城市軌道交通牽引供電及電力技術(shù)分析

城市軌道交通牽引供電及電力技術(shù)分析

摘要：城市軌道交通能夠更好地緩解城市的交通壓力，受到了更多的關(guān)注，對城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)及相關(guān)技術(shù)進(jìn)行探究也更加重要?；诖?，闡述城市軌道牽引直流供電系統(tǒng)和城市軌道牽引交流供電系統(tǒng)，分析基于接觸網(wǎng)、第三軌的供電網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和直流、交流供電系統(tǒng)建設(shè)時的電力系統(tǒng)保護(hù)技術(shù)，具有現(xiàn)實的意義。關(guān)鍵詞：城市軌道交通；牽引供電系統(tǒng)；電力技術(shù)引言城市軌道交通是一種較為新型的交通工具，目前已經(jīng)被我國的多個城市所使用，成為了我國城市交通網(wǎng)絡(luò)中的重要組成部分，有效緩解了城市的交通壓力。城市軌道交通與公交車、汽車等交通方式不同，有著明顯的低污染、低噪音特點。由于其自身的優(yōu)勢，城市軌道交通受到了更多人的關(guān)注，對城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)及相關(guān)技術(shù)進(jìn)行探究也更加重要。1城市軌道交通供電系統(tǒng)組成城市軌道交通作為城市電網(wǎng)的重要用戶，一般直接從城市電網(wǎng)獲取電能，供電系統(tǒng)主要由電源系統(tǒng)、牽引供電系統(tǒng)和動力照明系統(tǒng)組成。其中外部電源可以看作是城市軌道交通供電系統(tǒng)與城市電網(wǎng)的接口，將電能從城市電網(wǎng)引入供電系統(tǒng)；牽引供電系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)向全線運行的車輛提供電能，通常包括牽引變電所和牽引網(wǎng)兩大部分；動力照明系統(tǒng)為除城市軌道交通車輛以外的其他所有地鐵用電負(fù)荷提供電能，其中包括通信、信號、事故照明等許多一級負(fù)荷，如圖1所示。圖1城市軌道交通供電系統(tǒng)2城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)2.1直流制牽引供電系統(tǒng)城市軌道交通直流供電系統(tǒng)有主變電所、牽引變電所、降壓變電所、饋電線、接觸網(wǎng)/軌、走行軌、回流線、雜散電流防護(hù)系統(tǒng)等部分組成。其中主變電所把城市110kV電源引入的三相高壓交流電降壓配送給軌道交通沿線的牽引變電所和降壓變電所。牽引變電所是將交流電經(jīng)降壓整流成750V/1500V直流電，直流饋電線是將牽引變電所的直流電輸送到接觸網(wǎng)/接觸軌上，接觸網(wǎng)/接觸軌是沿電動列車行駛軌跡路線架設(shè)線路，電動列車通過受電器與接觸網(wǎng)/軌的直接接觸獲得電能，走行軌是作為牽引供電回路的一部分和回流線一起將軌道回流引向牽引變電所。就我國城市軌道交通目前階段的牽引供電方式來說，大部分城市主流采取的是1500V直流電的供電方式。這種供電方式能提供穩(wěn)定的牽引電壓和電流，從而保障了人們?nèi)粘３鲂械姆€(wěn)定和不受影響。而雙軌道交通牽引作為一種對用電需求更高的城市軌道交通方式，需要在實際的運行過程中采取兩邊都供電的模式，這一模式的采用是為了防止當(dāng)一邊供電系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，另一邊的供電系統(tǒng)能夠接替進(jìn)行工作，從而保障城市軌道交通正常運行，不會造成城市交通停運。此外，還會輔助以直流牽引供電網(wǎng)的保護(hù)，借助雜散電流的保護(hù)方法，將使用的電壓、電流等均勻地分配到每一個運輸網(wǎng)絡(luò)，從而保證每一個用電器都能夠保持正常的工作，而且對于長距離的運輸線路來說，也具有一定的保障作用，不會由于線路過長而出現(xiàn)故障。因此，直流制牽引供電系統(tǒng)在目前的城市軌道交通工程中成為了主流的牽引供電系統(tǒng)。2.2交流制牽引供電系統(tǒng)城市軌道交流供電系統(tǒng)也是由主變電所、降壓變電所、饋電線、接觸網(wǎng)、走行軌、回流線等組成。根據(jù)牽引供電電流制，目前的交流供電模式主要有低頻單相交流制、三相交流制、工頻單相交流制，下面我們重點討論工頻單相交流制供電系統(tǒng)。工頻單相交流制是目前電氣化鐵道發(fā)展中的一項先進(jìn)供電制，采用工頻單相交流電向電力機(jī)車供電，它的主要優(yōu)點有：（1）供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單。牽引變電所從電力系統(tǒng)獲得電能，經(jīng)過電壓變換后直接供給牽引網(wǎng)，減少了整流機(jī)組；（2）供電電壓增高，既可保證大功率機(jī)車的供電，提高機(jī)車牽引定數(shù)和運行速度，又可使變電所之間的距離延長，導(dǎo)線面積減小，建設(shè)投資和運營費用顯著降低；（3）交流電力機(jī)車的粘著性和牽引性能良好，牽引電動機(jī)可在全并聯(lián)狀態(tài)下運行，防止輪對空轉(zhuǎn)的惡性發(fā)展，從而提高了運用粘著系數(shù)；（4）和直流制比，減小了雜散電流對地下金屬的腐蝕作用，一般可不設(shè)專門的雜散電流防護(hù)裝置。工頻單相交流牽引制的主要缺點一方面是為減小負(fù)序影響需采用分相供電的方式，會出現(xiàn)機(jī)車供電斷點，另一方面是對鄰近通信線路的干擾。對于第一點可采用這需采用自動過分相措施或增加負(fù)序補(bǔ)償裝置，另一個干擾問題已隨著通信的光纜化也不成問題了。通過以上對比分析我們可以得出交流工頻單相牽引供電系統(tǒng)比直流牽引供電系統(tǒng)在供電能力、建設(shè)成本、運營安全以及電能質(zhì)量上都占有很大優(yōu)勢。目前溫州城市軌道交通S1線采用的就是27.5kv交流制牽引供電方式。3城市軌道交通牽引供電的電力技術(shù)3.1柔性接觸網(wǎng)柔性接觸網(wǎng)是城市軌道交通供電系統(tǒng)布置中最常見的方式之一，布置方式有鏈形懸掛和簡單懸掛等。其中簡單懸掛方式具有較強(qiáng)的便捷性，因為在處理過程中無需布置承力線，只需布置導(dǎo)線即可，結(jié)構(gòu)簡單，支柱高度低，通常適用于輕軌和無軌電車供電系統(tǒng)建設(shè)中。雖然簡單懸掛方式具有上述優(yōu)勢，但也有明顯的缺陷，它的跨度非常小，存在懸掛硬點，容易終導(dǎo)致上下振蕩問題產(chǎn)生。鏈形懸掛利用懸索完成連接，確保承力線與導(dǎo)線之間有效銜接，跨度大，速度高，規(guī)避簡單懸掛的缺陷與不足，該方式不僅適用于電氣化鐵路，而且也比較適用于城市內(nèi)速度快的地鐵系統(tǒng)運行中。3.2剛性接觸網(wǎng)在我國城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)運行中對剛性接觸網(wǎng)的應(yīng)用成效更加顯著。剛性接觸網(wǎng)通過對硬質(zhì)金屬條的應(yīng)用，取代傳統(tǒng)導(dǎo)線，確保懸掛效果。綜合實踐應(yīng)用表明，對剛性接觸網(wǎng)的應(yīng)用，優(yōu)勢明顯，增加接觸面積，解決了柔性接觸網(wǎng)中無法承力的缺陷。我國大多數(shù)城市內(nèi)部軌道交通系統(tǒng)多為從下到上，這種轉(zhuǎn)換對剛性接觸網(wǎng)的應(yīng)用，使得其應(yīng)用優(yōu)勢更加明顯，實現(xiàn)無縫對接，無需更換操作。剛性接觸網(wǎng)的結(jié)構(gòu)設(shè)置一般采用集電弓方式進(jìn)行布置，傳統(tǒng)接觸網(wǎng)應(yīng)用過程中出現(xiàn)脫落的問題被全面規(guī)避，接觸網(wǎng)的布置與應(yīng)用更加穩(wěn)定、可靠，通常比較適用于速度快的城市軌道交通系統(tǒng)。3.3第三軌第三軌主要由六種部分組成，分別是接觸軌、接觸軌頭、端部彎頭、防爬器和安裝底座。接觸軌采用鋼鋁復(fù)合軌，因為這種材料耐磨損、重量輕、導(dǎo)電率高。接觸軌頭分為溫度伸縮接頭和正常接頭兩種。溫度伸縮接頭的優(yōu)勢使其能根據(jù)接觸軌道溫度變化而變化。正常接頭是在導(dǎo)電軌固定鋁制魚尾板，無縫安裝，不預(yù)留溫度伸縮縫，支持點與接頭的距離范圍在550mm之內(nèi)。集電靴與斷軌處對接時要順利通過，必須依靠端部彎頭實現(xiàn)。防爬器的作用是限制接觸軌自由伸縮的膨脹伸縮量。安裝底座地材料要使用絕緣體，安裝部位主要是輕枕和軌道整體道床上。4城市軌道軌道交通供電系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)的探討4.1供電系統(tǒng)中諧波分析及治理在城市軌道交通供電系統(tǒng)中由于存在非線性負(fù)荷，如牽引整流機(jī)組、熒光燈和UPS電源等，會產(chǎn)生大量的諧波，降低電能質(zhì)量。供電網(wǎng)絡(luò)中的諧波不僅會對供電線路產(chǎn)生附加損耗，影響系統(tǒng)中電氣設(shè)備的正常運行，還會對通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。在直流制牽引供電系統(tǒng)中，整流機(jī)組是產(chǎn)生諧波的主要原因。限制諧波的方法有增加整流裝置的脈波數(shù)，加裝無源或有源濾波器等措施。4.2供電系統(tǒng)中無功功率補(bǔ)償城市軌道交通中的動力照明系統(tǒng)中包含了大量的低壓用電設(shè)備，功率因數(shù)較低。系統(tǒng)中功率因素過低，會使供電線路中損耗增加，導(dǎo)致變送配電設(shè)備發(fā)熱嚴(yán)重；還會增加供電線路的無功電壓降，導(dǎo)致線路末端端電壓過低，甚至?xí)?dǎo)致電壓和電流相位差變大，產(chǎn)生較為嚴(yán)重的諧波分量。因此應(yīng)該進(jìn)行無功功率補(bǔ)償來提高系統(tǒng)的功率因數(shù)。4.3迷流腐蝕及防護(hù)直流制牽引供電系統(tǒng)中，利用走行軌作為電流的回流線，但由于鋼軌對地不是完全絕緣，會導(dǎo)致部分電流雜散流入道床，并經(jīng)由鋼筋、水管等金屬導(dǎo)線流回牽引變電所，從而形成迷流。迷流會對軌道交通中的金屬產(chǎn)生電解腐蝕，導(dǎo)致走行軌以及地下金屬設(shè)備受到嚴(yán)重?fù)p壞。對迷流的處理方法主要是防治和監(jiān)測相結(jié)合。防治主要是減少雜散電流值，常用的方法有加強(qiáng)走行軌對地絕緣，在沿線設(shè)置合理的迷流收集網(wǎng)和排流柜等排流裝置，以便將迷流引回牽引變電所負(fù)極。檢測是指通過專用檢測系統(tǒng)檢測軌地阻抗和運輸結(jié)構(gòu)的腐蝕電位，為迷流腐蝕防護(hù)提供精確地數(shù)據(jù)，指導(dǎo)軌道的養(yǎng)護(hù)和保養(yǎng)等工作。5結(jié)束語綜上所述，城市軌道交通系統(tǒng)里的地鐵和輕軌不僅方便了人們的出行，還提高了人們的生活質(zhì)量和水平，作為每一條交通線路必不可少的牽引供電系統(tǒng)，牽引供電及電力技術(shù)成了目前城市軌道交通的重點研究項目，牽引供電系統(tǒng)的不斷進(jìn)步與發(fā)展，不僅節(jié)省了城市軌道建設(shè)的成本，還為城市軌道交通的平穩(wěn)運行提供安全保證。