城轨车辆制造基地直流牵引供电方案研究

王 奇

0 引言

近年来国内城市轨道交通产业发展迅猛，大中城市陆续开始了轨道交通建设。为适应国内各区域城市庞大的轨道交通车辆的市场需求，国内大型机车车辆制造企业陆续在各地建设城轨车辆生产试验基地。直流牵引供电作为城轨车辆试验基地设计中的关键技术之一，担负基地内机车车辆的牵引用电需求。目前国内城轨车辆电压制式主要有DC 750 V 和DC 1 500 V 两种。

不同区域城轨车辆采用的电压制式不尽相同，同时也存在同一城市有多种电压制式的城轨车辆现象。故当前车辆生产试验基地设计中需考虑能满足不同类型车辆的试验，因此基地内直流牵引变电所需要考虑能够提供多种电压等级的直流电源。如何做到在满足基本直流电源需求的同时，还能达到投资小、运行维护便利的目的，成为城轨车辆试验基地直流供电方案设计中值得关注的内容。本文将对适用于城轨试验基地内的直流电源实现方式进行分析比选，为相关类似工程设计提供借鉴。

1 试验基地直流电源需求

试验基地为测试车辆各项参数及完成各项出厂试验的需要，通常设置动调试验线和静调试验线（设于静调厂房内），两者均需牵引变电所提供相应电压等级的直流电源。

1.1 动调试验线

轨道客车动调试验线有效长度为1.8 km，其中平直线路有效长度不小于1.2 km，整条试验线路采用同一坡度。轨道客车动调试验线同时考虑三轨及接触网供电方式。其中三轨绝缘等级按 DC 1 500 V、载流量按DC 750 V 设计考虑；接触网载流量按DC 1 500 V 设计考虑，并可试验DC 750 V 有轨电车。

此外另设置有效长度为3.5 km 的机车、轨道客车试验线，该试验线可用于27.5 kV 电力机车和DC 1 500 V 城轨客车试验，接触网电压等级按AC 27.5 kV 和DC 1 500 V 综合考虑设计，预留设置三轨条件。满足机车和轨道客车的供电需求。1.8 km试验线和3.5 km 试验线不同时试验轨道客车。

基地内为远期预留2 条2.0 km 的磁悬浮车试验线，用于DC 1 500 V 磁悬浮车辆试验。

1.2 静调厂房

试验基地内建有静调厂房，在厂房内设置静调试验线4 条，均为标准轨，其中2 条为预留。在厂房内平行于线路方向侧墙上设置滑触线，其中一侧为预留。滑触线能为三轨受流客车提供DC 750 V和DC 1 500 V 两种调试电源。每条线路上方均设置接触网，接触网绝缘等级和载流量按DC 1 500 V考虑，兼顾DC 750 V 有轨电车试验。

为提高静调试验线试验电源操作的安全性和便利性，在静调试验线的两端头位置分别设置DC 1 500 V 和DC 750 V 静调电源柜各1 台。

2 试验基地直流电源实现方式分析

2.1 几种直流电源的实现方式

牵引变电所实现动调和静调试验线不同直流电源的供给考虑通过以下4 种方式，本节分别对4种实现方式进行分析比选。

（1）方式一：主接线如图1所示。该方式分别设置DC 750 V 和DC 1 500 V 整流机组（12 脉波）各2 套，均并联运行，设置DC 750 V、DC 1 500 V 母线各一段。2 套DC 750 V 整流机组及DC 750 V 母线负责为动调试验线接触轨和接触网、静调库内滑触线、静调库DC 750 V 静调电源柜提供DC 750 V 电源。2 套DC 1 500 V 整流机组及DC 1 500 V 母线为试验线接触网和接触轨、静调库内接触网、静调库DC 1 500 V 静调电源柜提供DC 1 500 V电源。试验线接触网、接触轨以及静调库内滑触线、接触网、静调电源柜均不同时使用，即试验线和静调库内同一时刻仅有一处需送电，故每段直流母线为试验线和静调库分别设置一路直流馈线，在试验线和静调库内通过隔离开关实现送电位置的切换，试验线接触网和接触轨隔离开关以及静调库内各隔离开关间需设置电气闭锁，防止误送电。该方式共设置直流馈线4 路。

该方式优点：整流机组均为2 套12 脉波机组并联运行，构成等效24 脉波整流，减少对上级电网的谐波返送，电能质量较高。整流机组负载范围划分明确，DC 750 V 和DC 1 500 V 机组容量可根据不同车型试验容量需求设置，2 种直流电源可以同时使用，试验线和静调库可以同时工作，供电灵活性高，用电限制少。

缺点：由于设置4 套机组、2 段直流母线，直流馈线数量多，设备投资最大。当试验基地内一段时间仅使用一种直流电源时，造成2 套机组闲置，存在系统安装容量浪费的情况。

图1 方式一主接线图

（2）方式二：该方式在方式一的基础上减掉整流机组数量，主接线如图2所示，设置DC 750 V和DC 1 500 V 整流机组（12 脉波）各1 套，均独立运行。直流母线及直流馈出线设置与方式一相同。

图2 方式二主接线图

该方式优点：机组数量减少，节省一部分设备投资，同时能够满足DC 750 V 和DC 1 500 V 两种直流电源的灵活需求。

缺点：由于DC 750 V 和DC 1 500 V 两套机组均采用单台独立运行，当同一时刻仅有1 套机组投入运行时，谐波含量较方式一大，电能质量略差。同时存在当一种直流电源不使用时机组闲置，造成容量浪费的情况。

（3）方式三：主接线如图3所示。设置DC 750 V 和DC 1 500 V 整流机组各1 套，仅设置一段直流母线，2 套整流机组直流出线侧均接于该段直流母线上，共用直流母线及直流馈线，直流母线及直流馈线开关绝缘等级按DC 1 500 V 考虑。2 套整流机组同时仅能投入1 套，即此时牵引变电所仅能为试验线和静调库提供一种直流电源。共设置直流馈线2 路，试验线通过隔离开关实现接触网和接触轨的送电切换，静调库内通过隔离开关实现接触网、滑触线、静调电源柜的送电切换。

该方式优点：整流机组数量较方式一减少一半，直流馈线数量较前2 种方式减少一半，设备投资少。

缺点：DC 750 V 和DC 1 500 V 两套机组同一时刻仅能有1 套投入运行，系统为纯12 脉波机组，谐波含量较前2 种方式多，电能质量差。同时存在必有1 套整流机组闲置的情况。

图3 方式三主接线图

（4）方式四：主接线如图4所示，直流馈线侧与方式三相同，直流母线及直流馈线开关均按DC 1 500 V 绝缘等级考虑，采用通过2 套DC 750 V机组串并联的方式实现DC 750 V 和DC 1 500 V 两种电源的输出。设置DC 750 V 整流机组（12 脉波）2 套，2 套机组间通过电压转换开关（双极电动隔离开关）相联。2 套机组并联运行时输出DC 750 V电源，串联运行时输出DC 1 500 V 电源。

该方式优点：无论2 套机组并联运行输出DC 750 V 电源，或是2 套机组串联运行输出DC 1 500 V 电源，2 套机组始终投入运行，不存在机组容量闲置问题，且2 套串联或并联运行的机组相对交流中压侧始终为等效24 脉波整流，谐波含量少，电能质量高。

缺点：DC 750 V 和DC 1 500 V 两种电源不能同时使用，系统接线较前述方式略复杂。

图4 方式四主接线图

2.2 比选及建议

上述电源实现方式优缺点对比如表1所示。

表1 4 种实现方式对比表

针对城轨车辆试验基地的电源需求特点，以上方式在采用过程中应结合具体项目情况及项目投资进行选择。对于规模较小的试验基地，建议优先选择方式四，通过合理安排试验计划避免同时使用2 种电源。当基地内设置多条试验线并且不同试验线存在同时试验的情况时，即试验线同时需要DC 750 V 和DC 1 500 V 电源时，应优先选用方式一或方式二。当地方电力部门对变电所谐波要求较高时，应优先选用方式一或方式四。当试验线不同时需要2 种电源，但静调库需要2 种电源时，由于静调库用电负荷相较试验线小得多，简单采用方式一或方式二容易造成机组容量的浪费，故应考虑采用方式四和方式二结合的型式，此时方式四中2 套机组容量满足试验线大容量要求，方式二中2 套机组容量仅需满足静调库需求即可。

2.3 工程应用

根据城轨车辆试验基地直流电源需求，对于设置2 条动调试验线、1 座静调库（含4 条静调线）的试验基地，其中2 条静调试验线不同时使用2 种电源，静调库可同时使用2 种电源。综合考虑整体投资及电源使用灵活性，确定采用2 套DC 750 V机组串并联为1.8 km和3.5 km两条试验线提供DC 750 V 和DC 1 500 V 两种电源，2 套机组容量满足城轨车辆试验时最大功率，为2 条试验线分别设置一路直流馈线。为达到安全制动以及抑制试验线接触网或接触轨电压过高，在直流母线上设置再生能吸收装置。考虑到静调库静调电源容量需求不大，且受每路外部电源容量限制等因素，考虑设置DC 1 500 V 机组和DC 750 V 机组各1 套，分别独立运行，满足静调库2 种电源同时使用的条件。该基地的直流牵引供电方案如图5示意。

图5 车辆试验基地直流供电方式示意图

3 结语

针对城轨车辆试验基地的直流电源的实现方式，本文给出了4 种可行方式，在综合分析每种方式优缺点的基础上，对设置2 条试验线和1 座静调库的试验基地提出了直流电源解决方案。通过对4种直流电源实现方式的比较分析可知，在工程应用阶段，应综合考虑项目投资、试验基地的生产组织模式以及工程外部制约因素等，权衡各方条件后合理选择。此外，在确定方案时，应结合工程远期需求，为工程远期扩容改造预留好条件。

[1]于松伟，等．城市轨道交通供电系统设计原理与应用[M].成都：西南交通大学出版社，2008．

[2]王靖满，等．城市轨道交通供电系统技术[M]．上海：上海科学普及出版社，2011．

[3]刘长志．长春客车厂直流试验线牵引供电系统[J]．现代城市轨道交通．2012，（4）：4．

[4]陈贵荣．唐山中低速磁悬浮列车试验线牵引供电系统[J].机车电传动，2007，（5）：37．

[5]王国英，等．交、直流混合牵引供电系统现场应用研究[J]．铁道标准设计．2009，（6）：121．

[6]陈琳，王 黎，李宗昉，等．城市轨道交通牵引供电系统的主接线设计[J].电气化铁道．2012，（3）：45．