西南交通大学电气工程学院院长高仕斌


 

     我今天跟大家汇报的题目是轨道交通牵引供电新技术，这个题目是今年5月12号在科技部高速列车专项专家组上做的一个报告。介绍的内容两个大的方面，一个是理论研究，一个是技术创新。理论研究这块不想做过多的研究，理论包括了标准和弓网关系，还有牵引供电系统的服役性能，新型的牵引供电方式，以及牵引供电系统的经济运行等等这样一些。今天介绍的重点内容是基于技术创新这个层面。
 
     今年3月份中国铁路总公司正式成立了，对过去的铁道部来说过去安全是永恒的主提。既然政企分离了，中国铁路总公司是一个企业，安全是永恒的主题，但是不再是唯一的主题，效益应该成为我们中国铁路总公司的工作主题。.
 
    今天的报告包括四个方面：牵引供电的安全与智能；供电的质量；节能减排；创新的发展。
 
     牵引供电的安全与智能——智能牵引供电系统
 
     智能的牵引供电系统的概念应该说来自于智能电网，它之所以做这样一个智能的电网，是由于我们无论是国际上和国内，从事这个变电站自动化系统的这个厂商众多，存在多种技术的竞争，而相互之间各个厂家的系统很难达到兼容。因此，早在几年前十多年前，北美和欧洲现在都统一到IEC61850这个基础上，来构建我们数字化变电站，从而在构建整个智能的电网，以实现不同的电气设备，尤其是二次设备的互操作性。
 
     智能电网技术要点包括三点：一个是基于先进通信网络技术的电网数据统一采集，传输，共享和利用。这个就表示实际上它代表着我们数字化变电站它的一些基础的内容。第二，全寿命周期管理，包括状态监测，故障诊断，状态检修，实际上我们6C系统，我们变电站的电气设备的集约检测系统都是这样一个范畴。第三，高级应用，自动控制，智能调节，协同操作等等。
 
    就是说我们这个智能的变电站，它应该包括这样三个东西，一个是基于IEC61850的变电站；一个是所有设备的全寿命周期的管理；另外就是高级应用。这个就是我们智能电网的一些要点，因此数字化变电站是我们智能电网最基础的一个内容。
 
     数字化变电站的技术要点包括三个方面：
 
      第一，是智能化一次设备。主要包含电子式互感器和智能开关。原来无论是我们电力系统也好，还是我们的牵引系统也好，采用的都是电子式的互感器。那么对智能化变电站来说，要用电子式的互感器。第二个是智能开关，这个智能开关就是说对于我们开关，不仅仅只是一个封合闸的操作，我们还得考虑它在何时能够进行操作最有利于保证这个开关的寿命，以及它的一些状态的监测，一些检测等等的内容。
 
     第二，过程层网络。包含三层体系、GOOSE、SMV报文。
 
     第三，IEC61850标准。
 
     给数字化变电站一个定义的话智能化的一次设备加上过程层的网络，再加上IEC61850。
 
 

图一   传统变电站的结构和数字化变电站它的结构

     如图一所示，是传统变电站的结构和我们采用数字化变电站它的一个结构，左边是传统的变电站，右边是数字化的变电站，右边与左边相比有几个不同的地方，这几个不同的地方实际上就体现在我刚刚前面向大家介绍的，它对于互感器至少是电子式的互感器，对于开关是智能化的开关设备，通过网络来构建起来，而这个通信的标准依赖于IEC61850这样一个标准。
 
     那么对于我们智能牵引供电系统来说，它应该包含三方面的内容：一是数字化的牵引变电所；第二是牵引供电系统全寿命周期的管理，包括了电子设备它的状态变电站，故障诊断，包括了状态的检修；第三是智能电力调度系统包括智能调度、自动控制、智能调节、协同操作。所以说这个智能化的牵引供电系统，应该涵盖这三个要素。我们可以看一下，实际上我们现在干的事，都是在往牵引供电系统的智能化这个方面在做。比方说我们数字化变电站，我们在资阳有一个数字化的变电站，我们在终端的通道即将以供电臂为单元做数字化的牵引变电所。
 
     比方说我们牵引供电系统的全寿命周期的管理，6C系统主要对我们全寿命周期进行检测，来指导我们的维修。所以说我们的牵引供电系统，这些年干的事逐步向我们智能化的牵引供电系统在迈进。
 
     供电质量——同相供电技术
 
     第二个部分是同相供电技术。对我们传统的牵引供电系统来说，我们的负荷是一个单相负荷，而对我们系统来说是一个三相的系统。因此，在我们牵引变电所出口那个地方，就存在一个电分相，传统的牵引供电系统，应该说或多或少的存在两个方面的问题。
 
     第一个是电能质量的问题。电能质量当然包括了三相的不平衡，本来我系统是一个三相的，由于我们的负荷是单相的，因此必然会造成对电力系统来说三相不平衡。另外，存在功率因数的问题，我们的负荷是感性的，存在谐波的问题，对功率因数，对谐波的问题没有交直车那么突出，但是还是存在的。第二，由于电分相的存在，势必会影响到列车的速度和机电的性能，那么能不能找到一种方式可以取消这个电分相，可以改善这样的电质量，这就是一个同相供电的一个技术。
 
     在介绍同相供电技术之前，看日本做的异相的供电方案，它叫RTC技术，它可以补偿功率因素，能够改善三相的平衡，能够解决或者说剔除一些谐波，但是它仅仅解决了电能质量问题，电分相仍然存在，所以我们提出了一个方案，希望能够把四边的两个臂，构成通过电力电子技术，来实现它一个贯通，这就是一个同相供电的技术，那么这个技术在科技部一个支撑计划项目，已经完成了2010年10月28号在成昆线眉山变电所投入运行，现在大概运行了2年多的一个时间。
 
     那么同相供电它有这样一些技术特点，第一，取消了变电所出口的电分相，至少将全线的分相的个数减少了一半。可以解决以负序为主的电能质量问题，可以实现无功、谐波综合治理。第二，可以提高牵引变压器容量的利用率，我们在座的18个路局的负责人可能对这些都很清楚。如果可以提高变压器利用率，相当于为我们运行省钱，因为这是两步电价制，容量在这儿一度电不用，钱照样向电力公司交。所以一般的情况下，我们如果采用同样供电技术的话，比方说原来40兆的变压器可以降低到35兆，每个五兆节约费用500万。同时，也可以实现其它的一些功能的扩展，比方说防冰融冰这样的技术。
 
     我们在学校也做了相关实验，前面是针对一个变电所我左右两相实现一个同相，如果进一步把这个同相供电技术，把它扩大的话，可以实现整个线路的一个贯通式的同相供电技术，我们正在搭建这样一个实验的平台在学校（如图二）。另外一种我们知道了同相供电，尽管前面跟大家介绍了有这样一些技术的优势，但是我们不应该忽视的费用的问题？由于电力电子器械牵扯到了费用相对比较贵，因此我们在这个现场实际的推广应用的过程当中，尤其是一次的投资相对会比目前既有的牵引变电所增加一个增量，那么我们如何做到既改善我们牵引供电系统的性能，同时不使一次投资显得那么高，那么就提出了一种单相三相组合式的同相供电技术，这个电子器件容量可以降低，这是一种方案。在中南重道做实验的方案，就是基于这样一个方案。

(图二)

 
     供电质量——电缆供电技术
 
     长距离电缆的供电不是一个新的东西。我们在座的各位都很清楚，我们牵引供电系统，无论是国内还是国外采用的这个供电方式，都是采用四种供电方式。A的供电方式在国家大量的应用；B的这种方式上个世纪80年代以前广泛的采用；电缆供电的方式在国内和国外都没有大面积的应用；直接供电方式，在国外的高铁和国内现在都有比较多的一个应用。(此处有待查证)
 
     电缆供电方式没有用，过去有一定的原因，因为我们电缆的费用比较高，就是说推广不起。现在随着这个电缆的造价逐步的下降，那么考虑我们中国的一些特殊的情况，比方说气侯条件比较复杂，外电比较稀缺的这样一些地方，比方说川藏，或者说滇藏建这个电气化铁路的话，可能会外电比较稀缺，海拔比较高的情况，那么通过电缆供电的方式不妨一试。其它的一些东西与我们这个供电方式基本相当，主要的特点就是供电距离长。
 
     我们负荷是8+0.8兆伏安的话，我们首端的电压是27.5千伏的话，那么末端的这个电压如果供电臂的长度是100公里的话，末端的电压可以达到25.33千伏，可以实现采用这个超长距离的供电。那么这个需要开展，当然了如果说我们要做这个工作的话，还有一些工作要做。比方说电压损失，能耗计算以及供电能力，工程设计方案的研究，技术经济性的研究，还有保护与故障测距这样一些配套的问题，需要进行深入的研究。
 
     节能减排——节能型牵引变压器
 
      要使变压器节能，一个途径就是变压器我们在绕组上做文章，我们可以采用电磁线的方式，现在采用电磁线的方式，这个电磁线价格比一般的线贵很多。一个变压器，所有的绕组都采用电磁线这是不可能的，但是在绕组的热电温升比较高的地方，可以采用这个电磁线，那么既保证我这个绕组的温升不会太高，同时也可以使这个变压器的造价不得到大幅度的增加。
 

(图三)

     另外一个是在铁芯上做文章。铁芯上做文章有两个途径：新材料和新工艺。对新材料来说，一个是非晶合金的材料，但是对我们牵引变压器来说容量大，非晶合金有优点也有缺点，缺点就是这个材料比较脆，对我们的牵引变压器的容量，现在有70兆，有可能做到80兆，很大的容量。如果单纯的对这种大容量的变压器采用了这种非晶合金的材料，实际上有一定的风险。另外手段就是采用这种工艺。对我们节能型的变压器，我们采用了左边的这样一个卷铁芯的结构方式（图三），那么我们可以看，对我们传统的铁芯有这个铁芯片，一片一片把它集中起来的。这个卷铁芯的变压器，实际上一次开料，把这个铁芯绕制而成的，因此它存在几个方面的一个好处，一个对这个铁芯我做完了以后，可以整体的进行一个退火的处理，我们搞电的都知道，退火的过程就相当于是重组的过程，那么对我们提高它的一个磁的导通是很有好处的。
 
     所以这个变压器存在这样几个特点：一个是层间没有接缝，磁路分布更加均匀，没有高阻区，没有接缝，那个地方磁通密度的一个畸变，第二个是磁通的方向与这个硅钢片晶体的取向完全一致。第三，三相磁路长度可以完全的相等，三相磁路长度的之和可以最短，第四，三相磁路可以完全对称空载电流可以完全平衡。
 
     由于有以上的优势，节能型牵引变压器的节能效果比较显著，一般可以降低30%左右，空载电流可以降低92%；另外这种变压器的噪声比较小，噪声它是应该说变压器振动产生噪声的主要原因，采用这样的卷铁芯以后，可以消除变压器的振动，噪声会更加的小；第三，它的过载能力强，我们可以看出来我们一般的铁芯的变压器和我们这种卷铁芯的变压器，我们本身就是这样一种品字型的方式，相当于说自己来烟囱，所以可以做到之间的对流，冷热空气的对流。给我们保持绕组或者说降低这个绕组的热电温升都有好处。
 
    基于这种情况，我们正在做一个这种变压器，国际上现在做的最高的是35千伏十个兆伏安，我们做220千伏，20+35MVA，VX的变压器，这个变压器准备在中南通道做这样一个试用。这是对电磁线也在做两种变压器，一种110的是20+20的，一种是220的31.5+31.5VX的变压器。
 
     节能减排——燃料电池电动机车
 
    节能减排是一个基本国策。燃料电池就是说进去的是空气加氧气，排放出来的是水，通过它来进行电化学的反映来发电。美国2002年，研发第一辆矿用燃料电池拖运机车，2008年研制了250千瓦调度机车，2010年提升至500千瓦。日本来说2003年开始方案的研究，2006年研制样车，2007年投入商业运营。
 
     今年的元月24号，我们成功的研制了中国首辆纯燃料电池的机车（图四），这个机车它的工艺没有国外那么大，我们只是150个千瓦。

 

（图四）

 
      前不久我们学校在科技部申请了一个支撑计划，燃料电池的机车基础上，准备做一台混合动力的机车，就是燃料电池加超级电动机的这样一个车。因为单纯的燃料电池，它的费用比较高，如果说采用混合动力的话，费用可以降下来，而且工艺可以把它做上去。这个车应该说还有它很广阔的应用前景，比方说我们城市地铁里面，晚上进去检修，如果说采用乘用车的话，第二天那个隧道里面都是油漆和烟尘，如果说采用了燃料电池车的话，那么这个问题就完全可以克服了。
 
     创新发展——电能无线传输技术
 
     美国对无线传能很重视，现在这个概念已经有80多年的时间了，我们搞电的人没有做到能量无线传输，但是搞通信的人把它实现了电能的无线传输，为什么？我们这个手机是每个人在用，这实际上信息的传送可以认为是能量传送，手机就是一个典型的无线传能的系统。大家说手机为什么可以做，我们电做不到这个无线传能，因为我们电传输的工具太大，传输的过程中可能会存在各方面的一些问题，所以说现在还没有达到这样一种效果。
 
    但是这几年这个技术，得到了世界的一个重视。各个国家都有相应的一些原理性的样机在使用，比方说我们的邻居韩国为例，它做了一个180千瓦的模型车，今年的5月份在这个城市的交通中试用，今年的7月份，就是现在元旦的计划在城市轨道交通里面做实验，今年的9月份在韩国的高铁来做无线电能车的应用一些实验。
 
    基于此我们也想实际上我们学校也在做这样的一些事情，那么无线传能有如下几种原理：电磁感应、电磁谐振式、微波式的这种原理。我们现在学校自筹资金四百万，准备做一个无线电能的传输模型车系统。最终我们希望经过若干年的努力，能够实现电能的无线传输，如果我们电能传输了，我们这几天开会讨论的6C系统就没有意义了，因为已经不存在接触网了，电能都是无线传输了，所以说这应该是一个技术的跨越，技术的一个进步。当然了我们在座的各位可能会说，如果说这个事情做成了，咱们就没有饭吃了，但是实际上不是这样的，我想就我来说因为我们是学校的，对这样的一些东西，我们有责任，也有意义来做这样一个事情。第二个，如果说我们有感应板，我们在座的还是有它的饭吃，只不过方式不一样而已。