城市轨道交通不同牵引供电制式的比较

范锦江 陈慧民 姜东杰

(1.同济大学电子与信息工程学院,200331,上海; 2.上海铁路局科学技术研究所,200071,上海;3.唐山轨道客车公司技术中心,064000,唐山∥第一作者,讲师)

城市轨道交通不同牵引供电制式的比较

范锦江1陈慧民2姜东杰3

(1.同济大学电子与信息工程学院,200331,上海; 2.上海铁路局科学技术研究所,200071,上海;3.唐山轨道客车公司技术中心,064000,唐山∥第一作者,讲师)

目前我国城市轨道交通牵引供电制式以DC 1 500 V上部悬挂接触网为主,有些线路采用DC 750 V三轨供电制式。随着城市轨道交通的不断发展,为节能减排提高能效,有必要提高牵引供电电压。近年来城际铁路和地铁的大力发展,使牵引供电技术和动车传动控制技术都得到了极大提高,无论是高铁或地铁动车都采用了先进的交流传动技术,不同的仅是高铁、城际铁路采用单相交流27.5 kV供电,而地铁采用的是DC 1 500 V供电。从技术上讲地铁也可采用与其上部绝缘净空尺寸相应电压等级的单相交流供电,这无疑是一种节能减排、减少地下杂散电流,又可与高铁、城际铁路线路贯通的新型模式。

轨道交通; 牵引供电制式; 直流供电; 交流供电; 同相供电

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

城市轨道交通发展迅速,已成为其所在城市的最大耗电户之一。创新发展、节能减排、降低运营成本是众多城市轨道交通运营企业可持续发展的必由途径。2013年5月深圳地铁有限公司拟将原有线路的DC 1 500 V牵引供电制式升级为DC 3 000 V牵引供电制式,预计牵引耗电可节能30%左右。

升级供电制式可减少线路上的电耗值,增大牵引所间距离,减少牵引所(站)数目。基于国内外轨道交通牵引系统与新技术的发展,研发一种安全快捷和低能耗的城市轨道牵引供电新制式十分必要。

曹建猷教授在1956年底提出充分的论据,建议采用工频单相交流制。这种制式被采用在我国第一条电气化铁路(宝鸡到凤州段)上,并一直沿用至今,而且目前仍能适合我国高速铁路及重载铁路的发展需要。

而我国第1条地铁线路(北京地铁1号线)历经多次设计,最后采用了第三轨DC 750 V供电制式。这主要是受到当时无法引进盾构先进技术和设备的限制,也有第三轨受流方式对地下隧道净空尺寸要求相对低的因素。1985年,上海轨道交通1号线供电分项专题可行性研究曾对DC 750 V和DC 1 500 V两种制式采用了计算机实时仿真计算,在国内外地铁调研基础上,提出了采用国际通用的DC 1 500 V供电和上部悬挂接触网建议。相对第三轨DC 750 V供电制式,建议制式更能节能减排、降低运营成本、保障乘客安全。目前,深圳地铁研发的DC 3 000 V制式上部悬挂接触网能进一步提升节能减排,降低运营成本。

直流供电制式优点不少,但在长期应用中也存在着几个突出的问题:

(1) 若要节能减排,需升级电压,进而增加隧道净空高度,从而增加隧道土建工程投资。

(2) 在直流牵引供电方式下,列车制动时的再生能量利用率较低。

(3) 直流电压级的提高目前仍受到牵引侧馈线高速直流开关分断能力的限制。在牵引网发生严重短路情况下,由于直流开关无法及时分断,故极易造成牵引所整流设备的损坏,从而造成区间列车停阻。前苏联曾试验过DC 6 000 V电压级的牵引,但牵引馈线开关的负荷分段能力难以在技术上解决。

(4) 直流牵引供电方式会产生地下杂散电流,进而会对隧道钢结构、地下金属管道及电缆等设施产生电腐蚀,为此需设置自动排流防护设备。

西南交通大学有关人员根据德国交流同相供电技术完成的首套同相供电装置,于2011年在成昆线眉山牵引变电所投入试运行,并通过科技部组织的专家鉴定验收。在此基础上,西南交通大学又为温州城域铁路S1线设计了同相供电技术新方案。在此基础上,本文提出一种城市轨道交通单相组合式同相供电的新制式。并对这种新制式与既有的DC 1 500 V牵引供电制式进行技术上和经济上的比较。

1 单相组合式同相牵引供电制式

目前,国外城市轨道交通牵引供电基本采用直流牵引供电制式,随着技术的发展,轨道交通上行驶的电力机车或动车组已实现了交直交传动方式。目前,我国大中城市轨道交通均采用处于直流牵引供电制式下的交流传动方式。新一代城市轨道交通拟采用单相组合式同相牵引供电系统(见图1)。

图1中,牵引变电所(SS)由单相牵引变压器和同相补偿装置组成;牵引网由上部悬挂和单向轨道组成,由分区开关(SP)来实现贯通式同相供电。牵引变电所单相组合式同相供电的原理图见图2。

牵引变电所内主要供电设备包括TT和CPD;CPD由HMT、L、ADA和TMT构成。TT和CPD均为单相结构。HMT原边绕组的一端T0与TT原边绕组中点相接。TT原边绕组连接电力系统高压进线的某一线电压,图2中即为BC线电压(次边为bc线电压),连接在B、C两相之间。HMT原边绕组的另一端T1连接A相(次边为a相)。HMT次边绕组经过L连接ADA入端。ADA出端连接TMT原边,产生与TT相同相位和频率的电压。TT次边绕组和TMT次边绕组的电压幅值和相位相同,均接于牵引母线。相关的动车牵引系统主电路原理图如图3所示。

图1 单向组合式同相供电示意图

图2 单向组合式同相供电的原理图

与直流牵引供电制式相比,单相组合式同相牵引供电制式具有如下优点:

(1) 在隧道净空高度相同的限制下,选用单相AC 2 750 V电压级可减小线路损耗,达到节流减排的目的。

(2) 牵引侧馈线开关采用的交流分断开关可提高分断能力,有利于短路过载保护。

(3) 实现城市轨道交通全线贯通式同相牵引供电可提高再生能量的利用率,改善供电质量。

(4) 采用交流牵引供电时,地下杂散电流的电腐蚀可得到根本性的改善,可节省这方面的投资及维护费用。

(5) 单相组合式同相牵引供电制式为城市轨道交通与城际铁路、高铁之间直接贯通运行铺垫了基本条件。

注:4QC——四象限变流器;CSK——串联谐振电容;SPW——防空转防滑控制;MUB——过压限值器;KS——过压保护;ESE——谐波吸收器;CD——链路电容;PMW——脉宽调制器

图3 动车牵引系统主电路原理图

3 牵引网电耗等效计算值的比较

为比较2种牵引供电制式下的牵引网电耗值,可用相对等效电路(见图4及图5)按列车功率计算牵引负荷电流值。计算设定为:

图4 DC 1 500 V制式下的等效电路

图5 AC 2 750 V制式下的等效电路

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

(2) 2种制式的列车编组均为4 M(动车)+2T(拖车),每节动车上每台牵引电机功率Pm=180 kW。

(3) 动车上的脉宽调制器、逆变器和牵引变压器的功耗系数均为5%。

(4) 2种制式的列车运行在站1和站2同一区间牵引网线路上。DC制式下其直流单位电阻R=0.323 Ω/km,AC制式下其交流阻抗单位Z=0.565 Ω/km。

分别计算2种制式下列车按额定电功率运行至同一区段中点(站距为2 km)时的牵引网电流和线路电耗值。

根据图4,DC制式下的牵引电流IDC=PDC/VDC=2 016 A,IDC1=IDC2=IDC/2=1 008 A ,线路单位电能损耗Pr=2×(IDC/2)2×R=656.4 kW/km。

根据图5,AC制式下的牵引电流IAC=PAC/VAC=1 212 A,IAC1=IAC2=IAC/2=606 A;线路单位电能损耗Pz=2×(IAC/2)2× Z=415 kW/km。

由二者的电耗值即可求得其相对节电率j=(Pr-Pz)/Pr=0.367 ,即AC 2 750 V制式相对于DC 1 500 V制式的理论节电率为36.7%。

3 牵引供电制式的经济比较

设定经济比较的前提如下:

(1) 2种制式下隧道和牵引所的土建造价相同。

(2) 牵引所内电气设备仅是三相降压整流装置变为单相变压器和同相补偿装置的区别,估计二者造价相近。

(3) AC制式动车较DC制式动车造价有所增加,CRH3型高铁动车上的高压单相变压器和逆变器造价420万元,据此估算AC制式每节动车需增加造价135万元,每列4节动车增加造价540万元。

(4) 2种制式下每列列车均运行12 h计算线路电耗值,并按每kwh电价为1元计算节电回收期。

为了简单化估算节电回收期,作电流分布示意图(见图6)。

图6 I1 (n)和I2 (n)电流分布示意图

首先,将站1和站2之间的2 km区间划为8个等分段,则列车电流I1(n)+I2(n),n=0,1,2,…,8。先求出各点处的I1(n)和I2(n)值,然后,计算列车左右二侧线路上的电耗功率平均值P。最后将P归算为节省的电量值A和节电费Q。

DC制式时,PDC=424.2 kW,则ADC=14.14 kWh;AC 制式时,PAC=268.2 kW,则AAC=8.94 kWh。可得A=ADC- AAC=5.2 kWh。

可见,AC 制式时每列列车全年可节电费Q=68.33万元。AC 制式每列车(4辆动车)所增加造价的节电回收期Y≈7.9年。若计及列车再生电能利用率和变流站内主电路设备容量利用率的提高等因素,回收期还可降低。

依据上述DC 1 500 V和AC 2 750 V电路,曾用VB6语言编制计算机实时仿真程序计算,得出列车运行在站1至站2区间时的线路每秒电耗值、相对节电率j和节电回收期Y值。结果表明,与等分近似计算法的计算值大致相近[2-3]。

4 结语

实施交流牵引供制式的前题是对既有DC 1 500 V的绝缘设备进行AC绝缘电压的相关试验和论证。在既有隧道净空限制下,经初步调研分析可选用AC 2 750 V牵引供电制式。

采用交流牵引供电制式的城市轨道交通线路适宜先在中小城市郊区建造,以减少初期的土建投资。为稳妥起见,可先在郊区建设单相组合式同相牵引供电试验区段。

[1] 李群湛.论新一代牵引供电系统及其关键技术[J].西南交通大学学报,2014,49(4):559.

[2] 陈慧民.高速动车组牵引特性分析[J].城市轨道交通研究,2008,11(7):21.

[3] 范锦江.牵引变电所状态实时仿真与检测综合系统的研究[R].上海:上海铁路局,2008.

[4] 姜东杰.CRH3型动车组牵引传动系统[J].铁道机车车辆,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)