[分享]市域铁路牵引供电方案

发表于2019-09-18     95人浏览     1人跟帖     总热度:286  

市域铁路牵引供电方案_2
摘要对市域铁路牵引供电系统交流和直流2种供电制式的技术特征进行比较分析,提出了3个交流制式牵引变电所主接线方案和贯通同相牵引供电系统方案,为市域铁路牵引供电方案的选择提供参考。

关键词:市域铁路;牵引供电系统;同相供电

市域铁路是大都市市域范围内的客运轨道交通,主要为中心城区与郊区、中心城区与卫星城、重点城镇之间提供快速、大容量、公交化的公共交通服务。我国城市化水平不断提高,大城市空间结构逐渐由单中心向多中心演化,中心城与外围新城或组团间交通需求也日益增长,市域铁路作为大容量公共交通,成为解决该交通需求的有效途径。
市域铁路兼具干线铁路和城市轨道交通的功能与特征,目前其牵引供电系统有 2 种供电制式:25 kV 交流制式(如法国巴黎市郊铁路、我国温州S1 线、上海金山支线等)和 1 500 V(750 V)直流制式(如纽约、伦敦、东京城际铁路以及我国宁栗、宁和、广佛城际等)。交、直流供电制式各具有其特点,市域铁路选用何种供电制式需从线网规划及衔接关系、项目特点、速度目标值、工程造价、后期运营成本等多方面进行综合比较分析[1,2],牵引供电方案确定也需结合2种供电制式的优点。
1 2 种供电制式分析比较
1.1 交流供电制式
我国电气化铁路采用交流供电,主要为带回流线的直接供电和自耦变压器供电 2 种供电方式,其中带回流线的直接供电在普速铁路中应用最为广泛[3],交流供电系统示意图如图 1 所示。牵引变电所将三相 110 kV 交流电转变为单相 27.5 kV 交流电为电力机车供电。为了保证供电可靠性,牵引变电所采用 2 路 110 kV 电源进线,并设置 2 台互为备用的牵引变压器,2 路进线之间通常设置跨条以增加供电灵活性,27.5 kV 侧一般采用单母线或单母线分段接线形式。2 座牵引变电所之间设分区所,分区所主要功能是正常供电时在供电臂末端实现上下行并联供电,在一个变电所退出运行时实现越区供电。整个供电系统牵引网通过牵引变电所和分区所处设置的电分相分成电气上独立的供电臂,每个供电臂的长度约为 25~30 km,电分相处设置一段无电区以避免机车通过时发生短路。
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1.2 直流供电制式
目前我国城市轨道交通采用直流供电制式,牵引网电压为直流1500V或直流750V,并采用双边供电,即一段牵引网由左右两侧牵引变电所共同供电[3]。根据外部电源不同分为分散供电和集中供电2种方式。采用集中供电的直流供电系统由主变电所、中压环网、牵引降压混合变电所及降压变电所、接触网系统、电力监控系统、杂散电流腐蚀防护系统等组成,其供电示意图如图2所示。
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牵引变电所通常与降压变电所合建为牵引降压混合变电所,典型主接线如图3所示。35 kV 母线采用单母线分段接线方式,2段母线间通过母联断路器连接,2 套整流机组接于同一段35kV母线上,采用双机组等效24脉波整流方式并联运行,以限制直流牵引系统产生注入公共联接点的谐波。2台降压变压器分别接于2段35kV母线上。
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1.3  2种供电制式技术特征比较
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1.4 市域铁路供电制式选择
交流供电制式一般适用于运量大、负荷重、速度高、运输距离长的干线电气化铁路;直流供电制式一般适用于列车功率不大、供电半径小、列车密度大且启动频繁的城市轨道交通。市域铁路兼具电气化铁路和城市轨道交通的特点,2种供电制式均可采用。供电制式的选择需综合考虑路网规划与衔接、工程造价等因素,一般而言,对于线路长、速度目标值高、地下区段少的市域铁路,交流制式更具优势,地下区段长、隧道净空要求严格的市域铁路宜采用直流制式。
2 市域铁路牵引供电方案
采用直流制式的市域铁路牵引供电方案与城市轨道交通供电方案并无二致,参见 1.2 节,不再赘述。交流制式牵引供电方案既要发挥其供电距离长的优势,也要吸取直流制式的优点,如牵引供电和电力供电采用混合网络,共享外部电源,同时也要采取措施解决电能质量和电分相问题。
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2.1 交流牵引降压混合变电所方案
结合交流供电系统和直流供电系统以及市域铁路的特点,将交流制式的牵引变电所与直流制式的主变电所合建为交流牵引降压混合变电所,变电所主接线如图 4 所示。变电所设置 2 段 110 kV 单母线,从电力系统引接 2 路可靠外部电源,所内 4台变压器(2 台牵引变压器,2 台电力变压器)分别接于 2 段 110 kV 母线上,设置 2 段 35 kV 母线和 2 段 27.5 kV 母线分别为中压环网(相当于铁路中的电力贯通、自闭线)和接触网供电。
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该方案将电力供电和牵引供电简单组合,虽然可共用外部电源,实现资源共享,提高了电力供电的可靠性,但未改善牵引供电负序、谐波等电能质量问题,也未解决电分相带来的缺陷。
2.2 组合式同相牵引变电所方案
同相供电技术是同时解决电力系统负序问题和铁路电分相问题的最佳方案[4],其方法是在牵引变电所应用负序、无功补偿等对称补偿技术。对称补偿通过 2 种方法实现:(1)无源对称补偿方式,由于牵引负荷具有随机性和冲击性,动态补偿实施困难[5~7]。(2)有源补偿方式,如采用有源滤波器和不同平衡变压器组成的同相供电系统实现三相
平衡同相供电,且能动态补偿谐波和无功[8~11],而组合式同相供电系统可以更加合理利用牵引变压器和有源补偿装置的容量[12]。
组合式同相供电系统有 2 种方案,单相组合式和单三相组合式,该系统由牵引变压器(QB)和同相补偿装置(CPD)组成。其中同相补偿装置包括高压匹配变压器(HMT)、交直交变流器(ADA)、牵引匹配变压器(TMT)等[12]。单相组合式同相牵引变电所主接线如图 5 所示,2 段 110 kV 母线之间设置跨条,同相补偿装置接于跨条上。
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2.3 交直交牵引变电所方案
组合式同相供电方案实现了同相供电,但在牵引变电所中设有4台变压器,110kV 主接线复杂,同相补偿装置无备用。文献[4]提出了一种理想的牵引供电系统结构,即通过三相交流-直流-单相交流全变换方式实现的同相供电系统,其结构原理如图6所示。
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采用交直交结构的牵引变电所主接线如图 7所示。变电所设 2 台由电力和牵引共用的三相变压器,2路110kV进线采用线路变压器组接线,设3段35kV母线,其中35kVⅢ段母线兼作母联和牵引母线,2套交直交系统接于Ⅲ段母线,并列运行。
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与图5相比,交直交牵引变电所 110 kV 接线更为简洁,电力供电和牵引供电合用主变压器,资源共享的效果更为明显。牵引部分利用直流环节的隔离作用,形成独立于公网的牵引网络,并且由于采用全变换,不产生负序,电能质量问题得到解决;直流储能单元可吸收牵引网的再生制动能量,解决了交流牵引供电系统再生制动能量吸收率低的问题,直流储能单元也可连接太阳能或风能等其他可再生能源,让牵引能源更加多元和清洁。
2.4 贯通同相牵引供电系统
组合式同相牵引变电所和交直交牵引变电所组成的贯通同相牵引供电系统,可取消变电所出口处和变电所之间的电分相,实现牵引网的贯通供电,变电所之间可进行潮流调度,提高变压器的容量利用率,在需要的地方设置常闭电分段,可以缩小牵引网故障范围,其供电示意如图8所示。
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3 结语
本文提出了3个交流牵引变电所主接线方案,其中交流牵引降压混合变电所方案将牵引供电和电力供电合建成混合变电所,牵引部分为我国电气化铁路常用的方案,技术成熟,但是电能质量和电分相等交流牵引供电系统的固有问题未得到解决。贯通同相牵引供电系统保留了交流供电系统优点的同时,解决了电能质量、电分相、再生制动能量利用率等问题,是市域铁路理想的牵引供电方案,限制因素主要是大功率电力电子技术的发展,其实际应用推广需作进一步研究。
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