城市轨道交通牵引供电系统分析

李凡

（天津市河北区福音劳务服务中心，天津 300000）

0 前言

城市轨道交通需求的增加，扩大了牵引供电系统的应用范围，使牵引供电系统相关的理论与技术研究增多。在新时期背景下，牵引供电系统表现出智能化发展趋势，为实现智慧型牵引供电系统建设目标，应在智能化发展基础上，引进多元先进技术，推动系统集成化、综合性发展，满足城市轨道交通需求。

1 系统分类与组成

1.1 牵引供电系统的分类

传统牵引供电系统包括直流制与交流制两种，目前牵引供电系统已对两种制式进行整合，发挥二者协同优势，为城市轨道交通提供稳定、可靠电力供应。

直流制牵引供电系统是指直流电供电模式，通常在变电站、接触网及牵引网处配置1500V 的直流电。因目前城市轨道交通以双轨为主，其用电量较大，可利用直流制牵引供电系统在轨道交通两端供电，在一侧牵引供电系统出现故障后，可用另一侧牵引供电系统保障稳定供电，使轨道交通正常运行。

在直流制牵引供电系统中，具备杂散电流保护功能，有时还采用预埋铅块和单向导通接地的方式，保证产生杂散电流10km内轨道极化电位不大于0.5V，电流密度不大于0.6mA/dm2。

但要永久性消除杂散电流的方法目前只有两种：①负极回路必须与地面绝对绝缘，宁波地铁正在使用这种技术；②采用三相交流供电系统，不仅能够消除杂散电流，而且工程造价比直流供电系统低，是未来发展的方向。

交流制牵引供电系统是指交流电供电模式，通过单向链接方式运行，需在变电站内配置两台变压器，支持双绕组单相变压，确保交流制牵引供电系统可形成开口三角形，在城市轨道交通供电系统中，交流制牵引供电系统将电网接入端作为高压侧，可保障轨道交通用电操作的稳定性，并根据城市轨道交通的实际运行工况，进行各个区间的优化配置，提高供电系统的可靠性及规范性[1]。

1.2 牵引供电系统的组成

在牵引供电系统组成中，接触网为核心结构。应结合轨道交通用电需求，合理选择接触网，优化配置牵引供电系统结构，在此之上，应合理选择供电方式，保障牵引供电系统功能发挥。

在接触网选择中，城市轨道交通牵引供电系统可用的接触网包括柔性与刚性两类。柔性接触网具备导向运行作用，可有效控制支撑点负荷，适用于轻轨或无轨电车等；刚性接触网基于力学结构作用，将传统软质导线用硬质金属条替代，以刚性悬挂方式建设接触网，有助于城市轨道交通运行效率的提高[2]。

在供电方式选择中，城市轨道交通牵引供电系统可用的供电方式有双边供电、集中供电、直接供电、带回流线直接供电等。通常来说，地铁的牵引供电系统以双边供电为主；长线路城市轨道交通以集中供电为主；铁路牵引供电系统以直接供电及带回流线直接供电为主，实现供电方式特征与城市轨道交通用电需求的有效对接，保障安全可靠稳定供电，提高城市轨道交通运行效率与可靠性[3]。

2 智能化系统的关键技术

随着城市轨道交通牵引通电系统的发展，对供电量、供电可靠性与供电稳定性提出更高要求。为满足城市轨道交通需求，专家学者引进多元先进技术，建设智能化城市轨道交通牵引供电系统，其关键技术如下。

2.1 智能寿命预测技术

智能寿命预测技术可有效评估牵引供电系统各个部件的使用寿命，为运维人员更换部件提供参考，保障牵引供电系统的安全稳定供电。就技术角度而言，智能寿命预测技术将IGBT 功率模块为基础，收集变流器运行参数，按照一定算法计算IGBT 模块的功率损耗，预测部件的使用寿命。细化来说，智能寿命预测技术是通过数据建模计算功率损耗，获取功率损耗与时间变化间的关系曲线，就此分析预测部件使用寿命，为牵引供电系统智能化管理提供技术支持。

表1 牵引供电系统指标对比

2.2 分布式协同控制技术

对于城市轨道交通牵引供电系统来说，分布式协同控制技术以“变压回馈”为核心。在城市轨道列车进站制动过程中，制动功率呈上升趋势，为保障城市轨道列车运行安全，牵引供电系统应将直流电压控制在一定范围内，避免其超过某个阈值。就此，在城市轨道交通牵引供电系统中，可利用分布式协同控制技术，配置多个能馈装置，用于吸收制动过程中出现的峰值功率，控制直流电压，使其处于阈值范围内，保障列车运行安全。

2.3 分布式载波移向技术

分布式载波移向技术以高精度的过零点捕获技术为核心，技术人员可通过载波频率的适当调整，确保过零点相位差保持不变，实现牵引供电系统中部分控制的自同步，有助于牵引供电系统中部分谐波的对消，保障牵引供电系统高质量供电。与传统硬线同步相比，分布式载波移向的应用效果更为显著。

3 智能化系统的发展方向

基于上述先进技术，智能化牵引供电系统在城市轨道交通中有取得良好应用效果，为城市轨道交通发展提供有效保障。在牵引供电系统的未来发展中，技术人员应将目前的智能化系统为基础，结合城市轨道交通的特征要求及技术要求，明确智能化系统的发展方向，加强理论与技术研发，推动牵引供电系统的进一步发展。

3.1 智能化系统的特征要求

在新一代智能化牵引供电系统研发中，技术人员可从牵引供电系统的发展趋势入手，逐步增加牵引供电系统的功能，提高其性能，为城市轨道交通发展提供更优质的技术保障。细化来说，不同时代的牵引供电系统指标对标如表1 所示。

根据表1 对比可知，在新一代智能化牵引供电系统中，技术人员应将传统双向变流更换为四象限变流器，以此简化牵引供电系统的结构，拓展功能，加强性能，进而降低建设成本与运维成本，提高牵引供电系统智能化水平。

3.2 智能化系统的技术要求

为实现新一代智能化牵引供电系统的功能与性能，技术人员可引进以下先进技术，进一步提高牵引供电系统的关键技术，满足牵引供电系统的发展需求，推动城市轨道交通的高速发展。

（1）最优容量配置技术。在新一代智能化牵引供电系统建设中，技术人员可根据城市轨道交通各项数据，进行系统参数的优化配置。细化来说，技术人员可根据列车参数，计算牵引功率、制动功率及电子制动最大电压；根据线路条件，计算线路坡度、站间距及线路阻抗；根据运营组织，计算发车密度、客流状况，综合上述参数，进行牵引供电系统的最优容量配置，减少能耗，增强节能效果，实现资源的最大化利用。

（2）功率因数补偿技术。在牵引供电系统中，为减少能耗，技术人员可引进先进功率因数补偿技术，基于四象限变流器的高运行性能，可实施分布式无功补偿，由四象限变流器发出牵引供电系统所需的无功功率，进行无功补偿，简化牵引供电系统的结构，降低建设成本与运维成本。

（3）在线智能融冰技术。在城市轨道交通运行中，易受恶劣天气影响，导致接触网结构出现结冰现象。在以往的城市轨道交通运维中，大都由运维人员应用专业设备处理结冰问题，表现出效率低、效果差等问题，不满足城市轨道交通运行需求。在此基础上，技术人员可引进在线智能融冰技术，利用牵引供电系统控制模式的优化，实现远程在线融冰，确保城市轨道交通供电系统在恶劣天气下正常运行，切实发挥缓解城市交通拥堵的作用。

（4）智能故障诊断技术。在新一代智能化牵引供电系统设计中，技术人员可利用传感器技术、物联网技术及大数据技术，全面采集牵引供电系统各个部件的运行参数及特征量数据，利用收集的海量数据形成数据库，深入挖掘牵引供电系统部件的运行数据规律。在此基础上利用累积损伤技术与特征量辨识技术，评估系统部件的健康状况，对故障系统部件进行智能诊断，便于运维人员进行预防性维修，延长部件使用寿命，减少部件的运维成本，保障牵引供电系统的长期稳定运行。

4 结论

综上所述，牵引供电系统的组成相对复杂，在构建智能化牵引供电系统时，可引进智能寿命预测技术、分布式协同控制技术、分布式载波移向技术，为研发新一代智能化牵引供电系统，技术人员应综合考虑特征要求与技术要求，实现牵引供电系统的转型升级，推动其高质量发展。