和穩(wěn)定性，并且在系統(tǒng)全線運行的過程中，也需要做好接觸回路電流分布計算，該內(nèi)容的計算結(jié)果也會直接影響到系統(tǒng)運行狀態(tài)。在具體的計算過程中，可供選擇的計算方法較多，選擇某一類計算方法進行分析。在該方法的計算過程中，會以回流線路為基礎，沿著相鄰四所進行取流，選擇恰當?shù)娜×鼽c進行分析，并且在分析過程中，需要對系統(tǒng)內(nèi)牽引變壓器阻抗、接觸供電網(wǎng)阻抗等數(shù)值進行采集，帶入到公式中對其進行計算，根據(jù)計算結(jié)果來完成分布處理內(nèi)容的優(yōu)化工作，提升分析結(jié)果的使用價值。

2.6 供電網(wǎng)電流優(yōu)化計算 除了上述提到的應用內(nèi)容外，在牽引供電系統(tǒng)設計過程中還需要注重供電網(wǎng)電流優(yōu)化計算工作。該內(nèi)容的合理性也會對整個系統(tǒng)的工作狀態(tài)來較大影響，從目前的計算情況來看，進行該內(nèi)容計算時，可以進行選擇的方法相對較多，從中選擇某一類計算方法來進行細致敘述。在該方法的計算過程中，會以供電網(wǎng)線路為基礎，對于負載取流內(nèi)容進行梳理，在區(qū)域內(nèi)劃分為若干個應用區(qū)域，并且在其中選擇恰當?shù)娜×鼽c進行分析，而且在內(nèi)容分析過程中，也會對系統(tǒng)牽引變壓器阻抗、供電網(wǎng)阻抗、供電網(wǎng)感抗參數(shù)進行采集，將這些數(shù)值帶入到公式中對其進行計算，并且根據(jù)計算結(jié)果對于供電網(wǎng)節(jié)點內(nèi)容進行優(yōu)化，以穩(wěn)定整個供電網(wǎng)絡運行效果[1]。

3 地鐵牽引供電技術發(fā)展分析

3.1 再生制動與儲能技術 從目前的發(fā)展情況來看，在牽引供電系統(tǒng)未來發(fā)展過程中，再生制動與儲能技術有著良好的發(fā)展趨勢，該技術主要針對直流牽引供電系統(tǒng)，此系統(tǒng)在應用過程中存在著整流運行環(huán)節(jié)，此時會缺少穩(wěn)定電流來穩(wěn)定輸電網(wǎng)運行狀態(tài)?；诖嗽谙到y(tǒng)應用中也需要合理設計儲能吸收裝置，對于能量進行臨時存儲，以滿足供電系統(tǒng)穩(wěn)定運行的相關要求。目前研究的主流存儲方式包括地面儲能模式與車載儲能模式，但是從目前的使用情況來看，車載儲能模式在地鐵運行中具備了更好的節(jié)能性，而且在發(fā)展中還可以對軌道啟停過程中產(chǎn)生的沖擊進行合理避免，進而提升兩列車運行狀態(tài)的穩(wěn)定性[2]。

3.2 永磁同步牽引技術 在牽引供電系統(tǒng)未來發(fā)展過程中，永磁同步牽引技術在未來發(fā)展過程中，也具備了良好的應用優(yōu)勢，并且也具有了非常良好的發(fā)展前景。在具體應用中，該技術具備了更好的節(jié)能性，依托于永磁設備特點，也可以減少列車運行過程中的銅損耗與鐵損耗，基于可靠數(shù)據(jù)，可以節(jié)省至少10%的資源損耗。同時系統(tǒng)在應用中，也具備了較強的功率密度，這對于系統(tǒng)體積的縮減有著積極地意義，常規(guī)狀態(tài)下其縮減率可以達到30%左右，同時也具備了更加良好的轉(zhuǎn)矩優(yōu)勢，從而提升系統(tǒng)運行過程中動力來源的穩(wěn)定性。另外，在應用設計中，也會應用到一體化設計，并將其封閉在密閉空間當中，起到降低系統(tǒng)噪音的作用[3]。

3.3 輕量化處理設計 在牽引供電系統(tǒng)未來發(fā)展過程中，輕量化處理設計也屬于非常重要的發(fā)展方向，這也是降低列車供電過程能耗的重要保障。在列車設計過程中，牽引供電系統(tǒng)也屬于整個運營系統(tǒng)載重的重要組成，基于此也需要在后續(xù)發(fā)展中對其展開輕量化設計，從而起到減少能耗的作用。具體應用設計中，會使用到先進性更強的功率器件，同時也會對常規(guī)電容元件、電抗組件進行優(yōu)化，以降低整個系統(tǒng)的總重量。另外，在優(yōu)化設計過程中，也會對列車箱體結(jié)構(gòu)來完成優(yōu)化設計，例如，將鋁合金材料作為新的箱體制作材料，此類材料的耐腐蝕性更強，滿足輕量化應用優(yōu)勢[4]。

3.4 新型半導體技術 除了上述應用內(nèi)容外，在牽引供電系統(tǒng)未來發(fā)展過程中，新型半導體技術也屬于非常重要的發(fā)展方向，這也是持續(xù)優(yōu)化供電系統(tǒng)的重要保障。例如，目前許多地區(qū)會將SiC材料作為半導體制作原料，相比以往的單質(zhì)硅材料，其運行速度更快，而且在應用過程中的損耗量也會減少，這樣也可以更好的應對關斷拖尾電流問題，提升系統(tǒng)轉(zhuǎn)換過程的應用質(zhì)量。另外，該技術在應用過程中，SiC材料組成結(jié)構(gòu)的便捷性更強，可以改善系統(tǒng)對于器件工作狀態(tài)的冷卻需求，使其可以更好地滿足輕量化特征，提升供電系統(tǒng)運行過程的可靠性與經(jīng)濟性[5]。

結(jié)束語

綜上所述，在地鐵系統(tǒng)運行過程中，牽引供電系統(tǒng)屬于重要的組成部分，通過融入合理技術來優(yōu)化整個運行系統(tǒng)，不僅可以提升系統(tǒng)運行質(zhì)量，而且對于提升系統(tǒng)工作狀態(tài)安全性也有著積極地作用。