市域快轨双制式供电的牵引主回路及高 压设备研究.doc

市域快轨双制式供电的牵引主回路及高 压设备研究欧阳瑞璟中车长春轨道客车股份有限公司摘要：市域快轨双制式供电能有效连接城市轨道交通和干线铁路体系，充分发挥交、直 流供电系统各自的优点，在市郊区域有较大的优势和发展前景首先根据交、直 流供电系统的特点，提出整合交、直流供电车载牵引系统方案;然后介绍主电路 的配置、受电弓，以及高压检测、保护装置等器件本身针对双制式供电进行的适 应性更改;其次，具体介绍牵引变流器中四象限整流器，中间直流环节，逆变器 和滤波电抗器的优选方案，辅助逆变器的布置、变压器隔离的方案和变流器冷却 方式的选择;最后，提出对牵引电机在冷却方式、功率、质量和外形尺寸方而的 基本需求关键词：市域快轨;双制式供电;牵引主冋路;高压设备;双制式受电弓；作者简介：欧阳瑞璟，男，硕士，高级工程师，主要从事市域快轨车辆电气总体 研发,ouyangrui jing@cccar・ com・ cn收稿日期：2017-01-18Traction System Main Circuit and High-voltage Equipment for Regional Express with Dual-Mode Power SupplyOUYANG RuijingCRRC Changchun Railway Vehicle Co., Ltd.;Abstract：The regional express w ith dual-mode pow er supply, w ith the advantages of both AC and DC pow er supply systems, can effectively connect the urban rail and the main railw ay line systems, having great development prospects in the suburban areas. Firstly， Based on the characteristics of tow pow er supply systems, this paper puts forw arc! the scheme of integrating AC and DC pow er supply traction systems, and then introduces the configuration of the main circuit and the adaptive modification of the pantograph, the high voltage detective, protective devices for the dual -mode pow er supply systems- Secondly, the scheme of the four-quadrant rectifiers, DC links, inverter and filter reactors in the traction converter is introduced in detail, and the integration of the auxiliary converter and the iso1ation-1ransformer program and the choice of converter cooling mode are mentioned. Finally, the basic requirements for traction motors in terms of cool ing modes, pow er, w eight, and dimensions are presented.Keyword：Tegional express; dual-mode pow er supply; traction system main circle; high-voltage equipment; dueil-mode pow er supply pantograph;Received： 2017-01-18因为历史原因，欧洲干线铁路有4种主要的供屯制式:DC 1.5 k V和3k V,八C 15 k V和25 k Vl]_o多流制的技术，首先在有泛欧洲运行需求的电力机车和电动 车组上发展起来。

我国电气化干线铁路有后发优势，实现了统一的AC 25 k V供电制式，但双/多 流制车辆在国内干线铁路鲜有需求近几年，随着特大城市和卫星城、远郊县之 间通勤需求的逐步增长，功能定位上衔接干线铁路和城市轨道交通（采用DC 1 500 V或DC 750 V供电）的市域铁路正在快速发展，与之相配套的适应AC 25 k V或DC 1.5 k V市域双制式的车辆有潜在的大量需求1供电制式的选择近十年來，在轨道交通领域，交流传动牵引技术占主导地位，车载牵引系统按 供电制式分为交一直一交系统和直一交系统，分别在干线铁路和城市轨道交通 系统中有集中应用但是如果突破车载范畴，而从电力系统、牵引变电所和车载 牵引系统综合考虑，以上两种系统的原理是完全一致的，详见图1显而易见， 接触网和受流系统将整个系统分为地面和车载两部分，通常我们关注的供电制 式的选择问题，实质上就是综合技术和经济等方面因素考虑，对地面和车载分 界线位置的综合比选的过程图1交流、直流供电系统电气原理比较Fig. 1 Comparison of electrical principle of AC and DC power supply system 下载原图经济方而，主要考虑供电系统+车辆总成本和线路土建成本。

线路服务区域人口 密度是影响供电制式选择经济方而的最根本因素，如图2所示，人口密度提高 时，直流供电系统的总成本相对降低，交流系统相对提高，反之亦然图2线路服务区域人口密度对交流、直流供电系统造价影响关系Fig. 2 Influence of population density on the cost of AC and DC power supply system 下载原图技术方面，主要受直流供电系统弓网受流\仏（车辆最高运行速度）＜160 km/h 的限制［2］综上所述，在城市轨道交通（V..X120 km/h）,直流供电有良好的经济性，占主 导地位;在城际、干线铁路（v环〉160 km/h）,交流供电的技术性和经济性全而 占优而市域铁路对应的是距离中心城区50、80 km, v唤介于120 km/h"160 km/h 之间，在一小时通勤圈内的市郊区域是交、直流供电过渡区双制式市域列车可 以有效衔接以上两种供屯制式，从中心城区一站式直达市郊区域，在经济和技 术方而有效地综合了两种供电制式的优点，有较大的优势2双流制牵引系统如何将车载交一直一交和直一交牵引系统有效地整合在一起，是双制式车辆产 品化的关键因素。

通常有如下3个方案［3］方案1:完全独立的两套系统如果在车辆上同时安装两套完全独立的受流系统 和牵引系统，分别适应交、直流供电系统，技术上是成立的，但车载系统设备利 用率太低，受安装空间、质量及成木的限制，没有产业化的意义方案2:独立的受流系统，共用牵引系统的直一交部分以交流受流弓+交一直一 交牵引系统为基础，选择其中间肓流环节的电压等级与育流供电系统接触网的 屯压等级相同，增加直流受流弓，将接触网直流电流引入中间直流环节，使两 套牵引系统共用直一交部分，详见图3图3双制式供电牵引系统（独立受电弓）Fig. 3 Dual mode power supply traction system diagram （separate pantogragh） 下载原图由于欧洲不同国家对接触网供电电压、弓网配合关系和弓头限界有着相对独立的 要求，单一受屯弓往往很难同时满足，所以欧洲多流制机车的车顶上会分别安 装交流、直流多种受电弓111方案3:共用受流系统及牵引系统直一交部分近年来，由于满足双流制受流的 受电弓的出现，使共用受流系统成为可能，如图4所示，除了切换装置、直流母 线外，双制式系统和单纯交一直一交系统已经没有明显的差别，设备利用率已 达到最高。

图4双制式供电牵引系统（共用受电弓）Fig. 4 Dual-mode power supply traction system diagram （shared pantogragh） 下载原图在交流系统运行速度不高，且直流系统对弓头尺寸要求不苛刻的前提下，有满 足要求的受屯弓产品对应方案3双制式受屯弓的应用有诸多优势:首先，可以 减少受电弓的数量，有效减小了对车顶安装空间的要求;其次，在未知供电制式 的情况下，可先升弓，然后再根据对网压制式的判断，选择供电回路，进而取 消方案2中防止不同制式受电弓误升方面的保护;第三，因为供电系统转换车站 系统复杂，经济性不好，市郊线路很少采用，更多选取路上特定的双制式 转换区，利用车载转换开关在通过两种制式之间的无屯区时进行动态切换的方 式进行转换共用受电弓，可在转换过程中不升降弓，避免高速动态升弓过程中 弓网接触力过大的问题方案3是推荐的方案，图5是对方案3牵引系统主回路的细化图5双制式供电牵引系统详细原理Fig. 5 Dual-mode power supply t raction system 下载原图3高压设备双制式牵引系统，在牵引变压器（交流回路）和变流器（直流回路）之前，有 相应的高压器件。

若交流供电电压高，则绝缘距离和爬电距离大，根据铁路总公 司针对国内雾霾情况的特殊要求，均按满足185 k V雷电冲击来设计，外绝缘距 离大于320 mnio若直流供电系统电压低，则主要考虑大电流的问题3.1双流制受电弓 为了同时适应交、直流供电系统的特点，以干线铁路使用的交流受电弓为基础进 行适应性修改，仍然使用交流绝缘子，满足交流系统的高绝缘;采用交流受电弓 弓头外形，满足交流系统较大的网线拉出值，同时满足交、直流限界要求；弓头 上安装多根浸金属滑板，同时增加各组件之间跳线的线径，以满足直流供电下 较大的车辆静态和动态电流，虽然因此加大了弓头质量，使弓头随网性变差， 但在最高车速不超过160 hn/h时，这种改变还不足以使离线率、电弧能量等儿 个性能指标超出标准要求;沿用交流受电弓常采用的气囊作为升降弓驱动元件， 保持较好的随网性；由电压互感器输出的供电制式信号控制气路阀板调整受电弓 升弓冋路气压，得到不同的弓网静态接触力直流供电吋，电网电流大，弓头质 量大，随网性不好，离线率高，电弧能量高，电损耗大，适应较低速度，机械 损耗相对低，电磨耗相对高，所以可适当加大静态压力，EN50338标准国_要求 其值为120 N,以减小接触电阻。

交流供电时，电网电流小，弓头质量小，随网 性好，电损耗相对低，机械磨耗相对高，适应速度高，同时因为动态接触力大, 宜适当减小静态压力，鉴于最高运行速度不高，可考虑静态压力略高于标准要 求的 70 N[5]o3. 2转换开关因为选择两种制式共用受电弓，系统需要设计转换开关，实现在交、直流回路之 间的切换交流系统既有的高压隔离开关是两位单通路，在分位置，连接杆输出 端悬空，电路断开;在合位置，形成一条通路，接通交流为了实现交、直流切 换，在原有悬空位置处增加输出触点，形成了原有交流通路以外的第二条直流 通路，成为两位双通路交、直流转换开关产品，外形详见图6,当然两个回路之 间需要满足交流的绝缘距离图6转换开关Fig. 6 Main switch drawing 下载原图绝缘子高度满足交流绝缘距离，转动杆和触点的载流量满足直流供电时的大电 流（高达2 000 A）,转换开关和高压隔离开关一。