中文      English
 
 
世界轨道交通资讯网

同相供电技术在市域铁路中的应用

发布时间:2016-08-12 10:06:31 编辑:gaoweinew
本文摘要:对于市域铁路来讲,城市轨道交通也好,国铁也好,分成几个系统,牵引供电系统是几大子系统中非常重要的一部分,承担着为机车提供动力的功能。


  各位领导、各位专家、各位同行,下午好。今天我为大家带来的"同相供电技术在市域铁路当中的应用"。市域铁路现在是国家在轨道交通方向大力支持的一个领域,同相供电技术也有一定的发展基础,今天我想把这两个方面做一个结合与应用的介绍。

  一、研究背景

  为什么我们想把同相供电技术运用在市域铁路当中?通常国铁和城轨这两大方面,国铁就是干线铁路和直线铁路采用的是交流式供电,最高可以达到350。像城市轨道交通大家一下就想到地铁、轻轨等等。这两者的区别在于一些技术主要的技术参数,如速度值、空间距离、车站之间的距离等等。现在市域铁路正好从技术参数的角度是处于两者之间,市域铁路又称为市郊,在国外有些国家也叫做通行,从性质来看它就是一个大城市周边的铁路,连接中心城区与外围的城镇。

  它的主要特点,与城轨相比速度快、投资少,且能与国铁交流式互通,主要是采用了交流的供电技术。从目前看,我国的城镇化发展得很快,国外比我们发展得早,像日本东京、美国纽约这样的大都市区本身城轨里程数也只有几百公里,但是市郊铁路几千公里,从这块来说,市郊铁路也是未来发展的一个主要方向。假如未来按照10个,甚至20个这种级别的大都市区域发展的话,那我们国家的市域铁路规模非常庞大。

  对于市域铁路来讲,城市轨道交通也好,国铁也好,分成几个系统,牵引供电系统是几大子系统中非常重要的一部分,承担着为机车提供动力的功能。现在从技术的角度讲,如从速度、线路长度、时速、旅行速度等等各方面比选的话,直流供电系统可能会力所不及,而交流供电系统供电能力非常强,而且具有结构简单等特点。

  从这个角度讲,140-160速度等级、平均时速80公里,而且一般间隔长度在百八公里左右。应该说用交流技术没有问题或能满足市域铁路的需求。同时还有一个更大的好处,在直流系统当中存在杂散电流问题,在交流系统当中不存在,所以市域铁路采用交流25kV的制式,具有明显的优势。我们是否可以直接把交流的制样拿过来用呢?市域铁路有自己的特点,假如用直流技术上城市轨道,它就没有分相。

  在既有交流系统当中主要存在几个问题:在交流系统当中有分相,这种分相是单相交流制本身系统不可避免的一个缺点。机车是一个单相的负荷,而电力系统是一个三相的交流电,单相对系统三项来说,在线路上运行对系统来说永远是个不对称的附带。

  为了弥补这样的缺点,现在的做法是在一条线上轮换使用系统的三项,这就造成了线路上的分相,我用(PPT)红色圈和蓝色圈显示的这部分。列车每过一个分相就要断一次电,断一次电就存在一次过电压和过电流的冲击,对车载设备、供电系统、地面设备都会形成一定的影响。另外,机车一旦过了分相时就要断电,没有电了,速度必然会有所降低,就造成列车的速度和牵引的损失。我刚才也提到了机车是个单相的附带,对系统来讲不平衡,所以随着机车速度增大,也会对系统产生负序(不平衡的影响)。

  为了解决这样几个问题,我们提出了同相供电技术,我想介绍一下沟通同相供电技术,同相供电有很多种方案。在这样一个方案当中,主要目的除了刚才提到的分相问题之外,我们要应用到市域铁路当中,我们还要达到无分相,避免产生电流的要求或技术水平。在这样一个贯通同相供电系统当中有三大关键系统,一是变电所同相供电技术,二是牵引网双边供电技术,分别解决了供电系统当中红色和蓝色两大类分相。三是牵引网分段供电与测控技术,解决牵引网施工10公里、20公里,甚至几百公里串联起来整个牵引网可靠性的问题。

  二、贯通同相供电关键技术

  同相供电技术提出来的时间也不短了,将近20年。从最早提出来的方案到今天随着技术的发展,方案也发生了若干变化。最早我们是基于无缘器件来做同相供电方案,但后来技术发展了之后,我们在2017年就提出了基于有缘补偿技术的同相供电技术。(PPT)左边这个图是基于既有的牵引变压器基础上增加一定的补偿装置,来实现变电所处的分相,同时也能补偿电能质量的问题。在实际操作过程中,我们也试过,做了一些实验,发现还是存在一定问题,所以发展出右边这两种组合式的同相供电。基于三相、两相牵引变压器的同相供电,左边是既有的供电系统图,上面是一个电力系统分相,中间是变压器,下面一个红色、一个蓝色分别代表一个供电系统的左右两相,中间绿色竖条是一个分相,过程中要断点。

  基于这种方案,在这两相之间增加一种交直工具的传递,用变换的设备,称之为补偿设备也好,同相供电装置也好。我把蓝色这根线和左边红色的接在一起,这样牵引变电所这个位置就没有绿色和分相了,整个牵引网变电所供电的区域都是采用红色这一相,原来蓝色并不是没有用了,它通过装置交直装置传递到我的牵引网上,为牵引网上的负载进行供电。

  这个方案在2010年做了一个工程化的验证,做了一个国铁的验证。原来我们做的科技部一个项目,通过示范验证了方案的有效性,包括效果、功率因数补偿、供电能力的提高、电压不平衡度指标降低等等都非常明显。除了技术优势之外,我们后来也发现这种方案有一定的局限性,受本身变压器接线形式的影响,补偿装置的容量会比较大。我们也知道,补偿装置电力电子设备的成本比较高,是变压器单价的若干倍。从这个角度来讲,我们对这个方案也做了优化,组合式同相供电。所谓的组合式是我们要把原来受变压器接线和补偿装置这两个容量捆绑在一起的话,我们要把它分开灵活地组合。

  怎么结合呢?我们以这个示意图来解释一下,有两种方案,单相和三相。左边单相变压器是一个为牵引负荷主动的回路,右边是补偿支路。这两个为什么能解开呢?单相牵引变为线路上的机车做一个主动回路,而补偿回路主要是起到辅助为机车供电,同时又对系统进行补偿的负序。装置容量的设置是以满足国家标准为指标。如三相不平衡,《国标》规定公共连接点处不能超过2%,单个用户不能超过0.3%,最大值加倍。节点最大值是4%,单个不能超过2.6%。通过约束条件来选择补偿容量,以达到整个系统最优。同时,变电所只有一相,所以取消了变电所处的分相。

  另外一种方式是单相组合式,跟前面的基本原理一样,只是在变压器的接线形式上有所差别。当然这两种方案相比,它有一个最好的好处。单相组合式方案可以把高压侧的这两台变压器组合在一起,做成一台变压器。这对于变电所用电紧张的情况下非常适用,应该说现在温州S1线示范工程这一段采用的同相供电技术就是方案2单相组合式同相供电。

  第二个,我们要解决分区所分相,如果我们把分区所两个直连起来,本来是系统流过来的在里面,会分配到牵引供电系统。如何来抑制这样一个潮流?我们也进行了思考,提出了这样一种双边,目的就是为了减少支路当中的潮流,本来不该流过牵引供电系统,流过这边了。两个支路很好理解,同样一个电流流过去,两边分,看大小来分,不想这边电流大,我自动增大这边的阻抗。在一个供电系统当中通过增加一定的装置,如电压计来减小它的电流,以满足正常情况下,包括系统运行要求都能满足的话增加这样的阻抗。这种方案经过理论验证、分析,都能够达到系统要求和现有供电系统的要求。

  第三个,牵引网分段供电与测控。为什么我们要做这个事?我举个例子,目前高铁普遍采用全并联AT供电方式,在每一个AT段上下行并联一次,造成一旦线路上某一个位置不管是哪条线发生一个故障短路的情况下,造成整个供电全部跳电。跳掉之后再通过找故障,无形当中降低了整个牵引网的可靠性。我们要解决的是精确识别牵引网上的故障,即分段供电与测控。主要思路就是把牵引网人为划分成若干段,假如说AT,那我们以一个AT段为一个区段,在两端分别加装传感产生电力电流,再加装开关设备,实际上就是分段保护。

  这种方式通过我们的理论分析,它的可靠性比原有纯并联的方式要高,这是我们做的一个对比图。这是一些对这个方案的基本原理介绍,我不细说了。

  三、技术应用

  我们除了理论分析之外,也做了一些应用方面的工作。

  1.温州市域S1线示范工程,两个牵引变电所,采用单相组合式同相供电技术。从整个系统角度来讲,我们做了一个变电所,我们都知道对可靠性要求很高,对设备要求很高,我们做的是百分之百备用的方案。从变压器到补偿装置相当于一主一备。

  2.我们在重载铁路当中也做过应用,因为重载铁路速度比较慢,特别是遇到上坡时速度一旦掉下来之后很容易造成列车停下来。为了解决这种问题,我们在一个实验段上也做了实验,2014年年底做完了,方案是做了单三相。

  3.关于牵引网供电与测控技术的应用。我们现在在高铁上做了一个实验,选取了纯并联AT的供电。这个试验的目的主要是为了验证分段供电与测控系统能否精确地分辨出每一个区段上任何一种故障,而且分辨出来之后又能够正常地把故障区分开,以提高整个牵引网性能的可靠性。

  这是我们在现场做的实验情况,包括实验设备、实验结果。这个实验非常精准地把故障找到,而且精确地识别只切除故障区段的线。比如一个AT段有T线、F线,哪条线有故障我就切哪条线。它基本的功能都得到了验证,其它还有一些目前正在有意向,比如我们了解到的其它一些市域铁路,像北京地铁新机场线、广州18号线、成都18号线等等,都属于比较典型的市域铁路。如果能够把同相供电技术用到市域铁路当中,能够大大地提高整个市域铁路牵引供电系统的技术水平。我们也希望这种新技术不仅在国铁能应用,也为市域铁路作一点贡献。

  做一个小结,在市域铁路当中采用贯通式同相供电的优势有这些优势:

  1.避免分相可以达到跟直流系统一样的效果,不再过分相,而且能减少对设备的损耗和寿命的影响。

  2.解决电能质量问题。

  3.避免杂散电流。

  4.由于我们拉长了整个供电的区间,列车特别是交流车、直流车采用的再生制动能量利用会得到大大提高,相当于响应我们国家节能减排的号召。

  5.降低供电设备容量,我们拉通了之后,多个所之间可以做一个容量上的相互支持,不仅节省设备容量,而且能够节省电力系统供电的资源。

  6.由于整个系统拉通了之后,贯通式之后使我们的供电方案选择更加灵活,不再受困难地段,特别像隧道、坡道等设置的制约,使方案达到一个最优化。

  我的汇报结束,谢谢各位。

 

专  题
 
 
 
封面人物
市场周刊
2017-06
出刊日期:06-27
出刊周期:每月
总480期
出刊日期:(2014 07 09)
出刊周期:每周