新型智能交通降耗供电系统研究

  微轨交通系统是一种新型智能交通系统，采用立柱和高架轨道梁，是一种全线悬挂在空中的轨道交通系统，其将轨道和车辆悬挂在高空空置的空间中，相比

于常规轨道交通，能够高效利用人们日常生活中的活动空间，并有效地缓解地面交通的拥堵问题。与常规公交、轨道交通等其它公交方式错位发展、互为补充，是其他公共交通方式的有益补充和完善，在人性化、环境匹配、建设周期和成本等方面具有突出的优势。

微轨车辆以电力作为动力来源，在轨道梁内部两侧各安装了一根滑触线，滑触线与微轨交通系统供电电源连接，微轨车辆走行部两侧各有一个受流器，受流

器与滑触线接触进行受电。由于受流的要求，滑触线是裸露的，为 了 保 证 安 全，不能给滑触线施加较高电压，只能用常用的电压等级２２０Ｖ 供电。但是随着线路的增长和微轨车辆的增多，线路压降非常严重，且滑触线线 路 损 耗 严 重，造成很大的能源浪费。因 此 需 要研发设计一种微轨供电系统来减小线路压降和线路损耗。

本文针对微轨交通系统用电特点，提出了一种降耗供电系统，该系统能够显著降低微轨供电损耗，同时保证供电安全性，且易于检修维护。

１ 当前供电系统的缺陷

微轨车辆通过走行部悬挂在轨道梁 上（图１），电力作为车辆运行的动力来源，供电系统是车辆安全可靠高效运行的关键之一，现有微轨交通系统供电方式

为内置滑触线供电。

内置滑 触 线［１－３］的 方 式 是 在 轨 道 梁 内 固 定 滑 触线，在微轨车辆的走 行 部 上 设 置 受 电 刷，电 刷 与 滑 触线接触进行受电，其示意图见图２。微 轨 供 电 系 统 见图３，配电装置从公用电网将电压转换为２２０Ｖ 后 给轨道 梁 的 滑 触 线 供 电。轨 道 梁 全 长 两 侧 设 置 滑 触线，滑触线的长度是轨道梁长度的 ２ 倍。随 着 线 路增长，滑触线电阻增 大，离供电点较远端的滑触线上的电压 下 降 严 重，且滑触线线损 显 著。滑 触 线 电 阻约为０．０６Ω／ｋｍ，每辆微轨车辆 功率为 ２．５ｋＷ，功率因数为０．８，每公里约行驶２０辆微轨车辆，假 设 车辆均匀分布，则２ｋｍ 的线路末端电压降幅约为６８．２Ｖ，降幅 约 为 ３１％，线路功率损耗为 ２５．８ｋＷ，占 所有车辆功率的２５．８％，电压降和功率损耗非 常 严 重，且随着线路增长损耗将更加严重，影 响 微 轨 车 辆 的正常工 作，同时造成巨大的能源 浪 费。除 了 损 耗 以外，线路中的滑触线 在 中 间 部 位 出 现 故 障 时，故 障 点之后的滑触线将失 去 电 源，且滑触线在轨道梁内部，不易维修维护，供 电 可 靠 性 较 低。线 路 为 单 相 供 电，影响供电电源的三相电流平衡。

２ 降耗供电系统

降低线路损耗的方法通常是提高供电电压，而由于轨道梁内部空间较小，滑触线为裸露，为了保证安全性，不能直接提高滑触线的电压等级。因此在设计新的供电系统时需要考虑三方面的问题：在提高电压等级的情况下保证供电的安全性、提高供电可靠性、降低三相不平衡度。

２．１ 保证高压安全性设计

为了降低微轨供电线路的损耗，需要提高微轨供电电压，但是滑触线的电压不能提高，因此设计绝缘高压电缆作为主线路。滑触线电压不能提高，为了减小滑触线上的损耗，则需要将滑触线进行分段供电，因此设计小容量 单 相 变 压 器 将 绝 缘 电 缆 的 高 压 转 换 为 低压，对各段滑触线进行供电，小容量变压器就近设置在分段滑触线旁边，减小低压线路的长度。高压主线路分段供电系统见图４。

为了提高滑触线给微轨车辆的供电电压，同时保证安全性不变，设计小容量变压器与滑触线的连接方式（图５）。单相变压器高压侧通过高压开关连接高压主线路，低压侧通过低压开关连接滑触线，变压器低压侧绕组从中间接出端子，该端子接地，绕组两端分别接出２个端子，分别与２根滑触线连接，绕组两端的对地电压为 ＡＣ２２０Ｖ，这 样 滑 触 线 对 地 电 压 不 变，安 全 性不变，微轨车辆的供电电压升高了１倍。车辆的供电电压变为 ＡＣ４４０Ｖ，依 旧 处 于 低 压 范 围，只 需 要 改 变车辆整流变压器变比即可与供电系统相匹配。整流变压器体积和成本很大程度上取决于变压器容量，在车辆功率不变的情况下，整流变压器体积和成本基本不变，对车辆本身影响很小。

２．２ 提高供电可靠性设计

为了提高供电可靠 性，在 每 段 滑 触 线 之 间 设 置 联络开关（图６），任何一台小容量变压器发生故障时，故障变压器对应的滑触线都可以通过相邻的滑触线进行供电。除此之外，任何一段滑触 线 故 障 不 影 响 其 他 滑触线的供电，高压线路在轨道梁外部，更换维修方便。

２．３ 降低不平衡度设计

为了降低供电不平衡度，设计高压主线路为三相电缆，相邻小容量变压器高压侧三相的连接相序是顺序变化的（图７）。每段微轨线路的负载相对均衡，从而保证供电的三相平衡。由于对滑触线进行了分相，相邻段的滑触线之间是电气绝缘、不连续的，中间有一小段无供电区域，车辆在经过该区域时利用车辆本身的蓄电池提供动力，无供电区域很短，不影响车辆的行驶。

２．４ 降耗效果

高压线路损耗：相同功率下，电压降百分比和功率损耗值均与供电电压的平方成反比，因 此 在 三 相 高 压主线路上的电压降百分比和功率损耗值约为原来滑触线的（０．２２／１０）２，约为１／２０００，可以忽略。

若采用原供电系统，设滑触线电阻约为ＲΩ／ｋｍ，每辆微轨车辆功率为 ＰｋＷ，功率因数为ｃｏｓθ，滑触线供电电压为ＵｋＶ，每公里约行驶ｘ 辆微轨车辆，车辆均匀分布，则长度为Ｌｋｍ 的滑触线线路末端电压降 ΔＵ 和线路功率损耗 ΔＰ 的计算公式见式（１）、（２）所示。

ΔＵ ＝ Ｐ·Ｌ·ｘｃｏｓθ·Ｕ ·２Ｒ２ｘ＋ ∑Ｌ·ｘｉ＝２

Ｐ·（Ｌ·ｘ＋１－ｉ）ｃｏｓθ·Ｕ ·２Ｒｘ（１）

ΔＰ ＝ Ｐ·Ｌ·ｘ （ ） ｃｏｓθ·Ｕ２·２Ｒ２ｘ＋∑Ｌ·ｘｉ＝２Ｐ·（Ｌ·ｘ＋１－ｉ）（ ） ｃｏｓθ·Ｕ２·２Ｒｘ （２）

通过应用本降耗供电系统，若将Ｌ （ｋｍ）的滑触线分为ｎ 段供电，则 Ｌ （ｋｍ）的 滑 触 线 线 路 末 端 电 压 降ΔＵ 和线路功率损耗 ΔＰ 的计算公式见式（３）、（４）。

ΔＵ ＝Ｐ·（Ｌ／ｎ）·ｘｃｏｓθ·２Ｕ ·２Ｒ２ｘ＋∑（Ｌ／ｎ）·ｘｉ＝２

Ｐ·［（Ｌ／ｎ）·ｘ＋１－ｉ］ｃｏｓθ·２Ｕ ·２Ｒｘ （３）

ΔＰ ＝ｎ· Ｐ·（Ｌ／ｎ）·ｘ ［ ］ ｃｏｓθ·２Ｕ２·２Ｒ２ｘ＋ｎ· ∑（Ｌ／ｎ）·ｘｉ＝２

Ｐ·［（Ｌ／ｎ）·ｘ＋１－ｉ］［ ］ ｃｏｓθ·２Ｕ２·２Ｒｘ （４）

根据式（１）、（２）、（３）、（４）计算，２ｋｍ 线 路 用 降 耗供电系 统 分 成４段 供 电，与原供电系统相比降耗效果见表１，可以看出降耗供电系统对于减小电压降和功率损耗的效果显著。

采用降耗供电系统，与原系统相比，２ｋｍ 线 路 功率损耗降低２５．４ｋＷ·ｈ，每 天 运 行８ｈ，用 电 费 用１元／（ｋＷ·ｈ），则每年可节省电费约７万元，且能够保证电压稳定，降低交通车辆的故障率，降低车辆维修成本，减少滑触线发热，降低滑触线维修成本。采用降耗供电系统主要投资是高压线路、分段所用的变压器及其附属开关等，２ｋｍ 线路约增加投资８万元，仅从电费节省角度看，投资回收期为１年零２个月，而每年节约的车辆和滑触线维修成本也能超过投资成本，对于更长的线路，投资回报更加可观。

３ 结论

针对微轨智能交通现有供电系统线路损耗大的问题，提出了一种降耗供电系统。该系统由高压主线路、单相变压器、低压滑触线和低压联络开关等组成。该系统具备以下特点：

（１）高压主线路采用三相绝缘电缆，保 证 高 压 线路的安全性；

（２）滑触线分段供 电，每 段 滑 触 线 就 近 由 一 个 单相变压器进行供电，减小低压线路长度；

（３）变压器输出侧输出相反的两相电压给滑触线供电，增大滑 触 线 给 车 辆 的 供 电 电 压，同 时 安 全 性 不变；

（４）单相变压器高压侧与高压主线路 Ｔ 接，且相邻变压器高压侧三相的连接相序顺序变化，降低三相不平衡度；

（５）段间采用低压 联 络 开 关 联 络，提 高 供 电 系 统的可靠性和可维护性。

该供电系统能够有效减小线路损耗，保证三相电流的平衡和系统的可靠性，投资回报较为可观。