李 虎，陳秀芳，李 昕，吳命利

現(xiàn)代有軌電車牽引供電系統(tǒng)技術方案探討

李 虎，陳秀芳，李 昕，吳命利

基于我國最近幾年在城市地鐵供電系統(tǒng)的經(jīng)驗，結合有軌電車特點，探討了有軌電車牽引供電系統(tǒng)總體結構、中壓網(wǎng)絡、箱式變電所和遠程監(jiān)控系統(tǒng)等技術方案。

有軌電車；牽引供電系統(tǒng)；中壓網(wǎng)絡；箱式變電所；遠程監(jiān)控

0 引言

現(xiàn)代有軌電車是一種中低運量的城市軌道交通。與地鐵相比，有軌電車工程造價低、運行靈活、建設周期短，與道路公共交通相比，其具有運量大、運營速度快、耗能低、污染小的優(yōu)勢[1，2]。一般認為，有軌電車適合在中小城市用于承擔主城區(qū)內(nèi)部較大的客流，在大城市用于加強主城區(qū)與市區(qū)外圍地區(qū)、外圍新城區(qū)與工業(yè)發(fā)展區(qū)之間的聯(lián)系[3-4]。

牽引供電系統(tǒng)為有軌電車提供動力電能，是重要的基礎設施系統(tǒng)。牽引供電系統(tǒng)的安全、可靠工作對保障有軌電車的正常運行至關重要。與地鐵供電比較而言，國內(nèi)在有軌電車供電系統(tǒng)上的專門研究還相對較少。本文通過對國內(nèi)外現(xiàn)有城市有軌電車線路的調(diào)研，并結合城市有軌電車供電系統(tǒng)的技術需求和直流牽引供電技術現(xiàn)狀，對城市有軌電車供電系統(tǒng)技術方案進行了探討。

1 供電系統(tǒng)總體結構

1.1 供電方式

有軌電車供電方式有集中式、半集中式、分散式、混合式等不同形式。集中式需專門設置35 kV或以上電壓等級的主變電所，降壓后向牽引變電所統(tǒng)一供電；半集中式是指設置若干10 kV開閉所，由自建10 kV配電網(wǎng)向全線牽引變電所供電；分散式則由城市35 kV或10 kV變電所直接向沿線牽引變電所供電；混合式則介于集中式和分散式之間[5]。表1對集中供電方式和分散供電方式從供電質(zhì)量、供電可靠性、施工難易程度、供電系統(tǒng)對城市電網(wǎng)的影響等方面進行對比。

實際中有軌電車供電方式的選取受城市軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃、城市電網(wǎng)構成以及工程實際情況而定。不論是分散供電方式還是集中供電方式都應與供電部門協(xié)商，方案可行性研究報告應通過嚴格論證才可最終確定。在國內(nèi)，沈陽市渾南新區(qū)現(xiàn)代有軌電車采用10 kV分散供電方式，蘇州高新區(qū)有軌電車1號線采用10 kV半集中供電方式。

有軌電車供電系統(tǒng)供電質(zhì)量、供電可靠性等要求相對較高，有條件時，應當優(yōu)先采用集中供電方式或半集中供電方式；若10 kV電纜路徑困難，且城網(wǎng)10 kV電源點較多并能滿足供電要求時，也可采用分散供電方式。

1.2 饋電制式

目前，架空接觸網(wǎng)因其技術成熟、易于穿過平交道口、安全性高、維護經(jīng)驗豐富、造價低等優(yōu)點被國內(nèi)外大量采用，我國蘇州高新區(qū)、天津濱海新區(qū)、上海張江等有軌電車就采用DC 750 V架空接觸線饋電方式。在不宜架設架空接觸線，且具有專有路權的特殊線路，也可以采用第三軌供電。對于采用了電池組或超級電容的混合動力車輛，一般采用車站集中快速充電或電磁感應供電等無接觸網(wǎng)供電方式，如南京麒麟及河西的有軌電車采用蓄電池牽引技術，江蘇淮安、浙江寧波有軌電車采用的是超級電容供電。架空接觸網(wǎng)饋電制式除城市景觀效果較差外，其他方面都具有較大優(yōu)勢。在某些不能架設接觸網(wǎng)區(qū)段通常輔助以其他饋電制式以達到不同饋電制式優(yōu)勢互補，增強有軌電車運行的靈活性，如北京西郊線（連接主城區(qū)與香山的專用軌道），正線一般采用架空接觸網(wǎng)饋電方式，但香山站至植物園之間和頤和園西門站—巴溝站之間使用非架空接觸網(wǎng)的牽引供電系統(tǒng)（長度為4.4 km）。

為降低架空接觸網(wǎng)的視覺污染，可以從優(yōu)化接觸網(wǎng)結構件形式，減少架空電纜數(shù)量使接觸網(wǎng)與周邊環(huán)境相融洽，以達到美化城市景觀。在國外，如瑞典的斯德哥爾摩有軌電車供電系統(tǒng)采用輕便的簡單懸掛接觸網(wǎng)供電，與城市景觀十分協(xié)調(diào)融洽。

表1 集中供電方式和分散供電方式對比表

1.3 供電電壓

根據(jù)《城市無軌電車和有軌電車供電系統(tǒng)》（CJ/T 1-1999）（表2），系統(tǒng)直流標稱電壓為750 V或600 V（600 V為非推薦值）。同時國際電工委員會（IEC）、國際鐵路聯(lián)盟（UIC）和歐洲標準化委員會（EN）也都推薦使用DC 750 V。

表2 直流系統(tǒng)電壓一覽表 單位：V

目前，我國城市軌道交通供電系統(tǒng)的中壓網(wǎng)絡電壓等級主要采用35 kV和10 kV，20 kV電壓等級也在蘇州作為試點運行。電壓等級越高，則輸電容量越大、送電距離越遠。不過，有軌電車是中低運量的軌道交通，在具體實施中應結合實際工程條件，選擇合理的電壓等級?？紤]到我國中壓網(wǎng)絡以10 kV為主，并且10 kV能滿足有軌電車供電電能輸送需要，建議有軌電車線路中壓網(wǎng)絡優(yōu)先采用10 kV，只有當城市電網(wǎng)沒有10 kV時，才采用35 kV或20 kV。

因此，城市有軌電車線路牽引供電應采用DC 750 V，交流電源電壓宜采用10 kV。

2 中壓網(wǎng)絡結構及供電分區(qū)

2.1 中壓網(wǎng)絡結構

目前，國內(nèi)地鐵供電系統(tǒng)中壓網(wǎng)絡多采用雙環(huán)網(wǎng)結構。與大中運量的地鐵不同，有軌電車是中低運量的城市軌道交通。其牽引負荷小，動力照明負荷遠小于地鐵動力照明負荷（主要是箱式變電所所內(nèi)自用電）。為節(jié)約投資成本和簡化中壓網(wǎng)絡結構，國內(nèi)有軌電車工程中多采用具有接線簡單、高壓設備少、控制保護簡單、投資省的單環(huán)網(wǎng)結構，如圖1所示。電源牽引變電所從城網(wǎng)引入一路10 kV電源進線，并設二路出線至相鄰牽引變電所，相鄰牽引變電所通過單回電纜連接。

《城市無軌電車和有軌電車供電系統(tǒng)》（CJ/T 1-1999）規(guī)定交流母線一般采用單母線或分段單母線接線。一般情況下，在10 kV交流母線上分別配置變比10 / 0.59 / 0.59 kV的12脈波整流變壓器和10 / 0.4 kV的降壓變壓器各1臺。特別地，若方便引入城網(wǎng)配電變壓器低壓側電源，根據(jù)工程實際情況，也可將其引入作為變電所和車站備用電源。若受安裝空間限制但引入的低壓電源可靠性較高，為節(jié)省工程投資甚至可以取消設置降壓變壓器。

圖1 中壓網(wǎng)絡結構示意圖

2.2 供電分區(qū)

有軌電車供電系統(tǒng)中壓網(wǎng)絡供電分區(qū)劃分時應考慮如下因素：（1）線路電壓損失要求。中壓網(wǎng)絡應按列車運行的遠期通過能力設計，對互為備用線路，一路退出運行另一路應承擔其一、二級負荷的供電，線路末端電壓損失不宜超過5%。（2）滿足繼電保護的要求。（3）經(jīng)濟性要求。供電分區(qū)劃分越多，技術參數(shù)當然能滿足系統(tǒng)正常運行要求，但變電所饋出線開關柜間隔、饋出線電纜長度及變電所占地面積也相應增加，將直接增加建設投資成本。一般情況下，供電分區(qū)的劃分應在滿足規(guī)范要求電壓損失前提下，盡量減少供電分區(qū)數(shù)量，以節(jié)省工程投資。

3 箱式變電所

3.1 箱式變電所與站內(nèi)房屋式變電所

目前，國內(nèi)地鐵工程變電所多采用站內(nèi)房屋式變電所。地鐵牽引變電所一般與車站合建，土建面積一般約需300 m2。在工程中經(jīng)常使車站加長，大幅度增加車站建筑面積，且存在與土建專業(yè)難以配合等問題。對于地面和高架車站，房屋式變電所還會引起景觀問題?，F(xiàn)代有軌電車是中小運量的城市軌道交通，車站較為簡易，一般不單獨設置建筑房屋。有軌電車線路主要是城市地面線和少量高架線，不宜采用體積龐大的房屋式變電所。國內(nèi)有軌電車工程多采用布置緊湊，體積較小的箱式變電所。箱式變電所已在國外廣泛采用，如美國達拉斯地區(qū)的輕軌系統(tǒng)、圣地亞哥的地鐵系統(tǒng)。國內(nèi)天津市濱海新區(qū)有軌電車也采用了箱式變電所。

3.2 變電所選址

變電所選址應靠近負荷中心，鄰近線路布置，且滿足中壓網(wǎng)絡電纜壓降要求等。一般說來，變電所的位置離線路距離應控制在幾百米之內(nèi)。實際工程中，變電所就貼近線路布置。牽引變電所可根據(jù)線路條件高于地面、地下和高架橋下。地面和高架橋下的變電所應與城市規(guī)劃相協(xié)調(diào)，與城市環(huán)境相融洽，并考慮電纜引入、引出措施。

3.3 交直流接線

箱式變電所10 kV交流母線多采用單母線不分段接線方式，牽引變壓器和降壓變壓器均從同一段母線取得電源。DC 750 V直流母線也采用單母線不分段接線形式。

3.4 整流機組

考慮到有軌電車線路負荷相對較小，一般一個牽引變電所的安裝容量為630～1 500 kV·A。當城網(wǎng)供電容量較大（10 kV短路容量在牽引變電所安裝容量的50倍以上）、承受諧波能力較強，且公共連接點周邊沒有諧波敏感負荷時，可以采用12脈波單整流機組以節(jié)省投資，否則宜采用等效24脈波雙整流機組。

3.5 再生制動能量利用

有軌電車再生制動能量的利用主要有逆變和儲能2種方案。其代表技術主要有：逆變至中壓網(wǎng)絡、逆變至低壓負荷、蓄電池儲能、電容儲能和飛輪儲能。其中逆變至中壓網(wǎng)絡和電容儲能是最有應用前景的主流技術，目前也只有這2種技術在國際上得到一定規(guī)模的應用。2種方案的比較如表3所示?？芍瑢τ诩惺接熊夒娷嚬╇娤到y(tǒng)，可優(yōu)先采用逆變至中壓網(wǎng)絡的方式進行能量利用（在我國北京地鐵也已進入工程試運行階段，并有望很快推廣）。電容實現(xiàn)國產(chǎn)化后，也可采用電容儲能方案。對于分散式有軌電車供電系統(tǒng)，宜采用電容儲能方案。特別地，對于超級電容和蓄電池供電的有軌電車，只能采用車載儲能的方式利用再生制動產(chǎn)生的能量。

表3 2種主流技術比較表

4 遠程監(jiān)控系統(tǒng)

有軌電車遠程監(jiān)控系統(tǒng)，即SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）系統(tǒng)，目前，典型的電力監(jiān)控系統(tǒng)由4部分組成：位于控制中心的電力調(diào)度中心主站系統(tǒng)（即中央監(jiān)控系統(tǒng)）、位于變電所的遠程終端（RTU，即變電所綜合自動化系統(tǒng)）、通信網(wǎng)絡、位于供電維修基地的供電復示系統(tǒng)。SCADA系統(tǒng)主要針對變壓器，10 kV交流，750 V直流系統(tǒng)等完成遙信、遙測、遙控、遙調(diào)和遙視“五遙”功能。

5 結語

本文基于地鐵供電系統(tǒng)的經(jīng)驗，同時結合有軌電車本身的特點，探討了有軌電車牽引供電系統(tǒng)總體結構、中壓網(wǎng)絡、箱式變電所和遠程監(jiān)控系統(tǒng)等方面的問題。文中所提出的有軌電車牽引供電系統(tǒng)方案可供相關工程設計人員參考。

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Based on experiences for development of power supply system of urban metro system in our country, with reference of characteristics of tramcar, the paper illustrates the technical schemes for traction power supply system overall structure, medium voltage network, container substation and remote monitoring system of tramcar.

Tramcar; traction power supply system; medium voltage network; container substation; remote monitoring

U231.8

：B

：1007-936X(2015)05-0044-04

2015-01-21

李 虎.唐山軌道客車有限責任公司，工程師，電話：13513072970；

陳秀芳.唐山軌道客車有限責任公司，工程師;

李 昕.北京交通大學，碩士研究生；

吳命利.北京交通大學，教授。