王 奇

0 引言

近年來(lái)國(guó)內(nèi)城市軌道交通產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，大中城市陸續(xù)開(kāi)始了軌道交通建設(shè)。為適應(yīng)國(guó)內(nèi)各區(qū)域城市龐大的軌道交通車輛的市場(chǎng)需求，國(guó)內(nèi)大型機(jī)車車輛制造企業(yè)陸續(xù)在各地建設(shè)城軌車輛生產(chǎn)試驗(yàn)基地。直流牽引供電作為城軌車輛試驗(yàn)基地設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)之一，擔(dān)負(fù)基地內(nèi)機(jī)車車輛的牽引用電需求。目前國(guó)內(nèi)城軌車輛電壓制式主要有DC 750 V 和DC 1 500 V 兩種。

不同區(qū)域城軌車輛采用的電壓制式不盡相同，同時(shí)也存在同一城市有多種電壓制式的城軌車輛現(xiàn)象。故當(dāng)前車輛生產(chǎn)試驗(yàn)基地設(shè)計(jì)中需考慮能滿足不同類型車輛的試驗(yàn)，因此基地內(nèi)直流牽引變電所需要考慮能夠提供多種電壓等級(jí)的直流電源。如何做到在滿足基本直流電源需求的同時(shí)，還能達(dá)到投資小、運(yùn)行維護(hù)便利的目的，成為城軌車輛試驗(yàn)基地直流供電方案設(shè)計(jì)中值得關(guān)注的內(nèi)容。本文將對(duì)適用于城軌試驗(yàn)基地內(nèi)的直流電源實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行分析比選，為相關(guān)類似工程設(shè)計(jì)提供借鑒。

1 試驗(yàn)基地直流電源需求

試驗(yàn)基地為測(cè)試車輛各項(xiàng)參數(shù)及完成各項(xiàng)出廠試驗(yàn)的需要，通常設(shè)置動(dòng)調(diào)試驗(yàn)線和靜調(diào)試驗(yàn)線（設(shè)于靜調(diào)廠房?jī)?nèi)），兩者均需牽引變電所提供相應(yīng)電壓等級(jí)的直流電源。

1.1 動(dòng)調(diào)試驗(yàn)線

軌道客車動(dòng)調(diào)試驗(yàn)線有效長(zhǎng)度為1.8 km，其中平直線路有效長(zhǎng)度不小于1.2 km，整條試驗(yàn)線路采用同一坡度。軌道客車動(dòng)調(diào)試驗(yàn)線同時(shí)考慮三軌及接觸網(wǎng)供電方式。其中三軌絕緣等級(jí)按 DC 1 500 V、載流量按DC 750 V 設(shè)計(jì)考慮；接觸網(wǎng)載流量按DC 1 500 V 設(shè)計(jì)考慮，并可試驗(yàn)DC 750 V 有軌電車。

此外另設(shè)置有效長(zhǎng)度為3.5 km 的機(jī)車、軌道客車試驗(yàn)線，該試驗(yàn)線可用于27.5 kV 電力機(jī)車和DC 1 500 V 城軌客車試驗(yàn)，接觸網(wǎng)電壓等級(jí)按AC 27.5 kV 和DC 1 500 V 綜合考慮設(shè)計(jì)，預(yù)留設(shè)置三軌條件。滿足機(jī)車和軌道客車的供電需求。1.8 km試驗(yàn)線和3.5 km 試驗(yàn)線不同時(shí)試驗(yàn)軌道客車。

基地內(nèi)為遠(yuǎn)期預(yù)留2 條2.0 km 的磁懸浮車試驗(yàn)線，用于DC 1 500 V 磁懸浮車輛試驗(yàn)。

1.2 靜調(diào)廠房

試驗(yàn)基地內(nèi)建有靜調(diào)廠房，在廠房?jī)?nèi)設(shè)置靜調(diào)試驗(yàn)線4 條，均為標(biāo)準(zhǔn)軌，其中2 條為預(yù)留。在廠房?jī)?nèi)平行于線路方向側(cè)墻上設(shè)置滑觸線，其中一側(cè)為預(yù)留?；|線能為三軌受流客車提供DC 750 V和DC 1 500 V 兩種調(diào)試電源。每條線路上方均設(shè)置接觸網(wǎng)，接觸網(wǎng)絕緣等級(jí)和載流量按DC 1 500 V考慮，兼顧DC 750 V 有軌電車試驗(yàn)。

為提高靜調(diào)試驗(yàn)線試驗(yàn)電源操作的安全性和便利性，在靜調(diào)試驗(yàn)線的兩端頭位置分別設(shè)置DC 1 500 V 和DC 750 V 靜調(diào)電源柜各1 臺(tái)。

2 試驗(yàn)基地直流電源實(shí)現(xiàn)方式分析

2.1 幾種直流電源的實(shí)現(xiàn)方式

牽引變電所實(shí)現(xiàn)動(dòng)調(diào)和靜調(diào)試驗(yàn)線不同直流電源的供給考慮通過(guò)以下4 種方式，本節(jié)分別對(duì)4種實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行分析比選。

（1）方式一：主接線如圖1所示。該方式分別設(shè)置DC 750 V 和DC 1 500 V 整流機(jī)組（12 脈波）各2 套，均并聯(lián)運(yùn)行，設(shè)置DC 750 V、DC 1 500 V 母線各一段。2 套DC 750 V 整流機(jī)組及DC 750 V 母線負(fù)責(zé)為動(dòng)調(diào)試驗(yàn)線接觸軌和接觸網(wǎng)、靜調(diào)庫(kù)內(nèi)滑觸線、靜調(diào)庫(kù)DC 750 V 靜調(diào)電源柜提供DC 750 V 電源。2 套DC 1 500 V 整流機(jī)組及DC 1 500 V 母線為試驗(yàn)線接觸網(wǎng)和接觸軌、靜調(diào)庫(kù)內(nèi)接觸網(wǎng)、靜調(diào)庫(kù)DC 1 500 V 靜調(diào)電源柜提供DC 1 500 V電源。試驗(yàn)線接觸網(wǎng)、接觸軌以及靜調(diào)庫(kù)內(nèi)滑觸線、接觸網(wǎng)、靜調(diào)電源柜均不同時(shí)使用，即試驗(yàn)線和靜調(diào)庫(kù)內(nèi)同一時(shí)刻僅有一處需送電，故每段直流母線為試驗(yàn)線和靜調(diào)庫(kù)分別設(shè)置一路直流饋線，在試驗(yàn)線和靜調(diào)庫(kù)內(nèi)通過(guò)隔離開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)送電位置的切換，試驗(yàn)線接觸網(wǎng)和接觸軌隔離開(kāi)關(guān)以及靜調(diào)庫(kù)內(nèi)各隔離開(kāi)關(guān)間需設(shè)置電氣閉鎖，防止誤送電。該方式共設(shè)置直流饋線4 路。

該方式優(yōu)點(diǎn)：整流機(jī)組均為2 套12 脈波機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行，構(gòu)成等效24 脈波整流，減少對(duì)上級(jí)電網(wǎng)的諧波返送，電能質(zhì)量較高。整流機(jī)組負(fù)載范圍劃分明確，DC 750 V 和DC 1 500 V 機(jī)組容量可根據(jù)不同車型試驗(yàn)容量需求設(shè)置，2 種直流電源可以同時(shí)使用，試驗(yàn)線和靜調(diào)庫(kù)可以同時(shí)工作，供電靈活性高，用電限制少。

缺點(diǎn)：由于設(shè)置4 套機(jī)組、2 段直流母線，直流饋線數(shù)量多，設(shè)備投資最大。當(dāng)試驗(yàn)基地內(nèi)一段時(shí)間僅使用一種直流電源時(shí)，造成2 套機(jī)組閑置，存在系統(tǒng)安裝容量浪費(fèi)的情況。

圖1 方式一主接線圖

（2）方式二：該方式在方式一的基礎(chǔ)上減掉整流機(jī)組數(shù)量，主接線如圖2所示，設(shè)置DC 750 V和DC 1 500 V 整流機(jī)組（12 脈波）各1 套，均獨(dú)立運(yùn)行。直流母線及直流饋出線設(shè)置與方式一相同。

圖2 方式二主接線圖

該方式優(yōu)點(diǎn)：機(jī)組數(shù)量減少，節(jié)省一部分設(shè)備投資，同時(shí)能夠滿足DC 750 V 和DC 1 500 V 兩種直流電源的靈活需求。

缺點(diǎn)：由于DC 750 V 和DC 1 500 V 兩套機(jī)組均采用單臺(tái)獨(dú)立運(yùn)行，當(dāng)同一時(shí)刻僅有1 套機(jī)組投入運(yùn)行時(shí)，諧波含量較方式一大，電能質(zhì)量略差。同時(shí)存在當(dāng)一種直流電源不使用時(shí)機(jī)組閑置，造成容量浪費(fèi)的情況。

（3）方式三：主接線如圖3所示。設(shè)置DC 750 V 和DC 1 500 V 整流機(jī)組各1 套，僅設(shè)置一段直流母線，2 套整流機(jī)組直流出線側(cè)均接于該段直流母線上，共用直流母線及直流饋線，直流母線及直流饋線開(kāi)關(guān)絕緣等級(jí)按DC 1 500 V 考慮。2 套整流機(jī)組同時(shí)僅能投入1 套，即此時(shí)牽引變電所僅能為試驗(yàn)線和靜調(diào)庫(kù)提供一種直流電源。共設(shè)置直流饋線2 路，試驗(yàn)線通過(guò)隔離開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)接觸網(wǎng)和接觸軌的送電切換，靜調(diào)庫(kù)內(nèi)通過(guò)隔離開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)接觸網(wǎng)、滑觸線、靜調(diào)電源柜的送電切換。

該方式優(yōu)點(diǎn)：整流機(jī)組數(shù)量較方式一減少一半，直流饋線數(shù)量較前2 種方式減少一半，設(shè)備投資少。

缺點(diǎn)：DC 750 V 和DC 1 500 V 兩套機(jī)組同一時(shí)刻僅能有1 套投入運(yùn)行，系統(tǒng)為純12 脈波機(jī)組，諧波含量較前2 種方式多，電能質(zhì)量差。同時(shí)存在必有1 套整流機(jī)組閑置的情況。

圖3 方式三主接線圖

（4）方式四：主接線如圖4所示，直流饋線側(cè)與方式三相同，直流母線及直流饋線開(kāi)關(guān)均按DC 1 500 V 絕緣等級(jí)考慮，采用通過(guò)2 套DC 750 V機(jī)組串并聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)DC 750 V 和DC 1 500 V 兩種電源的輸出。設(shè)置DC 750 V 整流機(jī)組（12 脈波）2 套，2 套機(jī)組間通過(guò)電壓轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)（雙極電動(dòng)隔離開(kāi)關(guān)）相聯(lián)。2 套機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行時(shí)輸出DC 750 V電源，串聯(lián)運(yùn)行時(shí)輸出DC 1 500 V 電源。

該方式優(yōu)點(diǎn)：無(wú)論2 套機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行輸出DC 750 V 電源，或是2 套機(jī)組串聯(lián)運(yùn)行輸出DC 1 500 V 電源，2 套機(jī)組始終投入運(yùn)行，不存在機(jī)組容量閑置問(wèn)題，且2 套串聯(lián)或并聯(lián)運(yùn)行的機(jī)組相對(duì)交流中壓側(cè)始終為等效24 脈波整流，諧波含量少，電能質(zhì)量高。

缺點(diǎn)：DC 750 V 和DC 1 500 V 兩種電源不能同時(shí)使用，系統(tǒng)接線較前述方式略復(fù)雜。

圖4 方式四主接線圖

2.2 比選及建議

上述電源實(shí)現(xiàn)方式優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比如表1所示。

表1 4 種實(shí)現(xiàn)方式對(duì)比表

針對(duì)城軌車輛試驗(yàn)基地的電源需求特點(diǎn)，以上方式在采用過(guò)程中應(yīng)結(jié)合具體項(xiàng)目情況及項(xiàng)目投資進(jìn)行選擇。對(duì)于規(guī)模較小的試驗(yàn)基地，建議優(yōu)先選擇方式四，通過(guò)合理安排試驗(yàn)計(jì)劃避免同時(shí)使用2 種電源。當(dāng)基地內(nèi)設(shè)置多條試驗(yàn)線并且不同試驗(yàn)線存在同時(shí)試驗(yàn)的情況時(shí)，即試驗(yàn)線同時(shí)需要DC 750 V 和DC 1 500 V 電源時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選用方式一或方式二。當(dāng)?shù)胤诫娏Σ块T對(duì)變電所諧波要求較高時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選用方式一或方式四。當(dāng)試驗(yàn)線不同時(shí)需要2 種電源，但靜調(diào)庫(kù)需要2 種電源時(shí)，由于靜調(diào)庫(kù)用電負(fù)荷相較試驗(yàn)線小得多，簡(jiǎn)單采用方式一或方式二容易造成機(jī)組容量的浪費(fèi)，故應(yīng)考慮采用方式四和方式二結(jié)合的型式，此時(shí)方式四中2 套機(jī)組容量滿足試驗(yàn)線大容量要求，方式二中2 套機(jī)組容量?jī)H需滿足靜調(diào)庫(kù)需求即可。

2.3 工程應(yīng)用

根據(jù)城軌車輛試驗(yàn)基地直流電源需求，對(duì)于設(shè)置2 條動(dòng)調(diào)試驗(yàn)線、1 座靜調(diào)庫(kù)（含4 條靜調(diào)線）的試驗(yàn)基地，其中2 條靜調(diào)試驗(yàn)線不同時(shí)使用2 種電源，靜調(diào)庫(kù)可同時(shí)使用2 種電源。綜合考慮整體投資及電源使用靈活性，確定采用2 套DC 750 V機(jī)組串并聯(lián)為1.8 km和3.5 km兩條試驗(yàn)線提供DC 750 V 和DC 1 500 V 兩種電源，2 套機(jī)組容量滿足城軌車輛試驗(yàn)時(shí)最大功率，為2 條試驗(yàn)線分別設(shè)置一路直流饋線。為達(dá)到安全制動(dòng)以及抑制試驗(yàn)線接觸網(wǎng)或接觸軌電壓過(guò)高，在直流母線上設(shè)置再生能吸收裝置?？紤]到靜調(diào)庫(kù)靜調(diào)電源容量需求不大，且受每路外部電源容量限制等因素，考慮設(shè)置DC 1 500 V 機(jī)組和DC 750 V 機(jī)組各1 套，分別獨(dú)立運(yùn)行，滿足靜調(diào)庫(kù)2 種電源同時(shí)使用的條件。該基地的直流牽引供電方案如圖5示意。

圖5 車輛試驗(yàn)基地直流供電方式示意圖

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)城軌車輛試驗(yàn)基地的直流電源的實(shí)現(xiàn)方式，本文給出了4 種可行方式，在綜合分析每種方式優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，對(duì)設(shè)置2 條試驗(yàn)線和1 座靜調(diào)庫(kù)的試驗(yàn)基地提出了直流電源解決方案。通過(guò)對(duì)4種直流電源實(shí)現(xiàn)方式的比較分析可知，在工程應(yīng)用階段，應(yīng)綜合考慮項(xiàng)目投資、試驗(yàn)基地的生產(chǎn)組織模式以及工程外部制約因素等，權(quán)衡各方條件后合理選擇。此外，在確定方案時(shí)，應(yīng)結(jié)合工程遠(yuǎn)期需求，為工程遠(yuǎn)期擴(kuò)容改造預(yù)留好條件。

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