市域快轨双制式供电的牵引主回路及高压设备研究

欧阳瑞璟

(中车长春轨道客车股份有限公司， 长春 130062)

市域快轨双制式供电的牵引主回路及高压设备研究

欧阳瑞璟

(中车长春轨道客车股份有限公司， 长春 130062)

市域快轨双制式供电能有效连接城市轨道交通和干线铁路体系，充分发挥交、直流供电系统各自的优点，在市郊区域有较大的优势和发展前景。首先根据交、直流供电系统的特点，提出整合交、直流供电车载牵引系统方案；然后介绍主电路的配置、受电弓，以及高压检测、保护装置等器件本身针对双制式供电进行的适应性更改；其次，具体介绍牵引变流器中四象限整流器，中间直流环节，逆变器和滤波电抗器的优选方案，辅助逆变器的布置、变压器隔离的方案和变流器冷却方式的选择；最后，提出对牵引电机在冷却方式、功率、质量和外形尺寸方面的基本需求。

市域快轨； 双制式供电； 牵引主回路； 高压设备； 双制式受电弓

因为历史原因，欧洲干线铁路有4种主要的供电制式：DC 1.5 kV和3 kV，AC 15 kV和25 kV[1]。多流制的技术，首先在有泛欧洲运行需求的电力机车和电动车组上发展起来。

我国电气化干线铁路有后发优势，实现了统一的AC 25 kV供电制式，但双/多流制车辆在国内干线铁路鲜有需求。近几年，随着特大城市和卫星城、远郊县之间通勤需求的逐步增长，功能定位上衔接干线铁路和城市轨道交通(采用DC 1 500 V或DC 750 V供电)的市域铁路正在快速发展，与之相配套的适应AC 25 kV或DC 1.5 kV市域双制式的车辆有潜在的大量需求。

1 供电制式的选择

近十年来，在轨道交通领域，交流传动牵引技术占主导地位，车载牵引系统按供电制式分为交—直—交系统和直—交系统，分别在干线铁路和城市轨道交通系统中有集中应用。但是如果突破车载范畴，而从电力系统、牵引变电所和车载牵引系统综合考虑，以上两种系统的原理是完全一致的，详见图1。显而易见，接触网和受流系统将整个系统分为地面和车载两部分，通常我们关注的供电制式的选择问题，实质上就是综合技术和经济等方面因素考虑，对地面和车载分界线位置的综合比选的过程。

图1 交流、直流供电系统电气原理比较Fig.1 Comparison of electrical principle of AC and DC power supply system

经济方面，主要考虑供电系统+车辆总成本和线路土建成本。线路服务区域人口密度是影响供电制式选择经济方面的最根本因素，如图2所示，人口密度提高时，直流供电系统的总成本相对降低，交流系统相对提高，反之亦然。

图2 线路服务区域人口密度对交流、直流供电系统造价影响关系Fig.2 Influence of population density on the cost of AC and DC power supply system

技术方面，主要受直流供电系统弓网受流vmax(车辆最高运行速度)<160 km/h的限制[2]。

综上所述，在城市轨道交通(vmax<120 km/h)，直流供电有良好的经济性，占主导地位；在城际、干线铁路(vmax>160 km/h)，交流供电的技术性和经济性全面占优。而市域铁路对应的是距离中心城区50～80 km，vmax介于120 km/h～160 km/h之间，在一小时通勤圈内的市郊区域是交、直流供电过渡区。双制式市域列车可以有效衔接以上两种供电制式，从中心城区一站式直达市郊区域，在经济和技术方面有效地综合了两种供电制式的优点，有较大的优势。

2 双流制牵引系统

如何将车载交—直—交和直—交牵引系统有效地整合在一起，是双制式车辆产品化的关键因素。通常有如下3个方案[3]。

方案1：完全独立的两套系统。如果在车辆上同时安装两套完全独立的受流系统和牵引系统，分别适应交、直流供电系统，技术上是成立的，但车载系统设备利用率太低，受安装空间、质量及成本的限制，没有产业化的意义。

方案2：独立的受流系统，共用牵引系统的直—交部分。以交流受流弓+交—直—交牵引系统为基础，选择其中间直流环节的电压等级与直流供电系统接触网的电压等级相同，增加直流受流弓，将接触网直流电流引入中间直流环节，使两套牵引系统共用直—交部分，详见图3。

图3 双制式供电牵引系统(独立受电弓)Fig.3 Dual mode power supply traction system diagram (separate pantogragh)

由于欧洲不同国家对接触网供电电压、弓网配合关系和弓头限界有着相对独立的要求，单一受电弓往往很难同时满足，所以欧洲多流制机车的车顶上会分别安装交流、直流多种受电弓[4]。

方案3：共用受流系统及牵引系统直—交部分。近年来，由于满足双流制受流的受电弓的出现，使共用受流系统成为可能，如图4所示，除了切换装置、直流母线外，双制式系统和单纯交—直—交系统已经没有明显的差别，设备利用率已达到最高。

图4 双制式供电牵引系统(共用受电弓)Fig.4 Dual-mode power supply traction system diagram (shared pantogragh)

在交流系统运行速度不高，且直流系统对弓头尺寸要求不苛刻的前提下，有满足要求的受电弓产品对应方案3。双制式受电弓的应用有诸多优势：首先，可以减少受电弓的数量，有效减小了对车顶安装空间的要求；其次，在未知供电制式的情况下，可先升弓，然后再根据对网压制式的判断，选择供电回路，进而取消方案2中防止不同制式受电弓误升方面的保护；第三，因为供电系统转换车站系统复杂，经济性不好，市郊线路很少采用，更多选取在线路上特定的双制式转换区，利用车载转换开关在通过两种制式之间的无电区时进行动态切换的方式进行转换。共用受电弓，可在转换过程中不升降弓，避免高速动态升弓过程中弓网接触力过大的问题。

方案3是推荐的方案，图5是对方案3牵引系统主回路的细化。

图5 双制式供电牵引系统详细原理Fig.5 Dual-mode power supply traction system

3 高压设备

双制式牵引系统，在牵引变压器(交流回路)和变流器(直流回路)之前，有相应的高压器件。若交流供电电压高，则绝缘距离和爬电距离大，根据铁路总公司针对国内雾霾情况的特殊要求，均按满足185 kV雷电冲击来设计，外绝缘距离大于320 mm。若直流供电系统电压低，则主要考虑大电流的问题。

3.1 双流制受电弓

为了同时适应交、直流供电系统的特点，以干线铁路使用的交流受电弓为基础进行适应性修改，仍然使用交流绝缘子，满足交流系统的高绝缘；采用交流受电弓弓头外形，满足交流系统较大的网线拉出值，同时满足交、直流限界要求；弓头上安装多根浸金属滑板，同时增加各组件之间跳线的线径，以满足直流供电下较大的车辆静态和动态电流，虽然因此加大了弓头质量，使弓头随网性变差，但在最高车速不超过160 km/h时，这种改变还不足以使离线率、电弧能量等几个性能指标超出标准要求；沿用交流受电弓常采用的气囊作为升降弓驱动元件，保持较好的随网性；由电压互感器输出的供电制式信号控制气路阀板调整受电弓升弓回路气压，得到不同的弓网静态接触力。直流供电时，电网电流大，弓头质量大，随网性不好，离线率高，电弧能量高，电损耗大，适应较低速度，机械损耗相对低，电磨耗相对高，所以可适当加大静态压力，EN50338标准[5]要求其值为120 N，以减小接触电阻。交流供电时，电网电流小，弓头质量小，随网性好，电损耗相对低，机械磨耗相对高，适应速度高，同时因为动态接触力大，宜适当减小静态压力，鉴于最高运行速度不高，可考虑静态压力略高于标准要求的70 N[5]。

3.2 转换开关

因为选择两种制式共用受电弓，系统需要设计转换开关，实现在交、直流回路之间的切换。交流系统既有的高压隔离开关是两位单通路，在分位置，连接杆输出端悬空，电路断开；在合位置，形成一条通路，接通交流。为了实现交、直流切换，在原有悬空位置处增加输出触点，形成了原有交流通路以外的第二条直流通路，成为两位双通路交、直流转换开关产品，外形详见图6，当然两个回路之间需要满足交流的绝缘距离。

图6 转换开关Fig.6 Main switch drawing

绝缘子高度满足交流绝缘距离，转动杆和触点的载流量满足直流供电时的大电流(高达2 000 A)，转换开关和高压隔离开关一样，需要无载分断，回路保护还是由主断路器来实现。

3.3 检测装置

在直—交牵引系统中，网压不高，网压和网流的检测设备通常设在列车下的牵引逆变器中；在交—直—交系统中，网压高，设备多设在车顶。

电压互感器设置在受电弓和转换开关之间，可通过对电压的检测来控制转换开关在两路之间的切换。在交流系统所使用的电压互感器的基础上，通过内部并联电阻的方法，实现同时检测交、直流电压的功能。电压互感器对网压的交、直流检测是对供电制式最直接、最重要的判断依据，所以有非常高的可靠性要求，需应用故障安全导向设计对输出信号是否正确做出判断，必要时可与地面信号系统综合判断网压，以提高可靠性。

网流的检测相对简单，可以应用交、直流现有的传感器，在转换开关下口的交、直流回路分别进行检测。

3.4 保护装置

虽然在受电弓和转换开关之间设置主断路器可以有效降低交、直流供电错误接入直、交流回路的风险，但是目前尚未找到可以同时满足25 kV高压和超过1 000 A大电流技术要求的断路器，因此，在转换开关后，仍然采用了真空断路器、高速断路器分别保护交、直流回路(见图5)。

同样，在转换开关后，分别接交、直流避雷器进行大气过电压保护，同时在真空断路器和变压器之间再设置一个交流避雷器，使设备免受牵引变压器分断时产生的操作过电压的影响。

4 牵引变流器

交流供电系统实际就是将直流供电系统中牵引变电所内的牵引整流变压器和牵引整流机组变成车载。在车载系统中，习惯称为牵引变压器和四象限整流器。

车载与地面变压器除了结构和冷却方式因为运行环境有所变化，容量上有所不同之外，没有其他技术上的区别，这里不做详述。

4.1 四象限整流器

为了说明四象限整流器和牵引整流机组的区别，先介绍四象限的概念。“四象限”解释为牵引系统可在由电压和电流(分别为横、纵轴)组成的平面坐标系内的四个象限工作，电压的正负控制电机的转动方向，可使车辆双向运行；电流的正负控制能量的流向，可使车辆处在牵引和电制动两种状态。很显然有再生制动的车辆，车载牵引系统必须都是四象限工作的，所以作为主要部件的逆变器和牵引电机是没有必要强调四象限的。但是在直流供电系统中，由于开关器件的成本和容量方面的限制，牵引变电所内的牵引整流机组都是两象限的，多为24脉冲二极管整流装置[6-7]，能量无法反馈给上级交流电网，所以直流供电系统在车辆或者地面上必须设置能量消耗或储存装置。因为能量与速度的平方成正比，因此高速直流地铁都采用地面吸收的方式。交—直—交牵引系统的变流器通常由四象限整流器、直流环节和逆变器组成。四象限整流器不仅可以实现能量向电网反馈(可以不设大功率制动电阻)，同时保证网侧电流正弦化，且运行于单位功率因数[8]。

多重化载波移相技术，通过将独立的电流型PWM整流器进行并联组合(多重化)，同时使每个整流器采用相同的PWM调制波，并将相位相互依次错开一个相同的角度(载波移相)，使四象限整流器输入电流的高次谐波相互错开，并在变压器一次电流的谐波总量中部分抵消，从而以较低的开关频率获得等效的高开关频率控制，即在降低功率损耗的同时，有效地提高了PWM整流器的电流、电压波形品质，从而有效吸收谐波含量，而不另设硬件吸收装置。多重化四象限的拓扑图见图7中整流部分。

图7 牵引变流器详细原理Fig.7 Detailed traction converter

4.2 中间直流环节

中间直流环节电压等级的选择对于整个牵引系统来说是至关重要的，因为是交、直流双制式系统，所以选用直流供电(采用1.5 kV)作为中间电压是最简单和经济的方案。同时因为变流器功率小于1.5 MW[9]，因此也没必要选用高速动车组和大功率机车通常使用的3 kV等级中间电压的体系。

直—交牵引系统需要配置单独的滤波电抗器来减小网侧谐波；在交—直—交系统中可以用牵引变压器绕组的等效电感替代整流器交流侧电感，所以现在少有单独的电抗器。同时虽然利用牵引变压器副边作为直流供电回路的平波电抗器的方案在多流制机车中也有广泛应用，从质量、空间、经济性角度有一定优势，但主电路之间的切换较为复杂，变压器副边的参数还要同时兼顾交流和直流回路的需求，所以选用保留单独的直流滤波电抗器的方案。

在变流器内为交、直流双制式供电分别设置各自的预充电回路，直流回路设在滤波电抗器和中间直流环节之间，交流回路设在一组四象限整流器和变压器副边之间。

4.3 逆变器

IGBT模块遵循电压等级由小到大的次序逐渐被开发，并应用在车载逆变器上。2.5 kV模块出现后，使用它的三点式逆变器在DC 1 500 V供电牵引系统中有大量应用(尤其在日本牵引系统中很常见)，其主要优点是输出电压波形质量好，相同功率下开关频率更低。但是3.3 kV IGBT问世后，其组成的两点式逆变器相比前者减少了半导体器件、直流环节电容器、过电压保护装置和电抗器，进而导致设备成本、外形尺寸和质量均大幅削减。综合比较，后者结构简单，可靠性高，经济性好的优点更为突出。两电平逆变器拓扑见图7中逆变部分。

4.4 辅助逆变器&充电机

在直—交牵引系统中，主(牵引)辅(辅助)逆变器均由网压供电，是分体还是一体在设计上比较灵活。

在交—直—交系统中，如果要实现过分相时辅助逆变器仍可对车辆交流负载正常供电，则需要辅助变流器从中间直流环节取电，利用牵引变流器电制动来维持供电。主辅一体的方案可有效减小箱体之间的连线[10]，而且随着对车辆辅助系统冗余度要求的提高，分体小功率的辅助并网供电是发展趋势，所以交—直—交系统近年来更倾向于主辅一体的方案。

将整流、牵引、辅助逆变及充电机集成为一体，共用中间直流环节和冷却系统，设备集成度高，可有效降低设备的体积、质量和成本，尤其更适合本文所研究的双制式牵引系统。

辅助逆变器中的重要器件——隔离变压器有中频和工频两种方案，各有优势，前者在设备减噪、小型化、轻量化(160 kVA辅助，减重300 kg)方面的优势，使其在双制式牵引系统中有着广阔的应用前景。

4.5 冷却方式

变流器的输出功率与所采用的冷却方式密切相关。所使用的冷却方式为采用热管或铝散热器的自然冷却、强迫通风冷却、沸腾冷却和水冷[11]。

走行风冷+热管自然冷却和强迫风冷在城市轨道交通中有广泛应用，而水冷的变流器因为能获得最大的输出功率，所以特别适用于安装在机车和动车组的以持续功率长时间运行的变流器上[12]。

市域列车有近似于城市轨道交通列车频繁启停的工况，适合使用强迫风冷这样热惯性小的冷却方式，从而有效利用变流器的最大功率与持续功率的高比率；也有机场和城市之间的通勤车等站间距较大的工况，则更倾向于使用水冷这样热惯性大，过载能力小，但绝对散热能力强的冷却方式。

5 电机

双制式车辆只有在地铁断面基础上研发才能最大化地发挥其经济性优势，地铁客室地板面高度(1 130 mm或1 100 mm)的限制决定了电机只能采用自通风冷却方式(转向架枕梁部位无法像干线铁路车辆那样容纳下强迫通风电机的风道)。选用自通风电机中功率最高的等级，持续功率在260～280 kW之间，可以满足牵引性能要求，质量最好控制在600 kg以下，转向架构架的强度将受电机质量增重和全寿命运营里程变长两方面影响，需要重点加强。同时还需要考虑电机轴向尺寸和轮盘制动兼容的问题。

6 结语

本文结合市域轨道交通系统的发展需求，根据交、直流供电系统的特点，先通过优先采用共用受电弓和牵引直—交部分的方案来整合交、直流车载牵引系统，然后提出主电路的配置和对受电弓、高压检测、保护装置进行的双制式适应性改造的方案。牵引变流器则优先采用载波移相技术的多重化四象限整流器、与直流供电等级相同的1.5 kV中间电压和最先进的两电平逆变器，同时保留了单独的直流滤波电抗器；对于辅助逆变器，将其整合进牵引变流器箱且采用中频变压器隔离的方案，更适合双制式车辆设备轻量化和小型化的需求；主变流器的冷却方式则需要根据线路特点在强迫风冷和水冷两种方式中权衡。阐述采用高功率的自通风电机及其在质量、外形尺寸方面的控制。综合以上内容，从牵引系统可靠性、经济性、轻量化等方面综合选定了双制式市域快轨牵引系统主回路配置和相应高压设备的技术方案。

[1] M.M.Bakran，曹霄.大功率多流制机车牵引变流器的比较[J].变流技术与电力牵引，2006(1)：18-22.

M.M.Bakran， CAO Xiao. Comparison of multi-system traction converters for high-power locomotives[J]. Converter technology & electric traction， 2006(1)： 18-22.

[2] 曾志长.市域铁路两种牵引供电制式工程投资对比分析[J].铁路工程造价管理,2013,28(5)：9-13.

ZENG Zhichang. Investment comparison and analysis of two traction power supply systems in regional railway[J]. Railway engineering cost management, 2013, 28(5)： 9-13.

[3] 李乾.市域轨道交通牵引供电制式选择的若干问题研究[D].成都：西南交通大学，2015.

LI Qian. A study on some problems of traction power supply system selection of regional rail transit[D]. Chengdu： Southwest Jiaotong University， 2015.

[4] 钟俊颜.浅谈多流制电力机车主电路拓扑结构[J].技术与市场，2013(7)：3-4.

ZHONG Junyan. Introduction to multiple current system of electrical locomotive main circuit topology structure[J]. Technology and market， 2013(7)： 3-4.

[5] 轨道交通 受流系统 受电弓与接触网相互作用技术准则:EN 50388[S].北京：中国铁道出版社，2011.

Railway applications—power supply and rolling stock—technical criteria the coordination between power supply(substation) and rolling stock to achieve interoperability： EN 50388[S]. Beijing: China Railway Publishing House, 2011.

[6] 城市轨道交通直流牵引供电系统:GB/T 10411—2005[S].北京：中国标准出版社， 2005.

D.C.traction power supply system for urban rail transit： GB/T 10411-2005[S]. Beijing: Standards Press of China, 2005.

[7] 全恒立.城市轨道交通混合式牵引供电装置关键技术与性能优化研究[D].北京：北京交通大学，2013.

QUAN Hengli. Research on key techniques and performance optimization of hybrid traction power equipment for urban rail transit[D]. Beijing： Beijing Jiaotong University， 2013.

[8] 张崇巍，张兴.PWM整流器及其控制[M].北京：机械工业出版社，2012.

ZHANG Congwei， ZHANG Xing. PWM rectifier and its control[M]. Beijing： Machinery Industry Press， 2012.

[9] 李华，荣智林，忻力.城际动车组主辅一体变流器的开发[J].机车电传动，2015(6)：15-17.

LI Hua， RONG Zhilin, XIN Li. Design of main and auxiliary integrated converter for intercity EMUs[J]. Electric drive for locomotives， 2015(6)： 15-17.

[10] 何海华.轨道交通CC 750 MS型双流制牵引辅助集成变流器[J].城市轨道交通研究，2014(9)：116-118.

He Haihua. CC 750 MS traction integrated converter dual system in rail transit[J]. Urban mass transit， 2014(9)： 116-118.

[11] M.M.Bakran.IGBT牵引变流器在近郊和干线机车动车上的使用[J].变流技术与电力牵引，2002(4)：24-27.

M.M.Bakran. Use of IGBT traction converters in local and long-distance transport vehicles[J]. Converter technology & electric traction， 2002(4)： 24-27.

[12] 陈建业，吴文伟.大功率变流器冷却技术及其进展[J].大功率变流技术，2010(1)：15-24.

CHEN Jianye, WU Wenwei. Cooling technology for high power converter and its development[J]. High power converter technology， 2010(1)： 15-24.

TractionSystemMainCircuitandHigh-voltageEquipmentforRegionalExpresswithDual-ModePowerSupply

OUYANGRuijing

(CRRC Changchun Railway Vehicle Co., Ltd., Changchun 130062)

The regional express with dual-mode power supply, with the advantages of both AC and DC power supply systems, can effectively connect the urban rail and the main railway line systems, having great development prospects in the suburban areas. Firstly, Based on the characteristics of tow power supply systems, this paper puts forward the scheme of integrating AC and DC power supply traction systems, and then introduces the configuration of the main circuit and the adaptive modification of the pantograph, the high voltage detective, protective devices for the dual-mode power supply systems. Secondly, the scheme of the four-quadrant rectifiers, DC links, inverter and filter reactors in the traction converter is introduced in detail, and the integration of the auxiliary converter and the isolation-transformer program and the choice of converter cooling mode are mentioned. Finally, the basic requirements for traction motors in terms of cooling modes, power, weight, and dimensions are presented.

regional express; dual-mode power supply; traction system main circle; high-voltage equipment; dual-mode power supply pantograph

10.3969/j.issn.1672-6073.2017.06.015

U231

A

1672-6073(2017)06-0084-05

2017-01-18

2017-09-18

欧阳瑞璟，男，硕士，高级工程师，主要从事市域快轨车辆电气总体研发，ouyangruijing@cccar.com.cn

(编辑：王艳菊)