高速铁路与概论论文

中低速磁浮列车供电系统研究

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。

与传统的轮轨式机车车辆不同，磁浮车辆的支撑和导向力是由电磁吸力或电动斥力以非接触的方式实现的；而其牵引力则由线性电机产生，线性电机的电磁力就是车辆的牵引力，因此磁浮列车的牵引力不存在接触黏着限制问题。磁浮列车的速度主要取决于线性牵引电机的型式与结构。考虑到实际需要和经济因素，一般中低速磁浮列车采用短定子线性感应电机驱动，高速磁浮列车采用长定子线性同步电机驱动。短定子是指将线性感应电机的初级绕组（即定子绕组）安装在车上，次级反应板（即转子）铺设在线路上。此时车辆的牵引功率需由接触网供电，通过接触受流方式将地面电能送到车上。由于这种牵引方式的供电系统存在“弓网”关系，车辆的速度受到一定限制，因此这种系统适于中低速运行，比如城市轨道交通。长定子是指将线性同步电机的电枢绕组沿线路铺设，励磁绕组安装在车上。由于这种型式的牵引功率是由地面电网直接送到沿线定子绕组的，不存在接触受流问题，因此适于高速运行。

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：

212a x D C v S ρ= (2)

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