新技术在城市轨道交通牵引设备的应用和发展趋势

摘 要：当下我国各个领域的发展都有了质的飞跃，这一影响让人们的生活质量在不同方面都发生了改变。在这一背景下，交通行业也算有了一番崭新的变化。城市轨道交通作为交通行业不可或缺的一部分，在近年来为群众带来了很大的帮助。所以针对城市轨道交通牵引供电技术，其作为城市轨道交通系统中的核心，也能在很大程度上促进城市轨道交通的进一步发展。由此，本文将对新技术在城市轨道交通牵引设备的应用和发展趋势进行研究，希望可以为我国的交通行业提供帮助。

关键词：城市轨道 新技术 牵引设备 发展趋势

Abstract：At present， the development of various fields in China has made a qualitative leap， and this impact has changed people's quality of life in different aspects. In this context， the transportation industry has also undergone some new changes. As an indispensable part of the transportation industry， urban rail transit has brought great help to the masses in recent years. Therefore， for the urban rail transit traction power supply technology， as the core of the urban rail transit system， it can also greatly promote the further development of urban rail transit. Therefore， this paper will study the application and development trend of new technologies in urban rail transit traction equipment， hoping to provide help for the transportation industry.

Key words：urban rail， new technology， traction equipment， development trend

1 引言

當下城市人口数量逐年递增，城市交通问题愈加明显。我国开始希望通过新的牵引供电技术来提高我国城市交通的发展。城市轨道交通的主要特点体现在污染更少、速度更快以及减少城市交通拥堵等方面。值得注意的是，虽然我国交通系统发展前景较为广阔，并且技术手段越来越完善，但随之而来的一些问题也愈加明显。因此，还需要结合实际情况，加大技术手段的创新力度，并对城市轨道交通中一些关键技术保持高度重视，特别是牵引供电系统，更要特别注重优化与创新，这样不仅有利于最大程度发挥电力技术的应用功能，更能真正实现城市轨道交通的有序健康高质量发展目的。

2 新技术的应用背景及发展现状

新技术的应用背景及现状，与其他轨道交通相比，城市轨道交通是一种节能环保的交通方式，但随着其规模的不断扩张，它自身的能源消耗已经成为制约其进一步发展的瓶颈。北京在2008年用掉了6.5亿千瓦时的电力，相当于整个社会的1%，相当于所有工业部门的能源消耗。

中国城市轨道交通在近几年内的营运里程不断增多，营运压力日益增大，因此，如何提升营运效能，不仅要靠组织与管理，更要运用新科技。我们先来看一看储能技术的发展，目前最常用的是机械储能、电化学储能、电动储能、飞轮储能、超级电容储能、电力储能。

2.1 储能技术的发展和现状

根据目前的储能技术发展趋势，未来在轨道交通中，最有前途的就是锂离子电池和超级电容。超级电容器的能量密度虽然没有高速飞轮那么高，但是其功率密度却是普通的铅酸电池的数百倍，寿命长，环境适应性强，充放电效率高，功率密度高能量密度高，这就是超级电容器的四个显著特征。但自1997年以后，超级电容就出现了技术上的瓶颈。储能技术的发展主要体现在四个方面：提高了能量密度，提高了功率密度，降低了成本，提高了使用寿命，使其更广泛地应用于了轨道交通。

看信息技术对轨道交通的影响，以太网在地面上的应用越来越多，但是在汽车上，因为对可靠性的要求很高，所以大部分的车辆都是采用 TCN技术，而现在， TCP/IP的以太网已经成为了一个标准的开放式通讯网络，可以让不同的厂商之间的设备进行连接;第二，成本低廉，容易建立，而且以太网的数据传送能力也很强。

储能技术是智能电网的核心技术，可再生能源的大量应用，特别是风能、太阳能光电等，其随机性、间歇性、波动性等特点，将会严重影响电网的调峰、运行控制以及供电质量。能量储存技术可以有效地改善电网接收洁净能源的能力，同时也可以有效地解决由于大量的清洁能源涌入造成的电网安全性和稳定性问题。

运用能量存储技术，可以使企业的能量管理达到最优，从而达到节能的目的。储能技术的发展是保障大规模清洁能源、保障电网安全和经济运行的关键。由于能量存储技术可以在电网中增加存储链，使得“刚性”的实时电力系统更加“柔性”，特别是可以有效地降低因大规模洁净能源接入电网造成的波动性，提高电网运行的安全性、经济性和灵活性。储能技术一般可分为热存储和电能存储两大类，而在世界各地，主要集中在电能的存储上。

2.2 以太网技术的发展和现状

工业以太网在实时性、稳定性、通信带宽等方面得到了越来越多的应用。目前，系统已经在 PIS、信号、网络等领域得到了广泛地应用，并且有逐渐走向多网融合的趋势。工业以太网在轨道交通中的应用，能有效地促进各个系统之间的信息交换，同时也能建立起一个大型的实时数据库，为运营和维护提供有力的支持，提高运营效率。

2.3 无线通信技术的发展和现状

与此同时，我们也看到了无线技术的发展，4G，联通，正在逐渐实现4G、4G的商业化。随着3G、4G无线技术的不断发展，车载无线技术也逐步应用于车辆，通过无线技术可以即时了解车辆的状态，并能在最短的时间内解决车辆故障。

3 轨道交通牵引技术的发展与应用

为使现代铁路车辆的牵引控制现代化，必须引进系统运行的牵引控制。在目前的发展过程中，列车上的电子控制技术已经被淘汰，被电脑控制的电力牵引所取代，它可以由电脑进行自动检测，实现自动控制。此外，该系统还具备智能信号处理和输出信号的功能，通过数据的传递实现对列车的控制，在轨道交通领域有着很高的实用价值。

3.1 牵引驱动技术的发展

目前，我国城市轨道交通的主要能源形式是以电能为主，在动力传输方面，针对城市轨道交通的牵引模式，按其电流特性将其划分为直流驱动和交流驱动两种，其工作原理是将电力输入到电力引擎，并由引擎来实现对汽车的牵引。其中，直流牵引电机的结构比较复杂，通常采用半控式可控硅来实现对直流的斩波，实现了斩波和相控电压的融合。随着技术的进步，交流驱动被广泛地用于铁路车辆的牵引，而变频调速的电压逆变器的出现，使交流驱动成为了主要的牵引技术，上世纪90年代，欧洲一些国家停止了生产，从此销声匿迹。

3.2 应用牵引技术

目前，交流驱动是最主流的机车牵引技术，利用牵引变换器对轨道交通进行控制。为了達到牵引变电流的目的，必须在机车的设计中采用变频调速装置，以解决电压等级的不足。比如德国，日本，曾经使用过1200 V、1700 V的三电平，后来又增加了电压模块，使其输出波形更为稳定。同时，为了控制车辆的行驶速度和停车模式，必须将车速传感器和全电刹车结合起来，以确保电力牵引的灵活性和可靠性。

4 供电系统在城市轨道交通牵引的使用方式

目前，我国城市轨道交通的牵引设备主要采用交流电牵引和直流式直流牵引两种形式。在我国科技飞速发展的今天，要实现我国交通运输业的可持续发展，最好的办法就是将这两种技术结合起来，这样才能发挥出更大的作用，从而提高工作效率。比如地铁、轻轨、智能轨道等。保证有充足的供电。另外，为了更好地解决城市轨道交通的安全问题，为市民的出行提供有效的保障，我们必须对城市交通的牵引供电系统和电力技术进行深入的研究，以便为今后的发展打下坚实的基础。

4.1 直流制牵引供电系统

从我国现有的铁路牵引条件来看，由于直流牵引多采用双向电力，所以采用直流电力作为牵引电源的方法并不多见。这种方法可以在一条电力线发生故障时，由另外一条电力线提供电力，以满足电力供应和城市轨道交通的需要。在建设的过程中，采用了杂散的电流保护技术，将电力输送到不同的供电网络，并进行远程传输。然而，由于牵引式直流电力系统在实际应用中仍然受限于其本身的供电方式，导致了电力传输距离的缩短，电力传输的效率降低，因而不适合于城市轨道交通的牵引供电系统。

4.2 交流制牵引供电系统

与直流制供电牵引系统相比，交流制牵引供电系统的使用更为广泛，追溯其根源，其不仅更加安全稳定，而且也有利于系统的持续、正常运行。针对电网接入段的高压端口来讲，其主要作用是为了实现提升用电工作的安全稳定性。值得注意的是，因为交流制牵引供电系统中含有自动降压功能，所以降压系统是必不可少的，要以各区域供电需求为基础，对整个供电系统进行科学合理地设置，这样才有利于供电系统的安全、稳定运行。除此之外，针对交流制牵引供电系统所需设备来讲，也要求相关设备具备明显的耐磨损性，这样不仅能为牵引供电系统安全稳定运行提供更加可靠的保障，而且也能在很大程度上增加供电系统的使用时间。

4.3 供电系统设备新应用

无论是采用直流制还是交流制牵引供电系统，这都不是未来的主要发展趋势，随着科技的不断进步，供电系统也需要与时俱进走向智能化监控设备，无人值守，自动故障检测等途径，在供电设备中大量地加入这些高科技设备，不仅能极大地提升设备的智能化、稳定性。同时能够很好地匹配全自动无人驾驶的轨道交通线路，全面提升自动化程度。

5 现代列车牵引传动系统控制特点

电力机车牵引电驱动系统的主要工作是利用机电能实现对速度、位置和转矩的控制。其实质是电动机及换流器的性能。现代的铁路运输系统是以直-交的方式进行的。牵引设备包括：主变压器、牵引变流器、牵引电动机以及相应的控制装置。牵引电路主要由网侧电路、四象限整流电路、三相逆变器电路等组成。牵引是由牵引轮和轨道的粘附力决定的。轮子重量、轮轨材料的弹性以及轮子受力是三个因素。

列车由基本的动力单元组成，能够根据不同的交通需要，灵活地组合成不同的编组。根据机车动力的需要和使用情况，可采用动力集中式机车或固定重联机车、分散式或城市轨道、重载组合型等多种动力装置。本文从模块化、平台化、结构化的角度出发，将列车的控制系统分为三个层面，分别是列车控制、车辆控制、驱动控制。牵引控制系统的列车控制机，负责列车的上层控制、状态监测和故障诊断，主要功能有：运行端的选择和确定逻辑、运行方向和左右方向、牵引和刹车命令、牵引和制动力控制、牵引与制动力协同、列车级故障诊断和安全导向、辅助系统控制和记录、辅助系统的控制和记录、信息交流、车辆级控制、状态监测和故障诊断等。

现代列车的控制与诊断系统均以车载网络为基础。其主要的功能包括：实时、确定性、可靠性、安全性（包含安全性和信息安全性），其应用特点包括：对列车进行动态解编、监控数据、消息数据、流数据等。

将故障诊断与网络、传感器技术相结合，实现了列车级诊断—汽车级诊断—设备分级诊断的集成系统，并将其应用于车地一体化的远程集成系统中。

6 新技术在城市轨道交通牵引设备的应用

6.1 柔性接触网

新技术在城市轨道交通牵引设备的应用中，柔性接触网是应用最为广泛的一种技术手段，因为柔性接触网的布置方式以简单悬挂或者链形悬挂为主。简单悬挂与链形悬挂相对比来讲，更加适宜应用在轻轨与无轨电车供电系统建设中。针对简单悬挂方式的缺点来讲，受到其跨度小的影响，再加上其存在悬挂硬点，从而不可避免地会增加出现上下震荡问题的概率。而针对链形悬挂方式来讲，主要是通过悬索进行连接，在连接的过程中，势必要做到承力线和导线连接的合理性，在链形悬挂方式跨度大、速度快的影响下，其并不会出现简单悬挂方式所存在的问题。除此之外，链形悬挂方式无论是在电气化铁路，还是在地铁系统运行中，都有着良好的应用效果，并且也能为整个牵引供电系统的供电功能提供保障。

6.2 刚性接触网

在城市轨道交通牵引设备中使用刚性接触网，能使得牵引供电系统应用效果更为明显。其是将传统的导线换为一种特定硬度的金属导线，以此来提升悬挂效果。经实践表明，刚性接触网不仅应用优势更加显著，而且通过接触面积的扩大，也能有效改善或者解决传统城市轨道交通牵引供电系统中存在的缺陷。众所周知，大部分城市内部轨道交通系统普遍是由下至上，这种转换方式能最大程度彰显出刚性接触网的應用优势，做到无缝衔接的同时，也并不需要对其进行更换。除此之外，通常情况下，刚性接触网结构布置方式是以集电弓方式为主，有效避免传统接触网应用阶段所存在的一些问题，其中最为有效的就是规避了脱落问题，使得接触网的实际应用更加安全可靠。

6.3 第三轨

针对第三轨来讲，其是由接触轨、防爬器、端部弯头、接触轨头等组合而成的供电网络，第三轨供电材质主要是钢或铝，钢铝的导电能力比较突出，其不仅可以降低牵引设备的电能消耗，还不用在轨道的沿线安装电缆，可以很好地控制投资成本，对于第三轨的接触轨接头来说，这是由普通接头和温度反馈下的可伸缩接头组成的。在正常接头安装的过程中，要利用铝制鱼尾板进行固定，并将支持点距离控制在0.6米以上。针对温度伸缩接头来讲，通过温度伸缩接头的合理利用，不仅能有效把控温度变化，而且也能对接触轨伸缩性进行更加合理地调控。除此之外，第三轨组成结构并不复杂，仅可利用少量资金，便能完成具体安装与维护工作，并且自然天气要素等也不会对其造成较为严重的影响，即便是在小尺寸隧道的应用中，也有较为明显的应用成效。

7 新技术在城市轨道交通牵引设备中的发展趋势

第二次工业革命和蒸汽技术的兴起，使世界上首条铁路在18世纪初期诞生。过去的两百年间，火车的牵引功率由蒸汽机、内燃机转向电动牵引，而电力牵引则由直流传动向交流驱动发展，牵引控制技术也发生了变化。

列车牵引系统是主要的车载设备。提高车载设备的功率密度（kVA/kg），降低机组质量，即降低了车辆负荷，可实现持久的节能效果。功率密度是最能体现变流器综合技术水平的指标。功率密度越高，即轻量化水平越高，节能效果越显著。目前市场上具有代表性的辅助换流器产品开发情况，不同型号或平台的辅助变流器功率密度从0.09到0.32，差异巨大。日系平台的功率密度约为0.1级别。普遍来说，诞生年代越新，功率密度越高。如西门子的新一代平台MTP_MF比旧平台HBU_MT的功率密度从0.1提高到0.14水平。Knorr的电源子公司PowerTech和SMA的辅助变流器产品功率密度已经高达0.3级别。假定既有车辆采用130kVA的东芝变流器，质量为1410kg，功率密度0.09。若功率密度提高到0.2和0.3，则将分别减重760kg和977kg。功率密度的提高、机组的轻量化，已成为城市轨道交通牵引设备主要的发展趋势。

7.1 供电设备的发展趋势

现在我国的地铁内供电基本已全部装有电源滤波器，且整流器也采用24脉波了，可以说在内部的优化已经做到非常优秀了，所以现在的供电设备开始以外部优化作为主要目标，发展创新用于供电设备的新型材料、使用更加节能的新技术，让供电设备更加可靠和稳定。同时将供电设备变得更加智能化、多元化、模块化，让其与新应用相互配合，使其在保养维护更加方便。

8 结语

随着社会的发展，时代的进步，国内各城市发展轨道交通的任务越来越重，很多城市开始加大了轨道交通线路建设，在此背景下，虽然方便了城市居民的交通出行，却给城市轨道交通的牵引带来了难题，对于一些人口数量比较大的城市而言，具备稳定性高，可靠性强，还要逐渐智能化，减少人力成本，所以，希望我国的城市轨道交通牵引设备在将来能有更好的进步，来减小城市轨道交通发展的压力。

参考文献：

[1]刘维，陈亚慧.城市轨道交通牵引供电及电力技术探究[J].中小企业管理与科技（下旬刊），2020（05）：166-167.

[2]罗樟，丁智勇，黄鑫.浅谈城市轨道交通牵引供电系统的技术发展[J].中国新技术新产品，2020（17）：60-61.

[3]廖黎明.城市轨道交通交流牵引供电系统及其关键技术[J].中国高新区，2018（06）：161-162.

[4]李志慧.城市轨道交通牵引供电系统再生能量吸收技术的发展与选择[J].城市轨道交通研究，2018，21（06）：34-36.

[5]赵麦丽.城市轨道交通直流牵引供电系统有关技术研究[J].工程建设与设计，2017（06）：103-104.

作者简介

卿嵩：（1986.02—），男，汉四川人，大学本科，工程师。研究方向：电气自动化。