轨道交通负电压回流直流供电系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及电气化轨道交通和电力电子直流变换技术领域，具体说是轨道交通负电压回流直流供电系统。
【背景技术】
[0002]世界各国的电气化轨道交通供电系统分为直流供电和交流供电两种方式。采用电气化线路的干线轨道交通(也称大铁路)，既有直流供电方式也有交流供电方式。采用电气化线路的城市轨道交通(包括地铁和轻轨等)，采用直流供电方式。干线轨道交通的直流供电系统，供电电压一般为3000V电压制式，城市轨道交通的直流供电系统，供电电压一般为1500V或750V电压制式。我国的城市轨道交通的直流供电系统两种电压制式都存在。北京和天津等早期修建地铁的城市，许多城轨交通线路的供电制式是直流750V ;而上海和广州等后期修建地铁的城市，城轨交通线路的供电制式是直流1500V。直流供电电压为1500V或3000V的轨道交通线路，往往用高架接触网作为给列车供电的馈电线路；而直流供电电压为750V的轨道交通线路，往往用受电接触轨(由于列车的走行轨一般需要两条，所以受电接触轨也称“第三轨”)作为给列车供电的馈电线路。
[0003]随着经济发展和社会进步，世界各国大中城市的交通拥堵问题日益严重，修建地铁或轻轨等城市轨道交通，已经成为各国普遍采用的有效解决途径之一。目前，我国已有三十多个城市开始兴建城市轨道交通。截止到2014年底，全国有21个城市运营有88条城市轨道交通，运营总里程2787.25公里。
[0004]无论干线轨道交通，还是城市轨道交通，只要是采用直流供电系统，到目前为止，除了新加坡的城市轨道交通采用第四轨作为回流线外，其他国家和地区基本上都是以列车的走行轨作为回流线(走行轨回流线)。这种采用走行轨回流线的直流供电系统普遍存在如下问题:
[0005](I)从列车返回直流牵引变电所的牵引回流，会通过走行轨对地绝缘不良的区域进入道床形成杂散迷流。杂散迷流会对走行轨、整体道床结构钢筋、隧道结构钢筋、桥梁钢筋以及城轨沿线的金属设备产生电化学腐蚀，进而影响城轨沿线各建筑结构和金属设备的使用寿命；
[0006](2)由于走行轨的钢材料电阻率比较大，因此当流过大电流时存在走行轨对地电位过高的问题，容易导致走行轨电位限制装置频繁动作。
[0007]此外，轨道交通直流供电系统中，再生制动能量利用并不充分，大量的再生制动能量被制动电阻以发热的形式消耗，不仅产生极大的浪费，在地下线路运行时还带来了隧道温升问题。因此，采用能量回馈装置或超级电容储能装置把再生制动能量回收起来再利用是目前解决这一问题的主要办法。但是能量回馈装置(能量回馈电网)涉及到许多工程实际问题，而超级电容储能装置占地空间太大。
【发明内容】
[0008]针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供轨道交通负电压回流直流供电系统，在传统直流供电系统基础上，增加了负电压回流线和实现负电压回流的直流变换器，采用负电压回流线替代传统直流供电系统中的走行轨回流线，可大幅降低或消除传统直流供电系统中存在的杂散迷流、走行轨对地电位过高带来的负面影响，能大大减小供电线路损耗，增大直流牵引变电所供电距离；同时，直流变换器可兼做列车再生制动能量的储能装置，用以提高直流供电系统再生制动能量利用效率并维持轨道交通直流供电系统的电压稳定。
[0009]为达到以上目的，本发明采取的技术方案是:
[0010]轨道交通负电压回流直流供电系统，其特征在于，主要包括:
[0011]两电平输出或三电平输出的直流牵引变电所1，正电压馈电线2，走行轨3，负电压回流线4、直流变换器5，
[0012]所述负电压回流线4沿着走行轨设置，
[0013]所述直流变换器沿着走行轨设置若干个，
[0014]直流牵引变电所为两电平输出时，连接方式为:直流牵引变电所I的正极端11连接到正电压馈电线2，直流牵引变电所I的负极端12连接到走行轨3，直流变换器5的高电位接线端子51连接到正电压馈电线2，直流变换器5的中电位接线端子53连接到走行轨3，直流变换器5的低电位接线端子52连接到负电压回流线4 ;
[0015]直流牵引变电所为三电平输出时，连接方式为:直流牵引变电所I的正极端11连接到正电压馈电线2，直流牵引变电所I的中点端13连接到走行轨3，直流牵引变电所I的负极端12连接到负电压回流线4，直流变换器5的高电位接线端子51连接到正电压馈电线2，直流变换器5的中电位接线端子53连接到走行轨3，直流变换器5的低电位接线端子52连接到负电压回流线4。
[0016]在上述技术方案的基础上，直流变换器5的电流从中电位接线端子53流入时，就从高电位接线端子51和低电位接线端子52同时流出；反之，直流变换器5的电流从中电位接线端子53流出时，就从高电位接线端子51和低电位接线端子52同时流入；高电位接线端子51到中电位接线端子53之间的电压值与中电位接线端子53到低电位接线端子52之间的电压值可以相等，也可以不相等，但相等为优先选择；当高电位接线端子51到中电位接线端子53之间的电压值与中电位接线端子53到低电位接线端子52之间的电压值相等时，高电位接线端子51和低电位接线端子52同时流入或同时流出的电流值也相等。
[0017]在上述技术方案的基础上，直流变换器5的数量和相邻两个直流变换器5之间走行轨区段的距离，由直流牵引变电所I输出电平数、供电线路的长度、列车负荷以及列车运行追踪间隔等因素决定；相邻两个直流变换器5之间或直流变换器5与直流牵引变电所I之间的走行轨区段上只允许一列车运行作为走行轨区段距离的优选。
[0018]在上述技术方案的基础上，若直流牵引变电所I为两电平输出时，当走行轨上有列车6运行时，
[0019]非最邻近直流牵引变电所I的直流变换器5，且该直流变换器5中电位接线端子53和走行轨3的连接点两边最邻近的走行轨区段上至少有一边走行轨区段上有列车6运行时，该直流变换器5把列车6传输到走行轨3上的电流通过中电位接线端子53输入变换为高电位接线端子51输出和低电位接线端子52输出两部分，其中:高电位接线端子51输出的那部分电流回馈给列车6，低电位接线端子52输出的那部分电流传输到负电压回流线4 ；
[0020]最邻近直流牵引变电所I的直流变换器5把其低电位接线端子52流入的负电压回流线4的电流和其高电位接线端子51流入的正电压馈电线2的部分电流变换为中电位接线端子53的输出电流，然后该电流直接返回到给列车6供电的直流牵引变电所I ;
[0021]非最邻近直流牵引变电所I的直流变换器5，且该直流变换器5中电位接线端子53和走行轨3的连接点两边最邻近的走行轨区段上都没有列车6运行时，则该连接点两边最邻近的走行轨区段上没有电流，该直流变换器5的三个接线端子也没有电流。
[0022]在上述技术方案的基础上，最邻近直流牵引变电所I的直流变换器5的中电位接线端子53连接到该直流牵引变电所I的负极端12后再连接到走行轨3时，当走行轨上有列车运行时，该直流牵引变电所I与走行轨3连接点两边最邻近的走行轨区段上的电流最小。
[0023]在上述技术方案的基础上，若直流牵引变电所I为三电平输出时，当走行轨上有列车6运行时，
[0024]直流变换器5中电位接线端子53和走行轨3的连接点两边最邻近的走行轨区段上至少有一边走行轨区段上有列车6运行时，该直流变换器5把列车6传输到走行轨3上的电流通过中电位接线端子53输入变换为高电位接线端子51输出和低电位接线端子52输出两部分，其中:高电位接线端子51输出的那部分电流回馈给列车6，低电位接线端子52输出的那部分电流传输到负电压回流线4后通过直流牵引变电所I的负极端12直接返回到直流牵引变电所I ;
[0025]直流变换器5中电位接线端子53和走行轨3的连接点两边最邻近的走行轨区段上都没有列车6运行时，该直流变换器5中电位接线端子53和走行轨3的连接点两边最邻近的走行轨区段上没有电流，该直流变换器5的三个接线端子也没有电流。
[0026]在上述技术方案的基础上，最邻近直流牵引变电所I的直流变换器5的中电位接线端子53和该直流牵引变电所I的中点端13分别连接到走行轨3上时，且该两个连接点之间的走行轨区段上有列车6运行时，该直流牵引变电所I的正极端11流过的电流和负极端12流过电流不相等。
[0027]在上述技术方案的基础上，所述直流变换器5包含有两组电容C51和C 52，
[0028]其中:电容C51连接在直流变换器5的高电位接线端子51和直流变换器5中电位接线端子53之间，电容C52连接在直流变换器5的中电位接线端子53和直流变换器5低电位接线端子52之间。
[0029]在上述技术方案的基础上，将直流变换器的电容C51和C52用超级电容或者电池等储能单元全部替代或者部分替代后，直流变换器5不仅起到了负电压变换的功能，还起到了列车再生制动能量存储的功能。
[0030]本发明所述的轨道交通负电压回流直流供电系统，在传统直流供电系统基础上，增加了负电压回流线和实现负电压回流的直流变换器，采用负电压回流线替代传统直流供电系统中的走行轨回流线，可大幅降低或消除传统直流供电系统中存在的杂散迷流、走行轨对地电位过高带来的负面影响，能大大减小供电线路损耗，增大直流牵引变电所供电距离；同时，直流变换器可兼做列车再生制动能量的储能装置，用以提高直流供电系统再生制动能量利用效率并维持轨道交通直流供电系统的电压稳定。
[0031]与已有技术相比，本发明有效克服了现有轨道交通直流供电系统中采用走行轨作为回流线所带来的杂散迷流问题，有利于提高轨道交通的建筑结构和金属设备的使用寿命，并有效降低走行轨对地电位过高的隐患；通过增加直流变换器及其负电压回流线，在无需增加现有机车绝缘等级的前提下，可有效增大供电线路的供电距离，降低直流供电系统线路的电流定额；另外，直流变换器中的电容用超级电容或电池等储能单元替换后，不仅起到了负电压变换的功能，还能兼作再生制动能量的储能装置，提高直流供电系统再生制动能量利用效率，而不必额外增加其他储能装置。
【附图说明】
[0032]本发明有如下附图:
[0033]图1(a)传统直流牵引供电方案一示意图，
[0034]图1(b)传统直流牵引供电方案一在一列列车运行时示意图，
[0035]图1(c)传统直流牵引供电方案一在两列列车运行时示意图，
[0036]图2(a)传统直流牵引供电方案二示意图，
[0037]图2(b)传统直流牵引供电方案二在一列列车运行时示意图，
[0038]图2(c)传统直流牵引供电方案二在两列列车运行时示意图，
[0039]图3(a)本发明方案一实施例一不意图，
[0040]图3(b)本发明方案一实施例一在一列列车运行时不意图1，
[0041]