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編者按：本文主要從概述；牽引變電系統受流系統；地面再生制動系統；結束語，對磁浮列車再生制動系統進行講述。其中，主要包括：電壓等級、牽引變電所容量、主要電氣設備、交直流開關柜、整流器、中低速磁浮列車在國內外還沒有一條正式的運營線，對其供電系統的設計也只能參照目前城市軌道交通的供電系統來進行，因此對供電系統的電氣參數的計算沒有形成統一的技術要求，建設部正在組織有關參研單位進行中低速磁浮列車系統標準的制定。本文是根據筆者多年從事磁浮列車電氣系統設計及運行實驗經驗進行的初步探討，為日后中低速磁浮列車供電系統設計標準的制定及正式運營線路的設計提供參考，具體材料請詳見：
摘要：本文對中低速磁浮列車供電系統進行了系統的研究，包括供電電壓制式的選擇，受流方式的選擇，牽引變電所設計原則、負荷容量的計算方法及主要電氣設備，地面制動電阻的設計。
關鍵詞：磁浮列車；供電系統；受流系統；再生制動系統
0概述
磁浮列車是一種新型的非接觸式地面軌道交通運輸工具，其以高速、節能、安全、舒適、環保等優點越來越受到人們的關注。與傳統的輪軌式機車車輛不同，磁浮列車的支撐和導向力是由電磁吸力和電動斥力來提供的，它的牽引力是由線性電機產生的。磁浮列車的關鍵技術是牽引技術、懸浮導向技術和車輛結構技術，而安全、可靠、經濟合理的供電系統是實現磁浮列車安全可靠運行的重要保證和前提。
中低速磁浮列車供電系統包括牽引變電系統、受流系統和地面再生制動系統。
1牽引變電系統
1.1電壓等級
中低速磁浮列車的時速一般為100～200km，適合于城市公共軌道交通，其中包括市內交通、市郊交通、市中心至機場、城際交通。城市軌道交通的特點決定了中低速磁浮列車的牽引供電必須采用直流電流制，其電壓等級應選用國家推薦的DC750V或DC1500V。因此中低速磁浮列車采用交直流牽引變電所，其牽引供電方式與目前地鐵、輕軌廣泛使用的基本相同。
中低速磁浮列車作為一種新型的交通工具，其供電系統的電壓制式也同樣須考慮其先進、安全和節能等特性。DC750V供電電壓是一種非常成熟的電壓制，在國內外城軌的主要交通工具中（地鐵、輕軌等）得到了廣泛的應用，其供電設備、車載電器設備國內外都有許多十分成熟的產品。但其缺點是供電距離比較短（一般1km設1個變電站），供電電流比較大，投資費用高、占地面積大，而且線路消耗的能量也大，因此，目前國內外城市軌道交通已不再采用該電壓制式，而采用DC1500V供電以克服上述缺點。它的供電設備及車載電器設備國外產品非常成熟，國內也早已進行了開發研制，積累了許多經驗，并有一些成熟的產品。因此，磁浮列車作為一種現代城市軌道交通工具中的一員，它的供電電壓應選擇投資少、占地面積小且耗能低的DC1500V供電電壓制式。
1.2牽引變電所容量
正確合理地選擇牽引變電所的容量能夠節省建設用地和投資費用。對于正常運行的磁浮列車系統，其牽引變電所應由2路互為備用的獨立電源供電，即由2路互為備用的高壓進線系統，2路互為備用的整流變壓器、整流設備及相關的開關設備組成，以實現供電系統的不間斷供電。
在選擇牽引變電所供電設備容量時，全線只考慮有1個牽引變電所發生故障的情況。當正線牽引變電所任何1個發生故障時，其相鄰牽引變電所采取越區供電方式，擔負起該段磁浮列車的牽引供電負荷。此負荷應滿足遠期高峰小時負荷。牽引變電所的數量及其在線路上的位置，必須經計算確定，并滿足在事故狀態下單邊（或越區）供電時接觸網電壓的要求。
電氣設計最重要的就是確定系統的負荷容量。
由于磁浮列車是一項新技術，它與現有的其他軌道交通系統相比既有共性又有特性。磁浮列車的牽引供電系統的負荷由牽引系統負荷、懸浮系統負荷、牽引系統和懸浮系統輔助負荷及車站、維修基地、控制中心的動力、照明等負荷組成。
中低速磁浮列車的牽引變電所的負荷容量設計應按照列車運行峰值速度、彎道通過速度、坡道通過能力等目標來進行。其中，直線感應電機的牽引特性是根據額定能力來設置，其牽引力可用式（1）表示：
Fg=F-W′（1）
式中，F為直線電機的牽引力，W′為列車運行時的阻力，包括電磁阻力、受流產生的阻力和空氣阻力。根據磁浮列車的相關運行經驗，當額定速度為60km/h時，車輛所受由電磁鐵帶來的電磁阻力約為車重的5‰，并且隨著速度的變化基本趨于穩定；參考日本CHSST的運行經驗，受流產生的阻力為41.67N左右；空氣阻力可按式（2）計算：
式中，Cx為空氣阻力系數，取決于車體的外形，參照日本CHSST取值為0.443；ρ為空氣密度，取值為1.29kg/m3；S為車體最大橫截面積，取值為10m2；v為列車與空氣的相對速度。
動力負荷主要有懸浮系統輔助負荷及車站、維修基地、控制中心的動力、照明等，它的大小根據具體情況和試驗場地大小及要求而定。
1.3主要電氣設備
1.3.1變壓器
（1）整流變壓器。由于磁浮列車的直流供電電壓宜采用24脈波DC1500V，因此整流變壓器應采用2臺干式、戶內、自冷（帶風機）、環氧樹脂澆注的三繞組整流變壓器。2臺整流變壓器一次側繞組分別移相+7.5°和-7.5°?？蛰d變比：高壓/低壓/低壓為6kV/0.59kV/0.59kV，連接組別為Dy11-d0。
（2）動力變壓器。動力變壓器可采用干式、戶內、自冷（帶風機）、環氧樹脂澆注的三繞組整流變壓器，變比為6kV/0.4kV，連接組別為Dyn11。
1.3.2交直流開關柜
（1）交流開關柜。交流開關柜應根據進線電壓的不同選擇不同電壓等級的產品，具有完善的操作、維護和保護功能，滿足全天候運行的條件。斷路器具有可靠的電氣“防跳”功能，開關柜設“五防”保護。其交流開關柜的電壓等級分別為220，110，33，10和6kV。
（2）1500V直流開關柜。1500V直流開關柜應采用戶內型，具有標準防護等級的金屬封閉式結構，開關柜由一系列標準化單元組成，標準化單元根據設計要求組合成不同的基本小室。在這些標準化單元中設有操作設備、控制元件、測量元件、保護元件、母排、電源和輔助連接等，除完成當地控制、測量保護功能所需的必要元件外，還裝有為實現遠方監控所必需的各種轉換開關、數據傳輸所必需的接口設備。
1.3.3整流器
整流器是牽引降壓混合變電所的重點設備。整流器應具有內部短路保護功能，每個二極管串聯快速熔斷器，熔斷器帶有輔助接點，熔絲熔斷后，熔斷指示器可靠動作，并發出信號，作用于報警或跳閘。在整流器預測最高溫度的元件散熱器或銅母排上加設溫度繼電器，用于監視元件散熱器或銅母排的溫度，并發出信號。整流器具有過電壓保護功能，交流側設置過電壓RC吸收電路，防止交流側開關操作或變壓器感應產生過電壓損壞整流管，兼吸收整流管換相過電壓；直流側設置RC過電壓抑制回路和放電回路，防止直流快速開關動作時產生操作過電壓損壞整流管，并在整流器輸出端并聯壓敏電阻，抑制殘余的過電壓。除此之外，整流器還應具有外部短路保護功能，即當直流側短路，直流快速開關正常分斷時，整流器中硅元件及快速熔斷器均不損壞，如直流快速開關拒動，則由牽引變壓器一次側的交流斷路器開斷短路電流，整流器中的硅元件也不損壞。
2受流系統
目前，在城市軌道交通中，直流電通過供電軌和車載受流裝置為車輛供電。其受流方式主要有3種：上部受流、下部受流和側面受流。上部受流的優點是受電靴與軌的接觸狀況受小的彎道半徑的影響小，因豎曲線半徑一般較大，受流軌頭可以采用平面，對受流軌的加工難度降低。缺點是上部受流易在受流軌面上沉積塵土等雜質，這樣加劇受流軌面及受電靴的磨損，同時造成拉電弧形成燒蝕磨損；大雨雪氣候下易造成受流不穩。下部受流除具備與上部受流相同的優點外，其受流軌面朝下，不易積攢塵土、雨雪等雜物。缺點是受流裝置的安裝造成車輛下部限界增加，冰凍氣候下受流軌面形成的冰柱對平穩可靠受流會造成較大影響，受流軌對受電靴的壓力方向與車輛受到的懸浮方向相反，受電靴的運動故障易造成懸浮困難。側面受流的優點是受流軌面不易積攢雜質，受雜質干擾引起的磨粒磨損和電弧燒蝕磨損小，只要受流平穩，車輛懸浮不受受流器運動姿態的影響。缺點是在彎道上受流軌面需跟隨軌道梁的平曲線而形成曲線，彎道受流軌的加工難度大，彎道（特別是小曲率半徑的彎道）處受流軌的弧度對受流摩擦副的接觸狀況構成實質性的影響，受流靴的結構形狀與截面尺寸必須予以考慮。
綜合考慮各種因素的影響，中低速磁浮列車的受流方式應首先采用側面受流，這種受流方式已成功應用于日本磁浮列車、德國磁浮列車和重慶獨軌車的受流系統。
3地面再生制動系統
在城市軌道交通中，通過將制動電阻從車上移至地面，采用地面再生能量吸收裝置來吸收制動能量可以減輕車體的質量、降低牽引電能的消耗、降低車輛對線路的沖擊、減少車輛的噪聲。地面制動電阻的設計雖是供電系統的一部分，但它與車輛的運行密切相關，制動系統的設計將直接影響車輛制動性能的發揮和行車安全。采用地面再生能量吸收裝置是目前城市軌道交通中一種發展趨勢，我國重慶獨軌車和廣州地鐵4號線已取得了成功的應用經驗，并且其設備也是由國內生產廠家開發，因此對中低速磁浮列車來說，采用地面再生能量吸收裝置是一種行之有效的方法。
當磁浮列車處于制動時，其牽引直線電機處于發電機狀態，將列車的動能變換為電能。這部分電能除一部分消耗在直線電機和牽引逆變器本身外，還可以供給列車的輔助設備（如懸浮、空調、通風、空壓機等），其余大部分將回饋給直流供電網絡。其電機的制動過程分2步進行：
（1）再生制動。此時電壓保持為某一值，逐漸減小變頻器輸出頻率，使滑差頻率s＜0，能量通過逆變器回送至直流母線側，通過變電站的制動電阻或其他車輛的運行消耗掉這部分制動能量。為了得到較大的制動力，高速段保持電壓（功率）一定，隨著速度的不斷降低，制動電流逐漸上升。電流達到某一值時，保持電流恒定，電機進入基本恒制動力階段（由于邊緣效應影響，制動力稍微有點上升）。
（2）反接制動。當車速低至一定速度時，由于保持滑差頻率一定，不能繼續進行再生制動，大約從19km/h（5.3m/s）進入反接制動。反接制動時滑差s＞1，制動能量消耗在電機內部。本階段，制動電流保持一定，隨著速度進一步降低，電壓有所升高。反接制動最低可將列車速度降至4.4km/h。當電制動過程結束后，進入機械制動，將列車停于定點位置。
當列車處于制動狀態時，電機的能量需經牽引逆變器變換后供給車輛其他設備和回饋給直流供電網絡，根據能量守恒定理，可得到列車在制動速度V時回饋給直流供電網絡的電功率，即消耗于制動電阻上的電功率：
式中，ηA為逆變器電能轉換效率，ηB(V)為電機的效率，它由直線電機的速度-效率曲線決定，FB為列車的制動力，V為制動速度，V=VB0+at，VB0為制動時的初始速度，a為制動加速度。設UB為列車制動時輸入的直流電壓，則回饋給直流供電網絡的制動電流：
4結束語
中低速磁浮列車在國內外還沒有一條正式的運營線，對其供電系統的設計也只能參照目前城市軌道交通的供電系統來進行，因此對供電系統的電氣參數的計算沒有形成統一的技術要求，建設部正在組織有關參研單位進行中低速磁浮列車系統標準的制定。本文是根據筆者多年從事磁浮列車電氣系統設計及運行實驗經驗進行的初步探討，為日后中低速磁浮列車供電系統設計標準的制定及正式運營線路的設計提供參考。只有掌握中低速磁浮列車供電系統的全部技術要求，才能將中低速磁浮列車推向市場，為我國推廣磁浮技術提供強有力的技術支持和可靠的技術依據。
參考文獻：
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