何 斌

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 武漢430063)

據(jù)資料顯示，有軌電車(chē)技術(shù)始于19世紀(jì)末，后來(lái)退出歷史舞臺(tái)，最近這二三十年，提升了技術(shù)含量、建造成本不到地鐵1/4的現(xiàn)代有軌電車(chē)再度回歸到公眾視野。它填補(bǔ)了地鐵網(wǎng)絡(luò)和公交汽車(chē)網(wǎng)絡(luò)之間的空白，能夠承擔(dān)大型城市主要干線之間的聯(lián)絡(luò)和過(guò)渡，解決了“最后1km”的難題。目前，國(guó)內(nèi)多個(gè)城市正在積極建設(shè)和規(guī)劃現(xiàn)代有軌電車(chē)線路［1-3］，但與有軌電車(chē)供電系統(tǒng)相關(guān)的設(shè)計(jì)規(guī)范由于編寫(xiě)年代較早，已不能完全指導(dǎo)現(xiàn)代有軌電車(chē)的建設(shè)，導(dǎo)致一些工程在技術(shù)論證階段難以抉擇或者盲目參考地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范，造成建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)較高，增加了工程投資和運(yùn)營(yíng)、維護(hù)成本等問(wèn)題。

1 外部電源供電方式及電壓等級(jí)的選擇

對(duì)于類(lèi)似地鐵、輕軌、有軌電車(chē)等軌道交通系統(tǒng)，其負(fù)荷呈長(zhǎng)線型分布，相對(duì)較大且具有特殊性，供電方式主要有設(shè)置主變電所的集中供電方式、直接從城市

變電站引入中壓電源的分散供電方式以及這兩種供電方式結(jié)合的混合供電方式。集中供電方式需要引入較高電壓等級(jí)的電源以及設(shè)置將高壓電源降壓為中壓電源的主變電所，投資較高，1座主變電所投資通?？蛇_(dá)1億元以上，這對(duì)于以投資小為優(yōu)勢(shì)之一的現(xiàn)代有軌電車(chē)顯然不是最合理的供電方式［4-5］。而且，現(xiàn)代有軌電車(chē)無(wú)論是牽引負(fù)荷還是車(chē)站的動(dòng)力照明負(fù)荷相對(duì)于地鐵、輕軌均要小很多，采用分散供電方式已完全可以滿(mǎn)足要求，因此，現(xiàn)代有軌電車(chē)選擇投資更省的分散供電方式更為合理。

關(guān)于外部電源的電壓等級(jí)，理論上應(yīng)根據(jù)城市電網(wǎng)中壓網(wǎng)絡(luò)的電壓等級(jí)選擇，可采用35、20、10kV［6］。但20 kV電壓等級(jí)僅個(gè)別城市的個(gè)別區(qū)域存在，而35 kV供電網(wǎng)絡(luò)已面臨逐步取消，所以實(shí)際上目前以10kV電壓等級(jí)為主。這與GJ/T—1999《城市無(wú)軌電車(chē)和有軌電車(chē)供電系統(tǒng)》第3.1.4條“交流電源標(biāo)稱(chēng)電壓宜采用10kV”的規(guī)定也是一致的［7］。

2 對(duì)外部電源的可靠性要求

CJ/T1—1999《城市無(wú)軌電車(chē)和有軌電車(chē)供電系統(tǒng)》中對(duì)于外部電源的規(guī)定主要有第3.2.1條“系統(tǒng)應(yīng)列為交流電源的一級(jí)或二級(jí)負(fù)荷”;第4.4.1條規(guī)定“電車(chē)整流站應(yīng)有兩路交流進(jìn)線電源，一路常用，一路保安備用。臨時(shí)電車(chē)整流站可用單路交流進(jìn)線電源”［7］。

從以上規(guī)定來(lái)看，有軌電車(chē)交流電源可列為一級(jí)或二級(jí)負(fù)荷，正常情況下可以由一路電源供電，但應(yīng)有備用電源。

GB 50052—2009《供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》第3.0.2條對(duì)于一級(jí)負(fù)荷的電源要求為“一級(jí)負(fù)荷應(yīng)由雙重電源供電，當(dāng)一電源發(fā)生故障時(shí)，另一電源不應(yīng)同時(shí)受到損壞”，第3.0.7條規(guī)定對(duì)于二級(jí)負(fù)荷的電源要求為“二級(jí)負(fù)荷的供電系統(tǒng)，宜由兩回線路供電。在負(fù)荷較小或地區(qū)供電條件困難時(shí)，二級(jí)負(fù)荷可由一回6 kV及以上專(zhuān)用的架空線路供電”［8］。

從以上規(guī)定可以看出，現(xiàn)代有軌電車(chē)的用電負(fù)荷如定義為一級(jí)負(fù)荷，則正常情況下應(yīng)由兩路電源供電，且兩路電源互為備用;如定義為二級(jí)負(fù)荷，則正常情況下可由一回電源供電，但應(yīng)同時(shí)有一路備用電源，即要滿(mǎn)足“有兩路電源，一路常用，一路備用”的要求。

負(fù)荷的分級(jí)是依據(jù)負(fù)荷的重要性來(lái)劃分的。停電后如果造成人員傷亡、重大經(jīng)濟(jì)損失和公共場(chǎng)所秩序嚴(yán)重混亂的情況，其負(fù)荷就應(yīng)該劃分為一級(jí)負(fù)荷。

現(xiàn)代有軌電車(chē)的實(shí)質(zhì)就是有固定運(yùn)行線路、享有一定優(yōu)先權(quán)、清潔環(huán)保、具有較大運(yùn)輸能力的公共交通系統(tǒng)，與傳統(tǒng)公交運(yùn)輸在重要性上沒(méi)有本質(zhì)的區(qū)別。因此，筆者認(rèn)為，地面和高架段的現(xiàn)代有軌電車(chē)牽引負(fù)荷可以定位于二級(jí)負(fù)荷，在外部電源條件較好、經(jīng)濟(jì)條件許可的情況下可按一級(jí)負(fù)荷考慮。但有地下線路時(shí)，地下段應(yīng)定位于一級(jí)負(fù)荷。

3 中壓網(wǎng)絡(luò)接線方案

筆者根據(jù)現(xiàn)代有軌電車(chē)對(duì)供電可靠性的要求，以及軌道交通常用中壓網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，結(jié)合現(xiàn)代有軌電車(chē)的特點(diǎn)提出了4種中壓供電方案進(jìn)行分析、研究，分別為雙回路10kV電源直接供電方案、雙回路10kV電源+雙環(huán)網(wǎng)供電方案、單回路10kV電源+單環(huán)網(wǎng)供電方案以及雙回路10kV電源+單環(huán)網(wǎng)供電方案。

為了能夠更好地說(shuō)明這4種中壓網(wǎng)絡(luò)接線形式的區(qū)別和特點(diǎn)，下面以1條15 km左右，設(shè)8座牽引變電所的線路為例進(jìn)行說(shuō)明。

3.1 雙回路10kV電源直接供電方案

雙回路10kV電源直接供電方案是指每座牽引變電所直接從附近的城市電網(wǎng)變電站引入2回路10kV電源向牽引變電所供電的形式［9］。每座牽引變電所引入的2回路10kV電源互為備用，牽引變電所間無(wú)環(huán)網(wǎng)聯(lián)絡(luò)，其接線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 雙回路10kV電源直接供電方案接線形式

該接線形式的特點(diǎn)是引入的10kV電源較多，本例中需要引入16回10kV電源，占用電力系統(tǒng)10kV間隔資源及市政電力廊道較多。

3.2 雙回路10kV電源+雙環(huán)網(wǎng)供電方案

雙回路10kV電源+雙環(huán)網(wǎng)供電方案的接線形式是指在部分牽引變電所直接從城市電網(wǎng)變電站直接引入2回10kV電源供電，而沒(méi)有直接從城市電網(wǎng)的則采用雙環(huán)網(wǎng)從相鄰10kV電源的牽引變電所引入2回10kV電源，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。該方案為國(guó)內(nèi)城市軌道交通通常采用的雙環(huán)網(wǎng)方案，通過(guò)10kV環(huán)網(wǎng)將引入電源相互連接，形成備用。全線僅需要在3個(gè)牽引變電所引入6回10kV電源就可滿(mǎn)足供電要求。

圖2 雙回路10kV電源+雙環(huán)網(wǎng)供電方案的接線形式

該方案引入的電源數(shù)量較少，同時(shí)也可結(jié)合沿線外部電源情況，在距離電源點(diǎn)近的車(chē)站引入電源，所以外部電源工程量較小，但由于沿線敷設(shè)2回10kV環(huán)網(wǎng)電纜，投資較高。

3.3 單回路10kV電源+單環(huán)網(wǎng)供電方案

單回路10kV電源+單環(huán)網(wǎng)供電方案的接線形式是指在部分牽引變電所直接從城市電網(wǎng)變電站直接引入1回10kV電源供電，而沒(méi)有直接從城市電網(wǎng)引入的則采用單環(huán)網(wǎng)從相鄰10kV電源的牽引變電所引入1回10kV電源，通過(guò)10kV環(huán)網(wǎng)將引入電源相互連接，形成備用，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3所示。該接線形式全線僅需要在4個(gè)牽引變電所引入4回10kV電源就可滿(mǎn)足供電要求。

該接線方式任一變電所均有2回10kV電源，1回為主供電源，1回為備供電源。供電可靠性能夠滿(mǎn)足二級(jí)負(fù)荷的供電要求。

圖3 單回路10kV電源+單環(huán)網(wǎng)供電方案接線形式

這種接線形式變電所采用單母線接線，主接線簡(jiǎn)單、設(shè)備較少，除了可突出體現(xiàn)現(xiàn)代有軌電車(chē)的投資優(yōu)勢(shì)外，還可大大減少變電所的設(shè)備數(shù)量、減小變電所體量。這對(duì)于現(xiàn)代有軌電車(chē)提出的站臺(tái)簡(jiǎn)易，特別要求設(shè)備用房盡量精簡(jiǎn)，采用箱式變電所時(shí)體積盡量小的需求是十分吻合的［10］。

3.4 雙回路10kV電源+單環(huán)網(wǎng)供電方案

雙回路10kV電源+單環(huán)網(wǎng)供電方案的接線形式是指在部分牽引變電所直接從城市電網(wǎng)變電站引入兩回10kV電源供電，而沒(méi)有直接從城市電網(wǎng)引入的則采用單環(huán)網(wǎng)從相鄰10kV電源的牽引變電所引入1回10kV電源，也通過(guò)10kV環(huán)網(wǎng)將引入電源相互連接，形成備用，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖4所示。該接線形式全線僅需要在3個(gè)牽引變電所引入6回10kV電源就可滿(mǎn)足供電要求。

圖4 雙回路10kV電源+單環(huán)網(wǎng)供電方案的接線形式

這種接線形式是根據(jù)沿線外部電源情況對(duì)單回路10kV電源+單環(huán)網(wǎng)供電方案的一種優(yōu)化和適應(yīng)性改變的接線形式。這種接線形式主要有2個(gè)優(yōu)勢(shì):

一是在每個(gè)電源點(diǎn)同時(shí)引入2回10kV電源，這樣可以減少引入電源點(diǎn)的數(shù)量。比如對(duì)于單回路10kV電源+單環(huán)網(wǎng)供電方案需要從4座地方110kV變電站引入電源，而該接線形式只需要從3座地方110kV變電站引入電源，對(duì)外部電源的條件要求低一些，可以更好地適應(yīng)沿線的外部電源條件。

二是對(duì)于線路末端車(chē)站沒(méi)有電源點(diǎn)或者在局部地下區(qū)段的情況，引入雙電源可以在局部區(qū)段構(gòu)成雙環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，可保證在1回10kV出現(xiàn)電源故障時(shí)，可以有另1回10kV備用電源，保證其供電的可靠性。

這種接線形式變電所的接線也相對(duì)簡(jiǎn)單、設(shè)備也較少。同時(shí)，它還可以結(jié)合外部電源的情況靈活構(gòu)造接線網(wǎng)絡(luò)，具有更好的適應(yīng)性和靈活性，工程可實(shí)施性更高。

4 不同方案的特點(diǎn)及適用范圍

上述4種中壓網(wǎng)絡(luò)接線方案均可用于現(xiàn)代有軌電車(chē)，但方案各有特點(diǎn)，也因此具有不同的適用范圍，其經(jīng)濟(jì)性、可靠性、工程投資和適用范圍等的對(duì)比分析見(jiàn)表1所示。

表1 中壓網(wǎng)絡(luò)接線方案綜合分析比較

從表1可以看出，雙回路10kV電源直接供電方案外部引入的電源工程量最大，雖然沒(méi)有環(huán)網(wǎng)工程，投資也最高。但該投資是以平均每處電源為2 km來(lái)計(jì)算的，如外電源距離更近，則投資可能會(huì)降低。因此，雙回路10kV電源直接供電方案只適用于外部電源點(diǎn)充足且距離較近的線路。

雙回路10kV電源+雙環(huán)網(wǎng)供電方案具有較高的投資，但因?yàn)槠渚哂凶罡叩墓╇娍煽啃?，它適用于外部電源點(diǎn)少或距離較遠(yuǎn)，供電可靠性要求較高的線路。比如地下段線路或車(chē)站規(guī)模較大的線路以及運(yùn)量較大，對(duì)可靠性要求更高的線路。

單回路10kV電源+單環(huán)網(wǎng)供電方案具有最少的投資，最高的性?xún)r(jià)比。它適用于外部電源點(diǎn)少、供電可靠性要求不高、投資要求更省的線路。如全部為地面或高架線路，車(chē)站設(shè)置較為簡(jiǎn)單、停運(yùn)后不會(huì)造成較大影響的線路。在滿(mǎn)足供電可靠性的前提下，具有最好的經(jīng)濟(jì)性和可實(shí)施性。

雙回路10kV電源+單環(huán)網(wǎng)供電方案投資也較低，它適用于外部電源點(diǎn)少、供電可靠性要求不高，且末端車(chē)站無(wú)電源點(diǎn)、投資要求更省的線路。這種接線形式是單回路10kV電源+單環(huán)網(wǎng)供電方案根據(jù)沿線外部電源情況的一種優(yōu)化形式，它能更好地適應(yīng)外部電源條件，具有更好的適應(yīng)性和可實(shí)施性。

5 結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)代有軌電車(chē)的外部電源供電方式宜采用分散供電方式，電源電壓等級(jí)根據(jù)外部電源確定，以10kV電壓等級(jí)為主。地面和高架段的現(xiàn)代有軌電車(chē)牽引負(fù)荷宜定位于二級(jí)負(fù)荷，在外部電源條件較好、經(jīng)濟(jì)條件許可的情況下可按一級(jí)負(fù)荷考慮。但當(dāng)有地下線路時(shí)，地下段應(yīng)定位于一級(jí)負(fù)荷。中壓網(wǎng)絡(luò)接線方案提出的4種接線方案各具特點(diǎn)，適宜于不同條件的線路。在具體設(shè)計(jì)和實(shí)施時(shí)，應(yīng)根據(jù)沿線的外部電源情況、本線的負(fù)荷需求，以及對(duì)供電安全和可靠性的要求進(jìn)行綜合選擇確定。

［1］沈景炎.對(duì)現(xiàn)代有軌電車(chē)建設(shè)與發(fā)展的思考［J］.交通與運(yùn)輸，2013(5):1-3.

［2］苗彩霞.現(xiàn)代有軌電車(chē)系統(tǒng)特點(diǎn)及應(yīng)用前景［J］.都市快軌交通，2013，26(6):9-11.

［3］姚之浩.國(guó)外有軌電車(chē)交通的發(fā)展與啟示［J］.上海城市規(guī)劃，2010(6):69-72.

［4］張海波.城市軌道交通供電系統(tǒng)中壓網(wǎng)絡(luò)的選擇［J］.城市軌道交通研究，2005(5):68-72.

［5］張永康.地鐵供電系統(tǒng)外部電源供電方式的分析與比較［J］.城市軌道交通研究，2005(6):80-83.

［6］GB 50157—2013地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國(guó)計(jì)劃出版社，2014:141.

［7］CJ/T 1—1999城市公共交通無(wú)軌電車(chē)和有軌電車(chē)供電系統(tǒng)［S］.北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1999:315-316.

［8］GB 50052—2009供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國(guó)計(jì)劃出版社，2010:4-5.

［9］劉家美.新型公共交通外部電源供電模式分析［J］.城市軌道交通研究，2013(3):9-11.

［10］許大光.現(xiàn)代有軌電車(chē)供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案探討［J］.地下工程與隧道，2014(1):6-9.