中低速磁浮列车供电系统研究

摘 要：本文对中低速磁浮列车供电系统进行了系统的 研究 ，包括供电电压制式的选择，受流方式的选择，牵引变电所设计原则、负荷容量的 计算 方法 及主要电气设备，地面制动电阻的设计。

关键词：磁浮列车；供电系统；受流系统；再生制动系统

0 概述
磁浮列车是一种新型的非接触式地面轨道 交通 运输工具，其以高速、节能、安全、舒适、环保等优点越来越受到人们的关注。与传统的轮轨式机车车辆不同，磁浮列车的支撑和导向力是由电磁吸力和电动斥力来提供的，它的牵引力是由线性电机产生的。磁浮列车的关键技术是牵引技术、悬浮导向技术和车辆结构技术，而安全、可靠、 经济 合理的供电系统是实现磁浮列车安全可靠运行的重要保证和前提。
中低速磁浮列车供电系统包括牵引变电系统、受流系统和地面再生制动系统。
1 牵引变电系统
1.1 电压等级
中低速磁浮列车的时速一般为 100～200 km，适合于城市公共轨道交通，其中包括市内交通、市郊交通、市中心至机场、城际交通。城市轨道交通的特点决定了中低速磁浮列车的牵引供电必须采用直流电流制，其电压等级应选用国家推荐的 dc750 v 或 dc 1 500 v。因此中低速磁浮列车采用交直流牵引变电所，其牵引供电方式与 目前 地铁、轻轨广泛使用的基本相同。
中低速磁浮列车作为一种新型的交通工具，其供电系统的电压制式也同样须考虑其先进、安全和节能等特性。dc 750 v 供电电压是一种非常成熟的电压制，在国内外城轨的主要交通工具中（地铁、轻轨等）得到了广泛的 应用 ，其供电设备、车载电器设备国内外都有许多十分成熟的产品。但其缺点是供电距离比较短（一般 1 km 设 1 个变电站），供电电流比较大，投资费用高、占地面积大，而且线路消耗的能量也大，因此，目前国内外城市轨道交通已不再采用该电压制式，而采用 dc 1 500 v 供电以克服上述缺点。它的供电设备及车载电器设备国外产品非常成熟，国内也早已进行了开发研制，积累了许多经验，并有一些成熟的产品。因此，磁浮列车作为一种 现代 城市轨道交通工具中的一员，它的供电电压应选择投资少、占地面积小且耗能低的 dc 1 500 v 供电电压制式。
1.2 牵引变电所容量
正确合理地选择牵引变电所的容量能够节省建设用地和投资费用。对于正常运行的磁浮列车系统，其牵引变电所应由 2 路互为备用的独立电源供电，即由 2 路互为备用的高压进线系统，2 路互为备用的整流变压器、整流设备及相关的开关设备组成，以实现供电系统的不间断供电。
在选择牵引变电所供电设备容量时，全线只考虑有 1 个牵引变电所发生故障的情况。当正线牵引变电所任何 1 个发生故障时，其相邻牵引变电所采取越区供电方式，担负起该段磁浮列车的牵引供电负荷。此负荷应满足远期高峰小时负荷。牵引变电所的数量及其在线路上的位置，必须经计算确定，并满足在事故状态下单边（或越区）供电时接触网电压的要求。
电气设计最重要的就是确定系统的负荷容量。
由于磁浮列车是一项新技术，它与现有的其他轨道交通系统相比既有共性又有特性。磁浮列车的牵引供电系统的负荷由牵引系统负荷、悬浮系统负荷、牵引系统和悬浮系统辅助负荷及车站、维修基地、控制中心的动力、照明等负荷组成。
中低速磁浮列车的牵引变电所的负荷容量设计应按照列车运行峰值速度、弯道通过速度、坡道通过能力等目标来进行。其中，直线感应电机的牵引特性是根据额定能力来设置，其牵引力可用式（1）表示：
fg = f - w ′ （1）
式中，f 为直线电机的牵引力，w′为列车运行时的阻力，包括电磁阻力、受流产生的阻力和空气阻力。根据磁浮列车的相关运行经验，当额定速度为60 km/h 时，车辆所受由电磁铁带来的电磁阻力约为车重的5‰，并且随着速度的变化基本趋于稳定； 参考 日本 chsst 的运行经验，受流产生的阻力为41.67 n 左右；空气阻力可按式（2）计算：

式中，cx 为空气阻力系数，取决于车体的外形，参照日本 chsst 取值为 0.443；ρ 为空气密度，取值为 1.29 kg/m3；s 为车体最大横截面积，取值为10 m2；v 为列车与空气的相对速度。
动力负荷主要有悬浮系统辅助负荷及车站、维修基地、控制中心的动力、照明等，它的大小根据具体情况和试验场地大小及要求而定。
1.3 主要电气设备
1.3.1 变压器
（1）整流变压器。由于磁浮列车的直流供电电压宜采用 24 脉波 dc 1 500 v，因此整流变压器应采用 2 台干式、户内、自冷（带风机）、环氧树脂浇注的三绕组整流变压器。2 台整流变压器一次侧绕组分别移相+7.5°和-7.5°。空载变比：高压/低压/低压为 6 kv/0.59 kv/0.59 kv，连接组别为dy11-d0。
（2）动力变压器。动力变压器可采用干式、户内、自冷（带风机）、环氧树脂浇注的三绕组整流变压器，变比为 6 kv/0.4 kv，连接组别为 dyn11。
1.3.2 交直流开关柜
（1）交流开关柜。交流开关柜应根据进线电压的不同选择不同电压等级的产品，具有完善的操作、维护和保护功能，满足全天候运行的条件。断路器具有可靠的电气“防跳”功能，开关柜设“五防”保护。其交流开关柜的电压等级分别为 220，110，33，10 和 6 kv。
（2）1 500 v 直流开关柜。1 500 v 直流开关柜应采用户内型，具有标准防护等级的金属封闭式结构，开关柜由一系列标准化单元组成，标准化单元根据设计要求组合成不同的基本小室。在这些标准化单元中设有操作设备、控制元件、测量元件、保护元件、母排、电源和辅助连接等，除完成当地控制、测量保护功能所需的必要元件外，还装有为实现远方监控所必需的各种转换开关、数据传输所必需的接口设备。
1.3.3 整流器
整流器是牵引降压混合变电所的重点设备。整流器应具有内部短路保护功能，每个二极管串联快速熔断器，熔断器带有辅助接点，熔丝熔断后，熔断指示器可靠动作，并发出信号，作用于报警或跳闸。在整流器预测最高温度的元件散热器或铜母排上加设温度继电器，用于监视元件散热器或铜母排的温度，并发出信号。整流器具有过电压保护功能，交流侧设置过电压 rc 吸收电路，防止交流侧开关操作或变压器感应产生过电压损坏整流管，兼吸收整流管换相过电压；直流侧设置 rc 过电压抑制回路和放电回路，防止直流快速开关动作时产生操作过电压损坏整流管，并在整流器输出端并联压敏电阻，抑制残余的过电压。除此之外，整流器还应具有外部短路保护功能，即当直流侧短路，直流快速开关正常分断时，整流器中硅元件及快速熔断器均不损坏，如直流快速开关拒动，则由牵引变压器一次侧的交流断路器开断短路电流，整流器中的硅元件也不损坏。

2 受流系统
目前 ，在城市轨道 交通 中，直流电通过供电轨和车载受流装置为车辆供电。其受流方式主要有 3种：上部受流、下部受流和侧面受流。上部受流的优点是受电靴与轨的接触状况受小的弯道半径的 影响 小，因竖曲线半径一般较大，受流轨头可以采用平面，对受流轨的加工难度降低。缺点是上部受流易在受流轨面上沉积尘土等杂质，这样加剧受流轨面及受电靴的磨损，同时造成拉电弧形成烧蚀磨损；大雨雪气候下易造成受流不稳。下部受流除具备与上部受流相同的优点外，其受流轨面朝下，不易积攒尘土、雨雪等杂物。缺点是受流装置的安装造成车辆下部限界增加，冰冻气候下受流轨面形成的冰柱对平稳可靠受流会造成较大影响，受流轨对受电靴的压力方向与车辆受到的悬浮方向相反，受电靴的运动故障易造成悬浮困难。侧面受流的优点是受流轨面不易积攒杂质，受杂质干扰引起的磨粒磨损和电弧烧蚀磨损小，只要受流平稳，车辆悬浮不受受流器运动姿态的影响。缺点是在弯道上受流轨面需跟随轨道梁的平曲线而形成曲线，弯道受流轨的加工难度大，弯道（特别是小曲率半径的弯道）处受流轨的弧度对受流摩擦副的接触状况构成实质性的影响，受流靴的结构形状与截面尺寸必须予以考虑。
综合考虑各种因素的影响，中低速磁浮列车的受流方式应首先采用侧面受流，这种受流方式已成功 应用 于日本磁浮列车、德国磁浮列车和重庆独轨车的受流系统。
3 地面再生制动系统
在城市轨道交通中，通过将制动电阻从车上移至地面，采用地面再生能量吸收装置来吸收制动能量可以减轻车体的质量、降低牵引电能的消耗、降低车辆对线路的冲击、减少车辆的噪声。地面制动电阻的设计虽是供电系统的一部分，但它与车辆的运行密切相关，制动系统的设计将直接影响车辆制动性能的发挥和行车安全。采用地面再生能量吸收装置是目前城市轨道交通中一种 发展 趋势，我国重庆独轨车和广州地铁 4 号线已取得了成功的应用经验，并且其设备也是由国内生产厂家开发，因此对中低速磁浮列车来说，采用地面再生能量吸收装置是一种行之有效的 方法 。
当磁浮列车处于制动时，其牵引直线电机处于发电机状态，将列车的动能变换为电能。这部分电能除一部分消耗在直线电机和牵引逆变器本身外，还可以供给列车的辅助设备（如悬浮、空调、通风、空压机等），其余大部分将回馈给直流供电 网络 。其电机的制动过程分 2 步进行：
（1）再生制动。此时电压保持为某一值，逐渐减小变频器输出频率，使滑差频率 s＜0，能量通过逆变器回送至直流母线侧，通过变电站的制动电阻或其他车辆的运行消耗掉这部分制动能量。为了得到较大的制动力，高速段保持电压（功率）一定，随着速度的不断降低，制动电流逐渐上升。电流达到某一值时，保持电流恒定，电机进入基本恒制动力阶段（由于边缘效应影响，制动力稍微有点上升）。
（2）反接制动。当车速低至一定速度时，由于保持滑差频率一定，不能继续进行再生制动，大约从 19 km/h（5.3 m/s）进入反接制动。反接制动时滑差 s＞1，制动能量消耗在电机内部。本阶段，制动电流保持一定，随着速度进一步降低，电压有所升高。反接制动最低可将列车速度降至4.4 km/h。当电制动过程结束后，进入机械制动，将列车停于定点位置。
当列车处于制动状态时，电机的能量需经牵引逆变器变换后供给车辆其他设备和回馈给直流供电网络，根据能量守恒定理，可得到列车在制动速度v 时回馈给直流供电网络的电功率，即消耗于制动电阻上的电功率：

式中，ηa为逆变器电能转换效率，ηb(v)为电机的效率，它由直线电机的速度-效率曲线决定，fb 为列车的制动力，v 为制动速度，v=vb0+at，vb0 为制动时的初始速度，a 为制动加速度。设 ub 为列车制动时输入的直流电压，则回馈给直流供电网络的制动电流：

4 结束语
中低速磁浮列车在国内外还没有一条正式的运营线，对其供电系统的设计也只能参照目前城市轨道交通的供电系统来进行，因此对供电系统的电气参数的 计算 没有形成统一的技术要求，建设部正在组织有关参研单位进行中低速磁浮列车系统标准的制定。本文是根据笔者多年从事磁浮列车电气系统设计及运行实验经验进行的初步探讨，为日后中低速磁浮列车供电系统设计标准的制定及正式运营线路的设计提供 参考 。只有掌握中低速磁浮列车供电系统的全部技术要求，才能将中低速磁浮列车推向市场，为我国推广磁浮技术提供强有力的技术支持和可靠的技术依据。

参考 文献 ：
[1] 庞开阳,何江海.广州地铁 4 号线供电系统[j].机车电传动.2002,4.
[2] 胡基士.中低速磁浮列车牵引供电系统特点 分析 [j].电力机车与城轨车辆.2003,4.
[3] 李鲲鹏,张振生.广州地铁 4 号线地面制动电组的设计[j].机车电传动,2005,5.

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