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摘要：随着研究的不断深入，大负荷牵引情况下直流供电系统杂散电流等问题对城市建设的影响不断显现。同时，直流系统所亭多、投资大也不利于地铁的进一步运用。本文对地铁直流供电系统现状进行了分析，并对建设交流供电系统的可能性提出了一些看法与建议。
关键词：地铁；交流；牵引供电
1地铁供电系统
1.1地铁供电系统的发展
自1903年英国利物浦地铁使用电力作为牵引动力以来，地铁供电技术的变化和革新就一直伴随着隧道的不断掘进而变化。地铁牵引供电系统伴随着科技的进步，其供电方式也发生着不断的改变。目前，新建成的地铁项目中绝大多数选用DC750V、DC1500V接触网或接触轨的供电系统。
1.2地铁牵引供电系统的基本结构
以新建成的南宁地铁1号线为例，其采用了DC1500V，简单悬挂接触网供电的模式。全线设有2个中心变电站，14个牵引变电所，27个降压变电站。
地铁采用的变压器由两部分组成，即移相变压器和整流机组。移相变压器负责将通过供电线路从中心变电站输送而来的35kV三相电降压。降压后，直接进入整流机组，整流为直流的十二脉冲波形。
为改善整流装置的高次谐波对电网、通信等设备的影响，目前地铁牵引供电系统中广泛使用等效24脉波整流电路，每个脉波相差15°的相位角，如图1所示。
图1移相变压器原理图与向量图
直流供电系统虽然具有网侧3/5/7次谐波小的优点，但因其特点而产生的杂散电流危害影响较大。
2地铁杂散电流
2.1杂散电流的成因
在理想情况下，走行轨的电阻RR应为0，走行轨对大地的泄漏电阻RT为无穷大。此时，从接触网上取流IT与轨回流IR相等，所有的电流都回流到变电所。但因现实中，，因此，存在杂散电流：（1）
杂散电流的存在，对地下布满管线的城市的影响尤为巨大。根据法拉第电解第一定律可知道，有[2]：
（2）
根据（2）式，按照10min车辆追踪时间，每天96列列车经过，每列杂散电流100A，通过时间为1min，对于铸铁水管一年可腐蚀掉60.7kg。而且由于管道一般为合金管或纯度不高的金属材质制成，因此，其中难免会形成不同杂质与金属之间的电池效应，从而加快管道的腐蚀速度。
虽然目前大量采用复合材料管线代替原有的金属材质管线，但建筑、桥梁基础中的钢筋、各种供电设备的接地、天然气管道、供暖管路等仍无法用复合材料制成。因此，杂散电流的影响仍不可忽视。
2.2杂散电流常用的防治手段
杂散电流的防治可通过以下几种渠道实现：
（1）采用杂散电流收集网收集杂散电流。通过将道床内的结构钢筋的电气通路导通，使其成为杂散电流收集的主要渠道[3]。
（2）涂抹绝缘材料。在隧道内或管线外涂抹绝缘涂层达到防腐蚀的效果。
（3）预埋特殊阳极材料，使其代替管线被腐蚀。
（4）将走行轨进行绝缘处理，使，从而使杂散电流能绝大多数通过走行轨回流到变电所内。
但（1）方案中牺牲了道床的安全性，结构钢筋将长时间受到腐蚀，不利于地铁运行安全。（2）、（3）作为被动方式，其日常运行中难以实时进行监控，存在隐性安全隐患。（4）方案的一次性投资和后期维护成本都较高。
3地铁交流牵引供电技术初探
3.1交流供电的优势
采用交流供电的优势在于供电能力强，不存在杂散电流的影响。同时，建设费用低，能满足大运量、快速起停的要求。与直流供电相比，虽然交流电需建设电分相，因地铁采用的电压较低，可采用结构相对简单的分段绝缘器作为分相。同时，目前地铁采用的变压器大多为D,Yn11型变压器，采用交流供电后，可采用V/V或V/X接线方式，大大提高功率因数，同时降低能耗。
3.2电压的选择
地铁交流供电可用的电压等级为3kV、6kV、10kV、25kV等。考虑到地铁隧道净空越小越好，同时也是为了降低成本，3kV交流供电是地铁供电较好的选择。
目前国内较为常见的电力机车/动车组开关器件（如HXD1/CRH2）主电路均采用3.3kV/1200A的IGBT元件，中间回路电压3kV左右，可稍加改进直接应用于地铁列车。而采用6kV及以上供电等级设备不仅要重新设计机车主变压器，而且对机车整体的绝缘也要重新设计考虑。
3.3经济性分析
地铁牵引供电在建设方面，因各牵引变电所的供电距离较短，因此需布置大量的牵引变电所。同时，列车频繁制动造成了能源的浪费。
在机车功率不变的情况下，按照电压降的方式计算线路供电长度有：
（3）
（4）
式中设交流电压降与直流电压降相同，在接触网结构不变情况下，线路单位电阻相同时，3kV交流系统较1.5kV直流系统供电能力提高4倍。因此，牵引所的建设数量可减少75%。按两座主变电所，32.3km线路设计情况下，交流3kV与直流1.5kV供电系统相比，可节省初期项目投资30.46%[4]。
同时，因交流系统可通过再生制动减少电能损失，加上V/V变压器的功率因数达到0.95以上，预计年节省力率罚款及电费近百万元。
4结论
地铁作为城市交通的重要组成部分，对缓解城市道路交通压力、减少碳排放具有重大意义。地铁使用交流牵引供电系统因其无杂散电流，效费比高，可有效的降低对市政设施、电网设备的影响等固有特点，对进一步降低碳排放，保护环境可持续发展具有重要建设意义。
参考文献
[1]谢方,冯晓云,黄金,谢望玉.基于列车传动系统的24脉波整流供电系统仿真研究[J].机车电传动,2008(06):48-50+71.
[2]曹晓斌,吴广宁,付龙海,李增,任晓娜.地铁杂散电流的危害及其防治[J].电气化铁道,2006(04):32-34.
[3]ICotton,Charalambous.Str增加aycurrentcontrolinDCmasstransitsystems[J].IEEETransactionsonVehicularTechnology.2005,54(2):722–730.
[4]吴秋瑞,李群湛,刘炜.地铁交流供电方案探讨[J].铁道工程学报,2018,35(03):97-101+108.