張鵬

摘 要：本文介紹了應(yīng)用于交通領(lǐng)域的幾種非接觸供電系統(tǒng)的原理與構(gòu)成，并綜述了各種應(yīng)用場(chǎng)景下對(duì)非接觸供電技術(shù)的需求，最終比選確定可用于工程實(shí)際的非接觸供電技術(shù)，并給出了幾種應(yīng)用構(gòu)想。

關(guān)鍵詞：非接觸供電;軌道交通;應(yīng)用

0 引言

現(xiàn)有的軌道交通，例如高鐵、地鐵、輕軌、低速磁懸浮列車、有軌電車等，其受電方式多采用地面鋪設(shè)第三供電軌或空中架設(shè)供電網(wǎng)等接觸式供電方案，但接觸式供電帶來(lái)如下問(wèn)題：

（1）系統(tǒng)可靠性、安全性較差，維護(hù)繁雜。

（2）速度難以進(jìn)一步提升。

（3）影響城市景觀，產(chǎn)生視覺(jué)污染。

（4）難以適應(yīng)未來(lái)磁浮交通發(fā)展方向。

綜上所述，未來(lái)的軌道交通對(duì)速度和環(huán)境的友好均提出更高的要求，傳統(tǒng)接觸網(wǎng)很難滿足。這就需要新一代的供電技術(shù)來(lái)適應(yīng)這些變化，它應(yīng)具備以下幾點(diǎn)特征：

（1）能達(dá)到更高的運(yùn)行速度和更高的可靠性。

（2）能運(yùn)用于磁浮和輪軌交通。

（3）不低于現(xiàn)有接觸網(wǎng)的傳輸功率。

（4）具有更小的安裝體積，盡量對(duì)環(huán)境不造成視覺(jué)上的影響。

要達(dá)成以上目標(biāo)，就需要采用非接觸供電技術(shù)。

1 非接觸供電系統(tǒng)原理與特點(diǎn)

非接觸供電技術(shù)（Contactless Power Transfer，CPT）是借助空間電場(chǎng)或磁場(chǎng)將能量從發(fā)射端以無(wú)電氣連接的形式傳遞至接收端的全新電能傳輸技術(shù)，非接觸供電技術(shù)根據(jù)其原理，主要分為電磁感應(yīng)式（Inductive Power Transfer， IPT）和電場(chǎng)耦合式（Electric Field Power Transfer， EPT）兩大類。

電磁感應(yīng)方式非接觸供電是通過(guò)電場(chǎng)與磁場(chǎng)之間的轉(zhuǎn)換，利用磁場(chǎng)在兩個(gè)線圈之間建立耦合關(guān)系或交變磁場(chǎng)來(lái)傳輸能量，這種傳輸方式根據(jù)其原理還分為“齒諧波直線發(fā)電機(jī)”（linear generator， LG）和“空心變壓器”（Inductive Power Transfer ， IPT）。本文主要討論基于LG技術(shù)和IPT技術(shù)的非接觸供電技術(shù)在軌道交通中的應(yīng)用。

1.1 LG型非接觸供電技術(shù)原理與特點(diǎn)

齒諧波直線發(fā)電機(jī)是目前少數(shù)投入實(shí)用的軌道交通非接觸供電系統(tǒng)，它最成功的應(yīng)用案例是德國(guó)的TR-08高速磁浮（即上海高速磁?。?。TR-08磁懸浮列車采用有鐵芯長(zhǎng)定子同步直線電機(jī)作為推進(jìn)系統(tǒng)和懸浮系統(tǒng)。由于同步直線電機(jī)的齒槽效應(yīng)，當(dāng)磁浮列車行駛時(shí)，除了具有與列車運(yùn)行速度一致的基本平移速度分量外，還存在著相于列車運(yùn)行速度5倍及更高倍的平移速度分量，這就是齒諧波。

由于這些相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度更高的齒諧波與發(fā)電機(jī)定子線圈存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，它將在發(fā)電機(jī)定子線圈中感應(yīng)電勢(shì)。隨著列車運(yùn)行速度的提高，該感應(yīng)電勢(shì)頻率及幅值成比例上升。當(dāng)列車達(dá)到一定速度時(shí)， 該感應(yīng)電勢(shì)可提供足夠的電能，以供車體用電。

具體到上海高速磁浮運(yùn)營(yíng)線，當(dāng)列車速度達(dá)到100 km時(shí)，每節(jié)列車傳輸功率約180 kW。

基于齒諧波直線發(fā)電機(jī)的LG型CPT系統(tǒng)具有以下的工程應(yīng)用特點(diǎn)：

（1）系統(tǒng)需要具備長(zhǎng)定子的同步直線電機(jī)結(jié)構(gòu)，才能利用地面初級(jí)繞組勵(lì)磁時(shí)產(chǎn)生的齒諧波效應(yīng)。

（2）對(duì)初級(jí)和次級(jí)之間的氣隙要求較高，需要達(dá)到10 mm級(jí)別。

（3）高次諧波在次級(jí)中產(chǎn)生的感生電動(dòng)勢(shì)僅在列車前進(jìn)的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生。

（4）基于齒諧波直線發(fā)電機(jī)的非接觸供電裝置能量傳輸功率較小。

1.2 IPT型非接觸供電技術(shù)原理與特點(diǎn)

IPT型非接觸供電技術(shù)，也稱“空心變壓器”是基于電磁感應(yīng)的非接觸供電技術(shù)，其工作原理是利用磁場(chǎng)在兩個(gè)線圈之間建立耦合關(guān)系來(lái)傳輸能量，當(dāng)原邊通入交變電流時(shí)，在原邊與次變線圈之間產(chǎn)生交變的磁場(chǎng)，該交變磁場(chǎng)在次級(jí)線圈中產(chǎn)生隨磁場(chǎng)變化的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，提供給次邊負(fù)載，最后經(jīng)電力電子變換后直接輸出給用電設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)電能的無(wú)線傳輸。

在軌道交通IPT系統(tǒng)應(yīng)用中，需要敷設(shè)線圈的線路長(zhǎng)度以km計(jì)，單根導(dǎo)線不可能完成整個(gè)系統(tǒng)一次側(cè)線圈敷設(shè)。為提高系統(tǒng)效率，一次側(cè)線圈可采用分段敷設(shè)形式。

一個(gè)典型的軌道交通IPT系統(tǒng)包含以下幾個(gè)主要部分構(gòu)成：IPT整流逆變機(jī)組、IPT磁耦合機(jī)構(gòu)（地面發(fā)射線圈、車載拾取線圈）、IPT補(bǔ)償裝置。

IPT型CPT系統(tǒng)具有以下的工程應(yīng)用特點(diǎn)：

（1）電能傳輸采用電磁感應(yīng)LC耦合方式，不依賴直線電機(jī)，傳輸功率較大（500 kW～1 000 kW）。

（2）允許初級(jí)和次級(jí)再各方向存在一定的位移，這種空間位置上的松耦合特性非常適合于動(dòng)磁懸浮列車和傳統(tǒng)的輪軌交通。

（3）空心變壓器的漏磁較大，因此必須考慮交變磁場(chǎng)對(duì)周圍其他金屬結(jié)構(gòu)體的影響。

（4）系統(tǒng)的工作效率受到逆變器效率、補(bǔ)償形式和補(bǔ)償算法的影響，是比較復(fù)雜的電氣設(shè)備。

IPT系統(tǒng)最為成功的應(yīng)用是龐巴迪Flexity2有軌電車在德國(guó)奧格斯堡項(xiàng)目中采用的“Primove”三相地面繞組線圈，線圈分為5段，該系統(tǒng)最大傳輸功率為250 kW。

此外韓國(guó)鐵道科學(xué)研究院（KAIST）研制的應(yīng)用于驅(qū)動(dòng)高鐵的1 MW無(wú)接觸電能傳輸系統(tǒng)，一次側(cè)采用單相線圈，單段線圈長(zhǎng)度128 m，二次側(cè)采用4個(gè)并聯(lián)接收線圈向負(fù)載供電，亦取得了成功。

1.3 CPT技術(shù)的性能與安裝條件

根據(jù)前文總結(jié)，應(yīng)用于軌道交通的CPT技術(shù)主要有齒諧波直線發(fā)電機(jī)（LG）型和空心變壓器（IPT）這2種主要模式，他們的電氣性能和安裝條件如下：

2 非接觸供電技術(shù)的應(yīng)用分析

2.1 非接觸供電的工程應(yīng)用場(chǎng)景

對(duì)CPT的工程應(yīng)用分析首先明確其使用場(chǎng)景，以及在對(duì)應(yīng)的應(yīng)用場(chǎng)景下，對(duì)系統(tǒng)的性能需求，并針對(duì)不同技術(shù)路線的CPT裝置的進(jìn)行比選。軌道交通領(lǐng)域的使用場(chǎng)景主要有2類：第一類是磁浮軌道交通;第二類是傳統(tǒng)的輪軌交通。

2.1.1 EMS型高速磁浮系統(tǒng)

高速磁浮列車，一般采用長(zhǎng)定子繞組同步直線電機(jī)，其電力牽引的主要功率施加在地面繞組上。根據(jù)上海高速磁浮示范線情況，現(xiàn)有的5輛編組計(jì)算，列車的最大動(dòng)照需求功率在1 500 kW左右。

在安裝空間方面，直線發(fā)電機(jī)線圈（LG系統(tǒng)）就位于懸浮磁鐵表面。同時(shí)，還可以在車體轉(zhuǎn)向架下方，軌道梁兩側(cè)德國(guó)的TR-08磁浮列車后續(xù)車型就試驗(yàn)過(guò)采用IPT系統(tǒng)為低速段供電，代替原先的剛性接觸軌。

2.1.2 EMS低速磁浮系統(tǒng)

低速磁浮列車一般采用短定子異步直線電機(jī)，其牽引動(dòng)力側(cè)主要在車輛側(cè)，對(duì)系統(tǒng)傳輸功率要求更高。短定子的直線電機(jī)也決定低速磁浮無(wú)法使用LG型CPT裝置。同時(shí)，由于其采用常導(dǎo)吸力磁浮，一般在軌道梁兩側(cè)設(shè)置F型懸浮磁鐵，因此IPT裝置的設(shè)置位置還需要考慮電磁感應(yīng)與相鄰金屬結(jié)構(gòu)的影響。

根據(jù)相關(guān)資料，某典型的3輛編組低速EMS磁浮列車（Mc1+M+Mc2），最大功率需求約2 000 kW。

安裝方面，線圈安裝于車輛底部的梁體上時(shí)，需對(duì)軌道梁中部金屬結(jié)構(gòu)物進(jìn)行電磁屏蔽，以免產(chǎn)生過(guò)大的渦流損耗。同時(shí)還需要調(diào)整梁體上信號(hào)測(cè)速用的交叉電纜，以免產(chǎn)生電磁干擾。另一種思路是設(shè)置于軌道梁側(cè)面原用于安裝接觸軌的位置，此處遠(yuǎn)離其他設(shè)備設(shè)施，安裝條件較好。

2.1.3 有軌電車

現(xiàn)代有軌電車是一種中低運(yùn)量軌道交通系統(tǒng)， 因其地面設(shè)置的特點(diǎn)，既需要考慮供電的可靠性、安全性，也需要考慮城市的美觀化要求，比較合適采用非接觸供電系統(tǒng)。

根據(jù)相關(guān)資料，以3節(jié)編組的有軌電車為例（Mc1-T-Mc2），其最大功率為約800 kW～900 kW。

安裝方面，現(xiàn)代有軌電車軌道一般采用路面設(shè)置。因此，一般采用IPT供電裝置的有軌電車，其供電裝置的設(shè)備位置位于車輛底部，兩軌道中間的位置。這樣布置無(wú)論對(duì)空間利用還是電磁耦合方面的影響都是十分有利的。

2.2 非接觸供電技術(shù)的適用性比選

非接觸供電系統(tǒng)應(yīng)用于工程實(shí)際的核心問(wèn)題主要有3個(gè)方面：（1）電氣性能參數(shù)是否滿足要求;（2）安裝是否具備條件;（3）經(jīng)濟(jì)性是否合理。

通過(guò)上述的列表分析可以看出，空心變壓器技術(shù)在全領(lǐng)域具有更好適用性，但經(jīng)濟(jì)性較差，這主要由于其需要單獨(dú)敷設(shè)繞組，增加了投資。

3 幾種CPT系統(tǒng)的工程應(yīng)用構(gòu)想

3.1 在高速EMS磁浮中引入IPT系統(tǒng)

高速磁浮系統(tǒng)可以通過(guò)搭配IPT系統(tǒng)對(duì)LG系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)充，在低速段設(shè)置IPT繞組向車輛供電。高速磁浮本身動(dòng)照功率較低，總功率約1 000 kW。IPT逆變器和補(bǔ)償設(shè)備電源可以從中壓環(huán)網(wǎng)的軌旁牽引變電所的直流饋線引出，在磁浮列車靠近車站兩側(cè)的低速段上分段設(shè)置IPT繞組。系統(tǒng)框圖如下（圖4）：

IPT繞組的分段原則與長(zhǎng)定子繞組一致，應(yīng)按照不小于2倍的車長(zhǎng)設(shè)置。由于IPT繞組不參與牽引，其換步過(guò)程對(duì)車輛的行駛沒(méi)有體感方面的影響，因此可以采用較為經(jīng)濟(jì)合理的“跳蛙法”來(lái)節(jié)省饋線電纜數(shù)量。

3.2 有軌電車系統(tǒng)中全線采用IPT系統(tǒng)

有軌電車的牽引供電功率一般低于1 000 kW，比較適合采用IPT系統(tǒng)。全線設(shè)置IPT線圈時(shí)，由于IPT的分段繞組是不互相連接的，因此在IPT逆變器或者上級(jí)牽引所退出運(yùn)行時(shí)，由相鄰的IPT逆變器或者牽引所提供支援，這就需要在IPT逆變器上一級(jí)設(shè)置直流饋線，以防牽引所整流機(jī)組退出運(yùn)行。同時(shí)還需在兩個(gè)相鄰IPT繞組段的饋線電纜間設(shè)置聯(lián)絡(luò)開關(guān)，以防止IPT逆變器故障。系統(tǒng)框圖如圖5。

同樣的，這種IPT繞組的分段原則，應(yīng)按照不小于2倍的車長(zhǎng)設(shè)置，換步可采用較為經(jīng)濟(jì)合理的“跳蛙法”來(lái)節(jié)省饋線電纜數(shù)量。

4 結(jié)語(yǔ)

本文綜述了LG和IPT兩種非接觸移動(dòng)供電技術(shù)的性能、安裝特點(diǎn)，并重點(diǎn)論述了不同場(chǎng)景下的適用性?？梢钥吹剑琁PT模式非接觸供電具有更廣泛的適用性和相對(duì)更簡(jiǎn)單的地面繞組，是未來(lái)非常具有應(yīng)用前景的CPT技術(shù)，應(yīng)進(jìn)一步加以研究。

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