《交通运输科学技术新成果推广目录》（２０２０）—第四部分装备《国家战略新兴产业示范线温州市域铁路同相供电技术装备与运用 》

本期项目简介

完成单位: 西南交通大学、 温州市铁路与轨道交通投资集团有限公司运营分公司、 成都尚华电气有限公司、 中铁十一局集团电务工程有限公司、 中铁第四勘察设计院集团有限公司

主要完成人: 李群湛、 吴越、 李红、 解绍锋、 曲行亮、 郭锴、 易东、 彭伟、 李子晗、 马向东、 汪自成、 谢清、 徐平平、 吴波、 李书谦

项目简介

　　(一)项目背景

　　与城市轨道交通普遍采用的直流牵引供电制式相比,单相工频交流制式具有结构简单、一次性投资少、运行维护方便等显著优点,但也存在不足,以下问题尤为突出:

　　(1)以负序为主的电能质量问题。列车为单相负荷,具有不对称性,其功率增大也使电能质量中的负序问题越发突出。

　　(2)电分相的无电区造成列车速度和牵引力损失问题。市域铁路车站间距小,列车启动和制动频繁,电分相造成的无电区严重影响列车运行安全,特殊情况下还容易造成列车坡停,酿成事故。电能质量问题和电分相问题,严重影响了市域铁路的安全运行,对电力和市域铁路的发展十分不利。为有效解决上述问题,借助现代电力电子技术和控制理论,实现电气化铁路同相供电和更高层次的贯通供电是必由之路。

　　(二)技术概况

　　创建了牵引变电所电气量通用变换理论,统一了牵引供电系统和电力系统的拓扑结构,奠定了同相供电和电能质量综合治理技术的理论基础。构建了同相供电技术体系,发明了基于单相变压器的组合式同相供电等关键技术,研制并应用了同相供电成套装置,实现了取消电分相、改善电能质量、提高供电能力和运输能力等目标。掌握了牵引网分段保护与测控、牵引负荷状态监测、接触网故障定位等关键技术,研发并应用了牵引网分段保护与状态测控系统,实现了负荷状态感知、故障正确定位和快速切除,解决了牵引网供电可靠性低、故障影响范围大、故障定位不准等问题。

　　(三)适用范围

　　同相供电技术适用于采用工频单相交流制的高速铁路、市域铁路、重载铁路、城市轨道交通等。

　　(四)获奖情况

　　(1)2020年,“新一代轨道交通牵引供电系统关键技术与应用冶获四川省技术发明一等奖。

　　(2)2019年,“电气化铁路组合式同相供电关键技术与应用冶获中国铁道学会科技进步一等奖。

　　(3)2020年,国家战略新兴产业示范线温州市域铁路同相供电技术装备与运用,获中国交通运输协会科学技术进步二等奖。

　　(4)2017年,“轨道交通同相供电技术冶获中国城市轨道交通科技创新创业大赛总决赛一等奖

项目创新点

　　(1)提出并在市域铁路应用了单相组合式同相供电整体技术方案,实现了同相补偿容量最小化、牵引变压器容量利用率最大化的系统优化目标,以最小的投入同时解决了市域铁路交流牵引供电系统的电分相问题和电能质量问题。

　　(2)完成市域铁路单相组合式同相供电系统的工程建设,进行市域铁路单相组合式同相供电系统的工程化试验和验证。制定了装置级和系统级现场试验方案,验证了单相组合式同相供电技术原理、牵引变电所主接线、同相补偿装置控制策略和运行指标、同相补偿装置的备用方式及安全性和稳定性,证明了该技术对市域铁路的适用性。

　　(3)研制了不等边不等容Scott接线变压器和3~5MW电气化铁路用10kV及以下同相供电变流器,开发了配套的牵引匹配变压器和成套保护装置。

　　(4)针对市域铁路运行组织特点和要求建立了单相组合式同相供电系统运营维护体系,实践验证了该系统的有效性,保证了市域铁路供电系统可靠运行。

　　(5)以温州市域铁路为基础,首次形成市域铁路同相供电装置技术规范,将同相供电技术纳入市域铁路设计规范和市域快速轨道交通设计规范,为市域铁路同相供电技术推广应用打下坚实基础。

同类项目比较

详见表 1。

　　单相组合式同相供电装置的成功研发,紧密契合了我国轨道交通建设的需要,实现了安全可靠、高供电质量、综合配置资源的牵引供电系统设计施工和运行维护,形成了一系列组合式同相供电技术和大容量电力电子集成技术等方面的自主知识产权,使我国继续引领轨道交通电气化与自动化研究领域和技术应用的发展。

应用案例

　　(一)“十一五冶科技部支撑计划重大专项课题“电气化铁路同相供电装置冶2007年10月,科技部在国家科技支撑计划重点项目“电力电子关键器件及重大装备研制冶中立项批准“电气化铁路同相供电装置冶课题。课题完成的电气化铁路同相供电装置于2010年10月28日在成(都)昆(明)铁路眉山牵引变电所成功投入试验运行(见图3),于2011年7月17日通过科技部组织的专家鉴定验收并得到了高度评价。

　　(二)山西中南部铁路通道

　　根据《中国铁路总公司关于组织开展高速、重载综合试验的通知》(铁总科技[2013]89号),为进一步增强铁路自主创新能力,提高我国铁路重载技术装备水平,选择山西中南部铁路通道沙峪牵引变电所供电范围内由西南交通大学牵头开展单三相组合式同相供电技术试验。2014年12月28日,“单三相组合式同相供电装置冶一次投运成功(见图4),标志着具有我国完全自主知识产权的同相供电技术及装备已进入了工程化应用阶段,为继续引领世界单相工频电气化铁路牵引供电技术又迈出了坚实的一步。

　　(三)温州市域铁路S1线

　　2014年9月,经国家发展改革委批准同意,温州市域铁路S1线一期工程装备研发项目正式列入国家战略新兴产业示范线工程,同相供电技术是4项重点示范内容之一(见图5)。温州市域铁路S1线一期工程是被列入“十二五冶国家战略新兴产业示范线工程的第一条轨道交通项目,也是温州市首个国家战略新兴产业示范项目,具有创新应用技术、自主化程度高、成长潜力大、综合效益好等特征,具有重大引领带动作用。

社会效益与经济效益

　　实测数据表明,单相组合式同相供电技术能够取消电分相,消除无电区,消除列车过电分相时失电、失速等对运营的影响,改善列车运行条件,保障行车安全,年均减少列车失电现象12万次,运输提速节约市民出行时间8郾3万小时;在两部制电价条件下,降低牵引变压器安装容量,提高牵引变压器容量利用率,节省了基本容量电费;扩大机车再生能量的吸收范围,提高牵引供电系统对再生能量利用率。避免牵引负荷产生电能质量方面不良影响,有助于铁路和电力事业和谐发展,实现双赢。显著提升我国轨道交通牵引供电技术水平和装备水平,促进我国同相供电及电力电子等配套行业生产制造与应用技术的整体进步。