提高地铁直流供电系统稳定性设计

提高地铁直流供电系统稳定性设计

刘涛

天津保富电气有限公司 天津市 300392

摘要：城市轨道交通牵引供电系统是城市轨道交通系统的重要组成部分，它为电力机车提供主要动力来源，是电力机车稳定运行的重要保障。按供电制式，主要可分为交流和直流。高铁普遍采用交流牵引供电系统，而地铁作为城市轨道交通的主要形式，都采用了直流供电制式。以地铁为代表的城市轨道交通，之所以采用直流供电，是因为地铁列车一般受限于列车编组、载客量、车型等因素，其负荷功率并不是很大；地铁线路一般为几十公里，所以沿线变电所的供电半径也不大，无需很高的电压就能达到供电要求；另外，采用直流供电相比于交流制供电，电压损失更小；此外，地铁线路多处于人员密集的居民区和闹市区等，其供电电压也不宜太高。基于以上原因，目前世界各个国家的轨道交通都采用直流供电制式，其电压都不是很高，一般在DC550～1500V之间。不同的交通形式，不同的发展历史时期造成了多个档级。国际上统一的供电电压为：DC600V、DC750V和DC1500V三种。其中DC750V和DC1500V为推荐值，南京地铁采用的是DC1500架空接触网供电形式。

关键词：地铁直流供电系统；稳定性；设计

引言

随着我国社会和经济的发展，地铁建设也迎来了高潮期。在很多城市中，地铁已经成了人们出行的主要交通方式之一。而其牵引供电系统作为地铁系统中的重要组成部分，对继电保护的要求很高，所以保证牵引供电系统继电保护配置的合理性、科学性对地铁安全运营至关重要。

1地铁牵引供电系统概述

1.1地铁供电系统

地铁运行过程中牵引供电系统的主要功能是保证地铁正常运行输送电能，地铁牵引供电系统中，直流供电系统由牵引变电站、架空接触网组成，由于与地铁直接相连，不易受到干扰且易于控制，在城市轨道交通中应用广泛。

1.2地铁供电系统牵引短路故障

地铁牵引供电系统发生短路故障时，由于地铁启动造成的电流变化异常比发生短路故障的电流变化时间长，馈线故障所引起的短路电流和地铁启动时的过电流也会相应变化，并且呈指数函数形式。线路末端发生短路故障时，电流变化量要大于启动时的电流变化量。当供电线路前端发生短路故障时，异常电流变化会更加明显，线路末端发生故障时，电流变化的最大值与地铁启动时的电流变化最大值相同，如果供电系统的馈线长度增加，线路末端发生短路故障时，短路电流变化率会减小。

1.3地铁直流供电系统迷流腐蚀

世界上绝大多数牵引供电系统都是以走行轨构成供电回路，地铁直流牵引供电也是如此，由于走行轨和大地无法绝对绝缘，所以必然会有一部分电流泄露到大地中，泄露进入大地的电流会因土壤的性质，地下金属物等，使得这部分电流分布很广，形成杂散电流，也称为迷流。迷流会对走行轨和地下金属物造成腐蚀。这部分电流在牵引变电所附近经走行轨流回负极柜。在牵引变电所的回流点处，杂散电流经大地流回变电所。当走行轨沿线下有金属导电物体时，大地中的杂散电流会沿着导体传播，到回流点附近再流经走行轨回到变电所，在回流点处的金属导体会形成阳极区，对大地电位为正，从而对阳极区附近的管道、水管、电缆、钢轨等造成严重的腐蚀。因此，迷流腐蚀防护对城市轨道交通系统稳定运行有着长远的意义。一般可以采取以下方法来防护。（1）增加走行轨和大地之间的绝缘，降低走行轨的电阻，确保回流系统畅通。（2）利用钢轨道床内的钢筋连接成收集网，统一回流至变电所。（3）缩短与相邻的变电所间距，减小回流路径。（4）加装排流设备，以消除影响。（5）技术创新，使用四轨供电方式，可以从源头上消除杂散电流。

2提高地铁直流供电系统稳定性设计策略

2.1控制系统特点

控制系统针对直流系统的供电方式，采用了太阳能新能源供电与市电互为辅助的供电模式，能降低系统耗电量；将传统的易老化、腐蚀的铅酸电池组改为免维护的锂电池组，在减少环境污染的同时，可降低电池老化等造成的安全隐患；针对系统安全，设计在直流储能环节和供电环节发生故障时能及时自动切除故障单元，并进行实时报警和远程通知；针对管理和维护，通过远程HMI或手机上的工业控制软件APP，使操作和管理人员实时得知各类数据，方便管理，同时帮助设备检修人员及时维修设备。

2.2具体实施方案

首先，针对国内目前能源紧张、地铁系统耗电量过大的情况，设计利用太阳能光伏发电为直流系统供电并与市电互为备用的模式。太阳能光伏板发电，是通过将4块光伏板及4个增压器组合、串联增压的方式，使得增压后的光伏板板组最终输出DC240V电压，以满足直流系统充电机及锂电池组对电压的要求（其中光伏板上每节电池片输出电压为0．5V，每块光伏板输出电压为36V，通过增压器增压后输出电压为60V）。针对直流系统内通常使用的铅酸电池组存在的难回收、高污染、频繁更换的问题，将其更换为免维护锂电池组。直流供电系统设计如图1所示。

图1直流供电系统设计图

其次，双电源系统供电设计为互为备用形式。图1中QF1、QF2为两路供电回路的电源开关，KM1、KM2为双路电源回路自动控制的切换设备（即当一路电源失电时，另一路自动闭合送电）。在正常供电时，太阳能光伏发电回路导通（QF闭合、KM1闭合），市电作为备用回路（QF2闭合、KM2断开）；当光伏发电故障并停电检修时，KM1接触器常闭干接点由开启转为闭合，进而控制KM2主回路闭合，此时市电回路导通，太阳能光伏发电作为备用。

再次，在电池储能环节，每块锂电池上加装机械式温度控制器。当任意一块锂电池产生电化学腐蚀或过热时，机械式温度控制器的干接点会立即动作，各温度控制器信号形成“或”逻辑关系进入PLC内，PLC发出报警信号。如果发生严重故障，即2块以上锂电池故障时，多个温度控制器的故障信号形成“与”逻辑关系进入PLC内，通过程序内逻辑运算后，PLC发出切除故障信号，实现即刻切除故障回路。本环节设计的最大特点是将温度控制器干接点信号、各主回路开关状态信号和接触器状态信号全部传入PLC柜内的DDI数字量输入模块，通过PLC柜内的CPU高速检测、分析及运算，可立刻发出报警信号和断开故障单元信号，最终隔离故障单元，从而确保系统的安全可靠。

最后，系统设计的远程通信方案如图2所示，包含3种途径和3种通信协议，可将现场设备的各类数据及状态更高效、快捷地传输到各数据平台和操作管理平台。PLC柜可通过RS－485通信，将数据、状态信号传至智能屏GZDW－2内，或通过工业以太网协议将数据传入HMI，还可与安装了工业控制软件APP的手机通信，将各类信息传输至手机APP并上传至云平台进行大数据分析。

图2远程通信设计图

结语

本文方案实施后，地铁直流系统稳定性显著提高，各类数据平台、网络云平台能最大限度发挥作用，电气管理上升到一个更为智能、高效、宽广的新层面。同时，对太阳能的充分利用，可大幅减少环境污染，最终实现能源的可持续发展。

参考文献

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