电气自动化设备在城市轨道交通中的实践探究

1 电气自动化概述

电气自动化是将电子技术、计算机控制、信息处理与电力系统深度融合的综合性技术体系，其核心在于通过自动化控制手段实现对电力设备的精准监测、调节与保护。在现代工业与基础设施建设中，电气自动化不仅提升了系统的运行效率与可靠性，更通过智能化管理实现了资源的优化配置。在城市轨道交通领域，电气自动化技术贯穿于供电、牵引、信号、通信及环境监控等各个子系统，构成了整个轨道交通网络的“神经中枢”。其典型特征表现为高集成度、强实时性与良好的可扩展性。通过 PLC（可编程逻辑控制器）、SCADA（数据采集与监视控制系统）以及智能传感器等设备的协同工作，电气自动化系统能够实现对列车运行状态、供电负荷、设备健康等关键参数的实时感知与动态响应，为轨道交通的安全、高效、节能运行提供了坚实的技术基础。

2 城市轨道交通使用电气自动化技术的要求

城市轨道交通系统运行环境复杂，具有高密度、高负荷、全天候运行的特点，这对电气自动化技术提出了严苛的要求。首先，系统必须具备高度的可靠性与冗余设计，确保在任何工况下均能稳定供电，避免因设备故障导致列车停运或安全事故。其次，电气自动化系统需具备强大的实时响应能力，能够对瞬时负荷变化、短路故障或电压波动做出毫秒级反应，保障牵引供电的连续性与稳定性。此外，随着“双碳”目标的推进，节能降耗成为轨道交通建设的重要考量，电气自动化设备需在满足功能需求的同时，最大限度降低系统损耗，提升能源利用效率。最后，系统应具备良好的可维护性与智能化运维能力，通过远程监控、故障诊断与预测性维护，降低人工干预频率，提升运营效率。因此，城市轨道交通对电气自动化技术的需求，不仅体现在功能实现层面，更延伸至系统整体的经济性、安全性与可持续性。

3 电气自动化在城市轨道交通中的实践应用

3.1 双向变流器控制系统的应用

传统牵引供电系统多采用单向整流装置，能量流动方向固定，无法实现再生制动能量的有效回收。而双向变流器控制系统则突破了这一局限，其核心在于采用全控型电力电子器件（如 IGBT），实现能量在直流牵引网与交流电网之间的双向流动。当列车处于制动状态时，牵引电机转变为发电机，产生再生电能，双向变流器可将这部分电能逆变为交流电并回馈至电网，供其他列车或站内设备使用。这一过程不仅显著降低了能耗，还减少了制动电阻的发热损耗，延长了设备寿命。在实际应用中，双向变流器通过与列车运行调度系统的协同控制，能够根据线路负荷动态调整能量回馈策略，实现最优节能效果。例如，在列车密集到发的高峰期，系统优先将再生电能供给邻近加速列车，减少对外部电网的依赖；而在低峰期，则将多余电能回馈至城市电网，参与电网调峰。这种智能化的能量管理机制，使双向变流器成为现代轨道交通节能体系中的关键节点。

3.2 节能变压器技术的应用

变压器作为轨道交通供电系统中的重要环节，其运行损耗直接影响整体能效水平。传统油浸式或普通干式变压器在空载和负载状态下均存在较大的铁损与铜损。节能变压器技术通过优化铁芯材料、改进绕组结构及提升冷却效率，显著降低了运行损耗。例如，采用高导磁硅钢片或非晶合金材料制作铁芯，可大幅降低空载损耗；而通过合理设计绕组匝数与截面积，优化电流密度分布，则有效减少了负载损耗。此外，部分节能变压器还集成智能温控与负荷调节功能，可根据实际运行负荷动态调整冷却风机运行状态，避免“大马拉小车”现象。在城市轨道交通中，节能变压器多应用于牵引变电所与降压变电所，其长期运行带来的节电效益极为可观。以某地铁线路为例，全线更换为节能变压器后，年节电量可达数百万千瓦时，相当于减少数千吨二氧化碳排放，充分体现了电气自动化设备在绿色交通建设中的实践价值。

3.3 高压级联型 SVG 控制装置的应用

城市轨道交通供电系统中，牵引负荷具有强烈的非线性与冲击性，易导致电网电压波动、功率因数下降及谐波污染等问题。高压级联型静止无功发生器（SVG）作为一种先进的动态无功补偿装置，能够实时、连续地调节系统无功功率，维持电压稳定，提升电能质量。其工作原理基于多电平逆变技术，通过级联多个 H 桥功率单元，输出接近正弦波的电压波形，实现对无功电流的精准补偿。相较于传统的电容器组或 TCR（晶闸管控制电抗器），SVG 具有响应速度快（毫秒级）、补偿精度高、占地面积小等优势。在轨道交通应用中，高压级联型 SVG 通常安装于牵引变电所或主变电站，实时监测系统电压与无功需求，动态输出容性或感性无功，抑制电压闪变，改善功率因数。尤其在列车频繁启停的区段，SVG 可有效平抑负荷波动，保障供电系统的稳定运行。同时，其内置的谐波抑制功能还能滤除部分高次谐波，进一步提升电能质量，为敏感电子设备提供清洁电源。

3.4 非晶合金牵整流干式变压器的应用

非晶合金材料因其独特的原子排列结构，具备极低的磁滞损耗与涡流损耗，是制造高效节能变压器的理想材料。将非晶合金应用于牵引整流干式变压器，不仅继承了干式变压器防火、防爆、免维护的优点，更在节能方面实现了质的飞跃。非晶合金铁芯的空载损耗仅为传统硅钢片变压器的20%-30% ，这对于长期处于轻载或空载状态的牵引变压器而言，节能效果尤为显著。在城市轨道交通中，牵引整流变压器负责将交流高压电转换为直流牵引电，其运行时间长、负荷波动大，因此降低其空载损耗对整体能效提升具有重要意义。非晶合金牵整流干式变压器通过优化磁路设计与绕组结构，确保在高次谐波电流作用下仍能保持低损耗运行。同时，其干式结构避免了油泄漏风险，适用于地下车站等封闭空间，提升了系统安全性。实际运行数据表明，采用非晶合金变压器的牵引变电所，年均节电率可达15% 以上，且设备寿命更长，维护成本更低，是电气自动化技术在轨道交通领域实现安全与节能双赢的典范。

4 结语

电气自动化设备在城市轨道交通中的深入应用，标志着轨道交通系统正朝着智能化、高效化与绿色化方向稳步迈进。从双向变流器实现能量的高效回馈，到节能变压器降低系统运行损耗；从高压级联型 SVG 保障电能质量稳定，到非晶合金变压器实现材料与工艺的双重突破，每一项技术的应用都体现了电气自动化在提升系统性能、优化能源利用方面的核心价值。这些实践不仅增强了城市轨道交通运行的安全性与可靠性，更在节能减排、降低运营成本方面取得了显著成效。电气自动化技术的持续创新与深度融合，已成为推动城市轨道交通可持续发展的关键动力。

参考文献

[1]电气自动化技术在城市轨道交通中的应用[J].高胜才.时代汽车,2023

[2]轨道交通行业中电气自动化技术的应用[J].王谊.科技视界,2022(25).

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