发布日期：2019-09-24 16:56:20
Abstract： Theregionalexpresswith dual-modepowersupply， with theadvantagesofboth ACand DCpowersupply systems， can effectively connecttheurban railand themain railway linesystems， having greatdevelopmentprospectsin thesuburban are- as.Firstly， Based on thecharacteristicsoftowpowersupply systems， thispaperputsforward theschemeofintegrating ACand DCpowersupply traction systems， and then introducestheconfiguration ofthemain circuitand theadaptivemodification ofthe pantograph， thehigh voltagedetective， protectivedevicesforthedual-modepowersupply systems.Secondly， theschemeof thefour-quadrantrectifiers， DClinks， inverterand filterreactorsin thetraction converterisintroduced in detail， and theintegra- tion oftheauxiliary converterand theisolation-transformerprogramand thechoiceofconvertercooling modearementioned.Fi- nally， thebasicrequirementsfortraction motorsin termsofcooling modes， power， weight， and dimensionsarepresented.
Keywords： regionalexpress； dual-modepowersupply； traction system main circle； high-voltageequipment； dual-modepower supply pantograph
因为历史原因，欧洲干线铁路有 4 种主要的供电 制式:DC1.5 kV和 3 kV，AC15 kV和 25 kV[1] 。 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 AC25 kV供电制式，但双 I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 DC1 500 V或 DC750 V供电) 的 市域铁路正在快速发展，与之相配套的适应 AC25 kV 或 DC1.5 kV市域双制式的车辆有潜在的大量需求。
1 供电制式的选择
近十年来，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。
经济方面，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面的最根本因素，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。
技术方面，主要受直流供电系统弓网受流 vmax（ 车 辆最高运行速度） <160 kmIh 的限制［2］ 。
综上所述，在城市轨道交通（vmax<120 kmIh），直流供电有良好的经济性，占主导地位；在城际、干线铁路（vmax>160 kmIh），交流供电的技术性和经济性全面占 优。 而市域铁路对应的是距离中心城区 50 ～80 km，vmax 介于 120 kmIh ～160 kmIh 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电制式，从中心城区一站式直 达市郊区域，在经济和技术方面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、质量及成本的限制，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， 选择其中间直流环节的电压等级与直流供电系统接触 网的电压等级相同，增加直流受流弓，将接触网直流电 流引人中间直流环节，使两套牵引系统共用直一交部分，详见图 3。
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，单一受电弓往 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［4］ 。
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。
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，有满足要求的受电弓产品对 应方案 3。 双制式受电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；第二，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，更多选取在线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电区时进行 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。
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军情况的特殊要求，均按满足 185 kV雷电冲击来设计，外绝缘距离大于 320 mm。 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 kmIh 时，这种改变还不足以使离线率、电弧能量等几个性能 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回 路气压，得到不同的弓网静态接触力。 直流供电时，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［5] 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] 。
3.2 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。
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样，需要无载分断，回路保护还 是由主断路器来实现。
3.3 检测装置
在直一交牵引系统中，网压不高，网压和网流的检 测设备通常设在列车下的牵引逆变器中；在交一直一 交系统中，网压高，设备多设在车顶。
电压互感器设置在受电弓和转换开关之间，可通过对电压的检测来控制转换开关在两路之间的切换。 在交流系统所使用的电压互感器的基础上，通过内部 并联电阻的方法，实现同时检测交、直流电压的功能。 电压互感器对网压的交、直流检测是对供电制式最直 接、最重要的判断依据，所以有非常高的可靠性要求， 需应用故障安全导向设计对输出信号是否正确做出判 断，必要时可与地面信号系统综合判断网压，以提高可 靠性。
网流的检测相对简单，可以应用交、直流现有的传感器，在转换开关下口的交、直流回路分别进行检测。
3.4 保护装置
虽然在受电弓和转换开关之间设置主断路器可以 有效降低交、直流供电错误接入直、交流回路的风险， 但是目前尚未找到可以同时满足 25 kV高压和超过 1 000 A大电流技 术要求的断路器， 因此， 在转换开关 后，仍然采用了真空断路器、高速断路器分别保护交、 直流回路（ 见图 5）。
同样，在转换开关后，分别接交、直流避雷器进行 大气过电压保护，同时在真空断路器和变压器之间再 设置一个交流避雷器，使设备免受牵引变压器分断时 产生的操作过电压的影响。
4 牵引变流器
交流供电系统实际就是将直流供电系统中牵引变 电所内的牵引整流变压器和牵引整流机组变成车载。 在车载系统中，习惯称为牵引变压器和四象限整流器。
车载与地面变压器除了结构和冷却方式因为运行 环境有所变化，容量上有所不同之外，没有其他技术上的区别，这里不做详述。
4.1 囚象限整流器
为了说明四象限整流器和牵引整流机组的区别， 先介绍四象限的概念。 “ 四象限” 解释为牵引系统可在 由电压和电流（ 分别为横、纵轴） 组成的平面坐标系内 的四个象限工作，电压的正负控制电机的转动方向，可 使车辆双向运行；电流的正负控制能量的流向，可使车 辆处在牵引和电制动两种状态。 很显然有再生制动的 车辆，车载牵引系统必须都是四象限工作的，所以作为 主要部件的逆变器和牵引电机是没有必要强调四象限 的。 但是在直流供电系统中，由于开关器件的成本和容 量方面的限制，牵引变电所内的牵引整流机组都是两象 限的，多为 24 脉冲二极管整流装置［6 7］ ，能量元法反馈 给上级交流电网，所以直流供电系统在车辆或者地面上 必须设置能量消耗或储存装置。 因为能量与速度的平方成正比，因此高速直流地铁都采用地面吸收的方式。 交一直一交牵引系统的变流器通常由四象限整流器、直 流环节和逆变器组成。 四象限整流器不仅可以实现能 量向电网反馈（可以不设大功率制动电阻），同时保证网 侧电流正弦化，且运行于单位功率因数［8］ 。
多重化载波移相技术，通过将独立的电流型 PWM 整流器进行并联组合（ 多重化），同时使每个整流器采 用相同的 PWM调制波，并将相位相互依次错开一个相 同的角度（ 载波移相），使四象限整流器输入电流的高 次谐波相互错开，并在变压器一次电流的谐波总量中 部分抵消，从而以较低的开关频率获得等效的高开关 频率控制，即在降低功率损耗的同时， 有效地提高了 PWM整流器的电流、电压 波形品质，从而有效吸收谐 波含量，而不另设硬件吸收装置。 多重化四象限的拓 扑图见图 7 中整流部分。
4.2 中间直流环节
中间直流环节电压等级的选择对于整个牵引系统 来说是至关重要的，因为是交、直流双制式系统，所以 选用直流供电（采用 1.5 kV） 作为中间电压是最简单和 经济的方案。 同时因为变流器功率小于 1.5 MW［9］ ，因 此也没必要选用高速动车组和大功率机车通常使用的 3 kV等级中间电压的体系。
直一交牵引系统需要配置单独的滤波电抗器来减 小网侧谐波；在交一直一交系统中可以用牵引变压器 绕组的等效电感替代整流器交流侧电感，所以现在少 有单独的电抗器。 同时虽然利用牵引变压器副边作为 直流供电回路的平波电抗器的方案在多流制机车中也 有广泛应用，从质量、空间、经济性角度有一定优势，但 主电路之间的切换较为复杂，变压器副边的参数还要 同时兼顾交流和直流回路的需求，所以选用保留单独的直流滤波电抗器的方案。
在变流器内为交、直流双制式供电分别设置各自 的预充电回路，直流回路设在滤波电抗器和中间直流 环节之间，交流回路设在一组四象限整流器和变压器 副边之间。
4.3 逆变器
IGBT模块遵循电压等级由小到大的次序逐渐 被 开发，并应用在车载逆变器上。 2.5 kV模块出现后，使 用它的三点式逆变器在 DC1 500 V供电牵引系统中有 大量应用（ 尤其在日本牵引系统中很常见），其主要优 点是输出电压波形质量好，相同功率下开关频率更低。 但是 3.3 kVIGBT问世后，其组成的两点式逆变器相比 前者减少了半导体器件、直流环节电容器、过电压保护 装置和电抗器，进而导致设备成本、外形尺寸和质量均 大幅削减。 综合比较，后者结构简单，可靠性高，经济 性好的优点更为突出。 两电平逆变器拓扑见图 7 中逆 变部分。
4.4 辅助逆变器 ＆ 充电机
在直一交牵引系统中，主（ 牵引） 辅（ 辅助） 逆变器均由网压供电，是分体还是一体在设计上比较灵活。
在交一直一交系统中，如果要实现过分相时辅助 逆变器仍可对车辆交流负载正常供电，则需要辅助变 流器从中间直流环节取电，利用牵引变流器电制动来 维持供电。 主辅一体的方案可有效减小箱体之间的连 线［10］ ，而且随着对车辆辅助系统冗余度要求的提高， 分体小功率的辅助并网供电是发展趋势，所以交一直 一交系统近年来更倾向于主辅一体的方案。
将整流、牵引、辅助逆变及充电机集成为一体，共 用中间直流环节和冷却系统，设备集成度高，可有效降 低设备的体积、质量和成本，尤其更适合本文所研究的
双制式牵引系统。
辅助逆变器中的重要器件一一一隔离变压器有中频 和工频两种方案，各有优势，前者在设备减噪、小型化、 轻量化（160 kVA辅助，减重 300 kg） 方面的优势，使其 在双制式牵引系统中有着广阔的应用前景。
4.5 冷却方式
变流器的输出功率与所采用的冷却方式密切相 关。 所使用的冷却方式为采用热管或铝散热器的自然 冷却、强迫通风冷却、沸腾冷却和水冷［11］ 。
走行风冷 ＋热管自然冷却和强迫风冷在城市轨道 交通中有广泛应用，而水冷的变流器因为能获得最大 的输出功率，所以特别适用于安装在机车和动车组的以持续功率长时间运行的变流器上［12］ 。
市域列车有近似于城市轨道交通列车频繁启停的 工况，适合使用强迫风冷这样热惯性小的冷却方式，从 而有效利用变流器的最大功率与持续功率的高比率； 也有机场和城市之间的通勤车等站间距较大的工况， 则更倾向于使用水冷这样热惯性大，过载能力小，但绝 对散热能力强的冷却方式。
5 电机
双制式车辆只有在地铁断面基础上研发才能最大 化地发挥其经济性优势，地铁客室地板面高度（1 130 mm 或 1 100 mm） 的限制决定了电机只能采用自通风冷却 方式（ 转向架枕梁部位无法像干线铁路车辆那样容纳 下强迫通风电机的风道）。 选用自通风电机中功率最 高的等级，持续功率在 260 ～280 kW 之间，可以满足牵 引性能要求，质量最好控制在 600 kg以下，转向架构架 的强度将受电机质量增重和全寿命运营里程变长两方 面影响，需要重点加强。 同时还需要考虑电机轴向尺 寸和轮盘制动兼容的问题。
6 结语
本文结合市域轨道交通系统的发展需求，根据交、 直流供电系统的特点，先通过优先采用共用受电弓和 牵引直一交部分的方案来整合交、直流车载牵引系统， 然后提出主电路的配置和对受电弓、高压检测、保护装 置进行的双制式适应性改造的方案。 牵引变流器则优 先采用载波移相技术的多重化四象限整流器、与直流 供电等级相同的 1.5 kV中间电压和最先进的两电平 逆变器，同时保留了单独的直流滤波电抗器；对于辅助 逆变器，将其整合进牵引变流器箱且采用中频变压器 隔离的方案，更适合双制式车辆设备轻量化和小型化 的需求；主变流器的冷却方式则需要根据线路特点在 强迫风冷和水冷两种方式中权衡。 阐述采用高功率的 自通风电机及其在质量、外形尺寸方面的控制。 综合 以上内容，从牵引系统可靠性、经济性、轻量化等方面 综合选定了双制式市域快轨牵引系统主回路配置和相 应高压设备的技术方案。
收稿日期， 2017 01 18 修回日期， 2017 09 18
作者简介， 欧阳瑞憬，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 Ing@cccar.com.cn
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