简谈城市轨道交通交流牵引供电系统及其关键技术论文
干线铁路、地铁和轻轨的牵引供电系统主要采用3种电流制：直流制、低频单相交流制和工频单相交流制。3种电流制各具特点，而其相对优越性往往又随着电工基本技术的发展而有所改变。发展到今天，除了低频单相交流制仅仅应用于德国及周边个别国家干线铁路外，世界各国广泛使用直流制和工频单相交流制，并且直流制主要用于城市地铁和轻轨，工频单相交流制主要用于干线铁路，综合自动化程度也越来越高。
以地铁和轻轨为主要代表的城市轨道交通具有行车密度大、启停频繁等突出特点，其牵引供电系统采用直流制的主要优点是接触网无分相、列车运行顺畅，缺点是存在迷流（杂散电流）并产生长期不良影响。迷流的防护措施复杂，代价大，效果有限，可谓防不胜防。
除了欧洲和苏联部分干线铁路保有直流制外，20世纪60年代后新建的干线铁路，特别是高速、重载铁路，无一例外都采用工频单相交流制，优点是供电能力强，建设费用低，能满足大运量需求，不存在直流制那样的迷流，再生制动电能可以得到直接、高效利用；缺点是为减小负序影响须换相接入公用电网而产生分相，对列车供电造成断点，故随着列车提速，往往需要采取专门的自动过分相措施，另一个缺点是牵引负荷的谐波电流会在邻近通信线中产生电磁干扰，但随着通信的光缆化，干扰防护已不成问题。
1电缆牵引网
本文提出用于城市轨道交通的一种工频单相交流牵引供电系统，它由主变电所（MSS）和电缆牵引网（CTN）组成。电缆牵引网包括双芯电缆（DCC）、牵引变压器（TT）和接触网（OCS）、钢轨（R）等。
双芯电缆由供电芯线（FC）、回流芯线（RC）、保护层（PL）等组成，也可以用同轴电缆（CC）；牵引变压器为单相接线；双芯电缆和接触网平行架设；牵引变压器原边绕组并接于双芯电缆的供电芯线和回流芯线之间，牵引变压器次边绕组并接于接触网和钢轨之间，牵引变压器按一定间隔沿双芯电缆和接触网分布；通过相邻的牵引变压器把双芯电缆的供电芯线与接触网并联，把回流芯线与钢轨并联；列车在接触网与钢轨之间受电。
2牵引网分段供电、状态辨识与保护
如上所述，电缆牵引网具有输电能力强、输电距离长的特点，但结构复杂，特别是上、下行牵引网及备用电缆并联运行时的结构更为复杂，为避免一处发生故障导致系统故障从而降低系统可靠性和可用度，联系到高速铁路的全并联AT供电系统分段供电与测控方法的分析和试验研究成果，分段供电对及时切除故障，限制故障在最小范围进而把故障影响降低到最低程度是非常有效的。
电缆和接触网可分别分段，亦可集中于一处分段，为方便起见，集中分段宜设在牵引变压器处并设置为牵引变电所（SS，简称牵引所）。牵引所i包括35kV电缆进线与主结线、牵引变压器、牵引母线、馈线、馈线断路器Ki、分馈线及其断路器等，牵引所i出口应就近设置接触网分段器Si，Si串接在接触网中，能使列车不间断带电通过。因此，牵引所i还包括与Si并联的分馈线断路器Ki1、Ki2及其电流互感器（测量电流分别记为Ii1和Ii2），以及连接于Si处的电压互感器（测量接触网电压记为Ui）。
3主变电所供电方案
主变电所的供电方案取决于所供电的地铁、轻轨线路的数目及其相对位置。
3。11条线路情形
如果仅给一条线路供电，主变电所尽可能选址于靠近线路中间的位置，向这条线路双侧的牵引网供电，主变电所供电方案如图5所示。受条件所限时，主变电所可能设置于线路一端，即采用单侧供电，见图1。其中主变电所采用单相主牵引变压器（MTT）和负序补偿装置（NCD）组合供电，对负序进行集中治理，如图6所示，还包括用于动力、照明供电的电力变压器等（图中未画出，下同）。负序补偿装置由高压匹配变压器（HMT）、交直交变流器（ADA）、牵引匹配变压器（TMT）等构成。向双侧供电可以比单侧供电延长1倍供电长度，而供电长度相同时，向双侧供电更节约电缆材料，其牵引网的电能损失也更低。
需要说明的是，这里的负序补偿广义上应为对称补偿。依文献所述，对称补偿是包括负序补偿和无功补偿的三相—单相对称变换，由于所使用的交直交列车的功率因数接近1，无功补偿的目标已经达到，负序补偿成为主体，故称负序补偿。从构成和原理上讲，这里的负序补偿装置与干线铁路的同相补偿装置是一样的，主要靠传递有功功率来补偿负序，如果需要的话，其装置端口可同样具有补偿无功、滤除谐波的功能。
3。22条线路情形
如果一个主变电所供两条线路的牵引用电，由于每条线路相互独立，所用列车互不交叉，为了降低负序影响，可以像干线铁路那样采用三相—两相平衡接线牵引变压器。但考虑到可扩展性和负序的动态补偿，在图6基础上进行组合最为方便，为了降低负序影响和减少负序补偿装置容量及成本，选择两条线路由3相中的2相供电。
图8中，主牵引变压器MTTAB原边接入公用电网A相与B相，即取线电压UAB，次边馈线Fab给一条线路供电；主牵引变压器MTTBC原边接入公用电网B相与C相，即取线电压UBC，次边馈线Fbc给另一条线路供电；用YNd11三相高压匹配变压器HMT连接两套负序补偿装置，其中负序补偿装置ADAa与主牵引变压器MTTBC、馈线Fbc为一组，负序补偿装置ADAc与主牵引变压器MTTAB、馈线Fab为另一组。
3。33条线路情形
为了最大限度降低负序影响，减少负序补偿装置容量和成本，显然3条线路应由3个不同的线电压分别供电。图9中，主牵引变压器MTTAB原边接入电网A相与B相，次边馈线Fab供出第1条线路，主牵引变压器MTTBC原边接入电网B相与C相，次边馈线Fbc供出第2条线路，主牵引变压器MTTCA原边接入电网C相与A相，次边馈线Fca供出第3条线路，用YNd11三相高压匹配变压器HMT连接3套负序补偿装置，其中负序补偿装置ADAa与MTTBC、Fab为第1组，负序补偿装置ADAb与MTTCA、Fca为第2组，负序补偿装置ADAc与MTTAB、Fab为第3组。
4系统的经济性、可靠性
本文提出的交流牵引供电系统（简称交流系统）的可靠性、经济性及技术性能的优劣可以与现行的直流牵引供电系统（简称直流系统）比较得到。
（1）经济性
直流系统中牵引供电与动力照明合用35kV电缆，交流系统中分开使用电缆，不会增加太多费用；交流系统可以省去地铁沿线的迷流防护装置和各个牵引所的整流机组及直流开关，省去昂贵的储能装置或再生电能反馈装置，使地铁的'地下设备得以简化，占地减少；交、直两个系统的综合自动化装置规模与费用相当；交流系统要增加主变电所的负序补偿装置，使用的交直交列车成本高于现行直交列车。总之，交流系统一次性成本可能接近直流系统，而交流系统的主变电所安装容量大大低于各个牵引所容量总和，可以节约电力资源和基本电费，同时再生电能可以得到直接、高效利用，进一步节约电度电费，这都有利于经济运行并符合节能减排基本国策。
（2）可靠性
交流系统省去了直流系统各个牵引所的整流机组，减少了串联元件，有利于提高系统可靠性；交流断路器（开关）比直流断路器便宜、可靠、耐用；分段供电与状态辨识及保护技术适用于任意复杂的供电系统，对提高系统可靠性作用显著。负序补偿装置也有合理的备用，其自身可靠性接近主变电所的主牵引变压器，即使负序补偿装置全部短时退出，牵引变压器仍可利用其过负荷能力正常工作，不影响正常供电。总之，交流系统可靠性更高。
（3）适用性
建立在分段供电、状态辨识与保护技术之上的综合自动化系统能更方便地改变牵引供电系统的运行方式，日常维护、维修更灵活、方便。
采用交流系统供电的城市轨道交通，由于两条及以上线路可以共用一座主变电所，因此一条线路最多只设一座主变电所，采用集中式供电，与电网的接口大大减少，便于日常管理。
5结束语
本文提出并讨论的交流牵引供电系统有以下突出特点：
（1）采用交流制可以避免直流制的迷流；
（2）采用工频交流制直接接入公用电网可以获得经济、可靠、强大的电源；
（3）采用电缆可以满足长距离、大容量、无分相供电的要求；
（4）采用交直交传动和交流牵引电机驱动的列车可以实现更好的牵引性能和再生电能直接利用。这些特点夯实了本系统在地铁、轻轨等城市轨道交通中的应用基础。
文章分析了该系统方案的一些关键技术，其主要工作与结论有：
（1）阐述了电缆牵引网的构成、原理、等效电路和输电能力，35kV电缆与接触网的匹配技术，接触网电压等级选择等。电缆牵引网可以满足任意一条地铁、轻轨线路供电容量和供电距离的需求。
（2）讨论了牵引网分段供电技术，重点分析了接触网的分段以及状态辨识与保护方法。牵引网分段供电技术可以灵活改变、调度牵引网运行与维修方式，及时发现并切除故障，把故障及其影响限制在最小范围，大大提高系统可靠性。
（3）除了1条线路供电方案外，还给出了包括2条及以上线路共用1座主变电所的供电方案和负序补偿装置最小容量计算方法，使主变电所供电方案达到最优化。
总之，该系统技术性能优良，经济性好，可靠性高，为地铁、轻轨为代表的城市轨道交通提供了新的、更好的选择，值得展开更加深入、细致的研究。
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