技术报告│城市轨道牵引供电技术研究
“2016第三届轨道交通供电系统技术大会”演讲报告图文版已在“电气技术”微信（微信号：dianqijishu）上陆续发布，请感兴趣的读者扫描下方二维码，进行关注阅读。
演讲人刘炜（西南交通大学副教授）
（本文根据“2016第三届轨道交通供电系统技术大会”演讲PPT编辑而成）
一、城市轨道牵引供电研究团队介绍
刘炜，西南交通大学副教授，系副主任。博士，田纳西大学/ABB美国研发中心博士后。一直从事牵引供电系统理论分析、建模仿真领域的研究工作。研究方向为牵引供电系统理论，城市轨道牵引供电系统仿真，再生制动能量利用、有轨电车无接触网供电。主持国家自然科学基金青年基金、主研铁总科技开发计划重点项目等多项国家级、省部级和企业横向课题。担任成都地铁公司等技术专家。
（1）轨道交通供电设计仿真平台
城市轨道直流牵引供电计算仿真平台DCTPS：十一家轨道交通设计院和轨道交通企业使用；
城市轨道继电保护整定设计平台RelaySet：城市轨道交流继电保护整定计算；
储能式有轨电车及供电系统仿真设计平台：海珠环岛线储能式有轨电车及其供电系统设计计算；
交流牵引供电仿真设计平台ACTPS：高速铁路、普速铁路牵引供电系统设计计算平台。
（2）城市轨道负荷过程检测
2013年，上海地铁3号线、4号线牵引变电所实测数据分析；2013年，成都地铁1号线、2号线主所负荷过程测试；2014年10月，上海地铁3号线长客列车牵引和制动能耗测试；2014年12月，上海地铁4号线长客列车牵引和制动能耗测试；2015年7月，成都地铁1号线、2号线主所、牵引所、降压所负荷过程测试。
2015年9月，成都地铁停车场、车辆段杂散电流与正线钢轨电位测试；2015年10月，成都地铁4号线供电系统不同运行方式负荷过程测试，SVG投切负荷过程测试；2015年11月，成都地铁400V不同类型动力负荷过程测试；2016年5月，成都地铁1号线、2号线主所SVG投切负荷过程测试；2016年10月，成都地铁3号线负荷过程检测；2016年10月，铁四院、昆明地铁400V负荷过程测试。
（3）钢轨纵向电阻、钢轨过渡电阻、排流网电阻和钢轨扣件绝缘测试
2016年7月，成都地铁建设公司建立——成都地铁钢轨纵向电阻、钢轨过渡电阻、排流网电阻和钢轨扣件绝缘测试方案；中铁五局集团有限公司成都地铁7号线轨道工程114.677km钢轨过渡电阻、钢轨纵向电阻及排流网电阻检测。
中水十三局成都地铁4号线二期工程轨道1标21km钢轨过渡电阻、钢轨纵向电阻及排流网电阻检测；中铁二局工程有限公司4号线二期轨道2标21km钢轨过渡电阻、钢轨纵向电阻及排流网电阻检测。
二、城市轨道逆变回馈装置的系统优化设计
（1）列车再生制动能量到底有多少？
（2）回顾：列车牵引、制动负荷过程
（3）列车运行过程监测
（4）能耗测试统计结果
（5）含逆变回馈装置的城市轨道交直流混合潮流计算
a）城市轨道牵引变电所建模
整流机组正常工作时，逆变回馈装置关断。
当线路上列车再生制动的能量不能被邻近列车吸收时，剩余再生制动能量引起牵引网网压升高，超过整流机组空载电压，整流机组关断。
当网压继续升高超过逆变回馈装置启动电压阈值，逆变回馈装置工作。
b）整流机组的潮流计算模型
交直流接口模型
c）逆变回馈装置的潮流计算模型
交直流接口模型
d）控制方式
定直流侧节点电压Ud和交流侧节点电压Us控制，此时逆变回馈装置工作在吸收剩余再生制动能量，稳定牵引网网压状态；
定直流侧节点电压Ud和交流侧Qs控制，此时逆变回馈装置兼顾补偿无功功率；
定交流侧Ps和交流侧Us控制，此时需要吸收的再生制动功率超过了逆变回馈装置的过载能力，逆变回馈装置工作在最大能力运行状态。
e）交直流交替迭代
f）Case Study
g）不同逆变回馈装置启动电压
h）不同发车对数对节能效果的影响
（6）逆变回馈装置节能效果
（7）逆变回馈装置系统优化设计的工程应用步骤
步骤1：假设全部牵引所安装逆变回馈装置的情况，针对初期运量，进行全日所有发车对数情况下的供电仿真。计算每个所日回馈能量kWh。
步骤2：优化逆变回馈装置的布点。根据步骤1中得到的结果，合并节能指标不明显的逆变回馈装置安装位置，优化逆变回馈装置布点。
步骤3：按照步骤2的逆变回馈装置选址方案，针对初期运量，进行全日所有发车对数情况下的供电仿真。计算每个所日回馈能量kWh，计算逆变回馈装置优化选址方案的投资回报周期。
（8）城市轨道地面再生制动能量利用装置的系统优化配置研究
国家自然科学基金资助（项目号：51607148）
研究内容：地面再生制动能量利用装置的供电计算模型；研究含地面再生制动能量利用装置的城市轨道交直流混合潮流计算方法，研发仿真计算平台；城市轨道地面再生制动能量利用装置的选址和容量优化模型的建立与求解；从实测和计算两个角度研究再生制动能量利用装置的节能效果评估方法。
（9）逆变回馈装置系统优化设计
（10）逆变回馈装置的系统设计
日回馈能量作为评价指标、方案整体评估；
在哪里设置？并非间隔设置最好；
逆变回馈装置的投入和切除电压对节能效果影响大；
逆变回馈装置安装容量设计是否考虑临近逆变回馈装置解列；不考虑临近逆变回馈装置故障，故障时列车机械制动；
逆变回馈装置安装容量设计不考虑逆变回馈装置的过载率；
额定容量如何确定间歇工作时间的反馈功率最大平均有效值。
（11）其他
逆变回馈装置的成本应该包括：直流开关柜、交流开关柜、隔离干式变压器、逆变回馈柜，甚至预留土建成本。
节能效果评估的其他方式，节能效果该如何定义？能源分享模式谁来评估和监管？
逆变回馈装置应避免过多反馈本来能够被邻近车直接利用的再生制动能量。
逆变回馈装置的供电系统设计需要更多进步。
三、城市轨道杂散电流、过渡电阻与轨地电位
（1）车辆段和停车场成为杂散电流收集的“池塘”
杂散电流从正线到停车场、车辆段的路径：A、杂散电流收集网（主排流网、辅助）；B、架空地线；C、电缆内铠、电缆支架等；D、大地
天府三街/五街OVPD接入点——降压所地网——A、C、D——临近牵引所地网——A、B、C、D——停车场共用接地极——库内钢轨——单导——正线牵引所负母线
（2）杂散电流与钢轨电位问题
当列车在单导处停车时，车体与单导并联，成为杂散电流回流路径。
天府三街、天府五街钢轨电位限制装置长期接地，停车场收集正线杂散电流(高达765A)。
（3）回流系统电气参数检测
a）钢轨对排流网过渡电阻与钢轨纵向电阻检测的意义
工程要求：钢轨要求对排流网、大地绝缘安装；钢轨每25m焊接或者通过鱼尾板胀钉连接一次；将钢轨道床钢筋每12.5m通过95mm2电缆连接组成主排流网。
影响：钢轨的纵向电阻受钢轨自身电阻、轨缝焊接电阻和鱼尾板连接等因素影响；钢轨对排流网、钢轨对地的过渡电阻对杂散电流有着直接的影响。
GB 50157-2013地铁设计规范；EN50122-2(IEC62128-2)。
b)施工单位和电务公司因检测方法不明确、缺少专用设备、具体方案实施困难等一些列问题，未真正意义上实施这方面的测量
c)标准中明文规定的3Ω*km~15Ω*km现在是一纸空文
d)钢轨对排流网过渡电阻限值(既有线3Ω*km，新线15Ω*km)：既有线钢轨受粉尘、油污、碎屑等污染，过渡电阻低；含出入段线部分的钢轨对排流网过渡电阻低；新线受施工现场金属碎屑、杂物堆积、人员施工干扰、隧道内潮湿等影响。
e）钢轨纵向电阻检测
钢轨纵向电阻在36.5mΩ/km~37.5mΩ/km之间；闪光焊焊接工艺焊接钢轨使得钢轨纵向电阻的增长0.492%；其他使得钢轨纵向电阻增大的因素：多根回流电缆同时集中在某处焊接，钢轨电流的方向交变。
f）排流网电阻检测
排流网指标的制定：设计院的要求；实际的结果：85mΩ/km~95mΩ/km，最初制定100mΩ/km；样本数据，排流网电阻增大至120mΩ/km。
g）正线钢轨对排流网过渡电阻检测
h）既有线钢轨过渡电阻检测
开通一段时间后的轨道，不冲洗，受粉尘、油污、金属碎屑等影响，过渡电阻低：某地铁南延段世纪城-天府五街1.8Ω*km；
刚开通的轨道，经冲洗干燥后，轨道环境干净，过渡电阻在20~50Ω*km之间：某地铁3号线；
靠近车辆段、停车场出入段线处钢轨对排流网过渡电阻很低：出入段线无砟轨道过渡到碎石道床，钢轨绝缘关节安装在碎石道床上。
I）首次在成都地铁建立钢轨纵向电阻、钢轨过渡电阻、排流网电阻和钢轨扣件绝缘测试方案和规范：
中铁成投签订三号线全线、一号线南延段过渡电阻检测合同；
中铁五局集团有限公司成都地铁7号线轨道工程114.677km钢轨过渡电阻、钢轨纵向电阻及排流网电阻检测合同签订；
中水十三局成都地铁4号线二期工程轨道1标21km钢轨过渡电阻、钢轨纵向电阻及排流网电阻检测合同签订；
中铁二局工程有限公司4号线二期轨道2标21km钢轨过渡电阻、钢轨纵向电阻及排流网电阻检测合同签订。
成立中测瑞尔维轨道交通电气检测联合实验室。
回流系统电气测试：钢轨纵向电阻、排流网电阻、钢轨扣件绝缘、钢轨对排流网过渡电阻。
四、总结
含逆变回馈装置的城市轨道交直流混合潮流计算；
逆变回馈装置优化设计的工程应用方法；
理性评估逆变回馈装置的节能率；
杂散电流问题成为轨道交通行业通病；
钢轨电位实测与计算差别较大；
钢轨纵向电阻、排流网电阻建议由施工单位抽样监管；钢轨对排流网过渡电阻检测方法可应用于新线（每5年一次）和既有线的钢轨绝缘性能检测。