李 虎，陳秀芳，李 昕，吳命利

現(xiàn)代有軌電車(chē)牽引供電系統(tǒng)技術(shù)方案探討

李 虎，陳秀芳，李 昕，吳命利

基于我國(guó)最近幾年在城市地鐵供電系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合有軌電車(chē)特點(diǎn)，探討了有軌電車(chē)牽引供電系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)、中壓網(wǎng)絡(luò)、箱式變電所和遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)等技術(shù)方案。

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

0 引言

現(xiàn)代有軌電車(chē)是一種中低運(yùn)量的城市軌道交通。與地鐵相比，有軌電車(chē)工程造價(jià)低、運(yùn)行靈活、建設(shè)周期短，與道路公共交通相比，其具有運(yùn)量大、運(yùn)營(yíng)速度快、耗能低、污染小的優(yōu)勢(shì)[1，2]。一般認(rèn)為，有軌電車(chē)適合在中小城市用于承擔(dān)主城區(qū)內(nèi)部較大的客流，在大城市用于加強(qiáng)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(chē)提供動(dòng)力電能，是重要的基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)。牽引供電系統(tǒng)的安全、可靠工作對(duì)保障有軌電車(chē)的正常運(yùn)行至關(guān)重要。與地鐵供電比較而言，國(guó)內(nèi)在有軌電車(chē)供電系統(tǒng)上的專(zhuān)門(mén)研究還相對(duì)較少。本文通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有城市有軌電車(chē)線(xiàn)路的調(diào)研，并結(jié)合城市有軌電車(chē)供電系統(tǒng)的技術(shù)需求和直流牽引供電技術(shù)現(xiàn)狀，對(duì)城市有軌電車(chē)供電系統(tǒng)技術(shù)方案進(jìn)行了探討。

1 供電系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

1.1 供電方式

有軌電車(chē)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(zhuān)門(mén)設(shè)置35 kV或以上電壓等級(jí)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(shè)置若干10 kV開(kāi)閉所，由自建10 kV配電網(wǎng)向全線(xiàn)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(xiàn)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(duì)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(duì)城市電網(wǎng)的影響等方面進(jìn)行對(duì)比。

實(shí)際中有軌電車(chē)供電方式的選取受城市軌道交通線(xiàn)網(wǎng)規(guī)劃、城市電網(wǎng)構(gòu)成以及工程實(shí)際情況而定。不論是分散供電方式還是集中供電方式都應(yīng)與供電部門(mén)協(xié)商，方案可行性研究報(bào)告應(yīng)通過(guò)嚴(yán)格論證才可最終確定。在國(guó)內(nèi)，沈陽(yáng)市渾南新區(qū)現(xiàn)代有軌電車(chē)采用10 kV分散供電方式，蘇州高新區(qū)有軌電車(chē)1號(hào)線(xiàn)采用10 kV半集中供電方式。

有軌電車(chē)供電系統(tǒng)供電質(zhì)量、供電可靠性等要求相對(duì)較高，有條件時(shí)，應(yīng)當(dāng)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(diǎn)較多并能滿(mǎn)足供電要求時(shí)，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(shù)成熟、易于穿過(guò)平交道口、安全性高、維護(hù)經(jīng)驗(yàn)豐富、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)被國(guó)內(nèi)外大量采用，我國(guó)蘇州高新區(qū)、天津?yàn)I海新區(qū)、上海張江等有軌電車(chē)就采用DC 750 V架空接觸線(xiàn)饋電方式。在不宜架設(shè)架空接觸線(xiàn)，且具有專(zhuān)有路權(quán)的特殊線(xiàn)路，也可以采用第三軌供電。對(duì)于采用了電池組或超級(jí)電容的混合動(dòng)力車(chē)輛，一般采用車(chē)站集中快速充電或電磁感應(yīng)供電等無(wú)接觸網(wǎng)供電方式，如南京麒麟及河西的有軌電車(chē)采用蓄電池牽引技術(shù)，江蘇淮安、浙江寧波有軌電車(chē)采用的是超級(jí)電容供電。架空接觸網(wǎng)饋電制式除城市景觀(guān)效果較差外，其他方面都具有較大優(yōu)勢(shì)。在某些不能架設(shè)接觸網(wǎng)區(qū)段通常輔助以其他饋電制式以達(dá)到不同饋電制式優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，增強(qiáng)有軌電車(chē)運(yùn)行的靈活性，如北京西郊線(xiàn)（連接主城區(qū)與香山的專(zhuān)用軌道），正線(xiàn)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(mén)站—巴溝站之間使用非架空接觸網(wǎng)的牽引供電系統(tǒng)（長(zhǎng)度為4.4 km）。

為降低架空接觸網(wǎng)的視覺(jué)污染，可以從優(yōu)化接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)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(dá)到美化城市景觀(guān)。在國(guó)外，如瑞典的斯德哥爾摩有軌電車(chē)供電系統(tǒng)采用輕便的簡(jiǎn)單懸掛接觸網(wǎng)供電，與城市景觀(guān)十分協(xié)調(diào)融洽。

表1 集中供電方式和分散供電方式對(duì)比表

1.3 供電電壓

根據(jù)《城市無(wú)軌電車(chē)和有軌電車(chē)供電系統(tǒng)》（CJ/T 1-1999）（表2），系統(tǒng)直流標(biāo)稱(chēng)電壓為750 V或600 V（600 V為非推薦值）。同時(shí)國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）、國(guó)際鐵路聯(lián)盟（UIC）和歐洲標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)（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(guó)城市軌道交通供電系統(tǒng)的中壓網(wǎng)絡(luò)電壓等級(jí)主要采用35 kV和10 kV，20 kV電壓等級(jí)也在蘇州作為試點(diǎn)運(yùn)行。電壓等級(jí)越高，則輸電容量越大、送電距離越遠(yuǎn)。不過(guò)，有軌電車(chē)是中低運(yùn)量的軌道交通，在具體實(shí)施中應(yīng)結(jié)合實(shí)際工程條件，選擇合理的電壓等級(jí)。考慮到我國(guó)中壓網(wǎng)絡(luò)以10 kV為主，并且10 kV能滿(mǎn)足有軌電車(chē)供電電能輸送需要，建議有軌電車(chē)線(xiàn)路中壓網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先采用10 kV，只有當(dāng)城市電網(wǎng)沒(méi)有10 kV時(shí)，才采用35 kV或20 kV。

因此，城市有軌電車(chē)線(xiàn)路牽引供電應(yīng)采用DC 750 V，交流電源電壓宜采用10 kV。

2 中壓網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及供電分區(qū)

2.1 中壓網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

目前，國(guó)內(nèi)地鐵供電系統(tǒng)中壓網(wǎng)絡(luò)多采用雙環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)。與大中運(yùn)量的地鐵不同，有軌電車(chē)是中低運(yùn)量的城市軌道交通。其牽引負(fù)荷小，動(dòng)力照明負(fù)荷遠(yuǎn)小于地鐵動(dòng)力照明負(fù)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(jiǎn)化中壓網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，國(guó)內(nèi)有軌電車(chē)工程中多采用具有接線(xiàn)簡(jiǎn)單、高壓設(shè)備少、控制保護(hù)簡(jiǎn)單、投資省的單環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，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(jìn)線(xiàn)，并設(shè)二路出線(xiàn)至相鄰牽引變電所，相鄰牽引變電所通過(guò)單回電纜連接。

《城市無(wú)軌電車(chē)和有軌電車(chē)供電系統(tǒng)》（CJ/T 1-1999）規(guī)定交流母線(xiàn)一般采用單母線(xiàn)或分段單母線(xiàn)接線(xiàn)。一般情況下，在10 kV交流母線(xiàn)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(tái)。特別地，若方便引入城網(wǎng)配電變壓器低壓側(cè)電源，根據(jù)工程實(shí)際情況，也可將其引入作為變電所和車(chē)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(shè)置降壓變壓器。

圖1 中壓網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 供電分區(qū)

有軌電車(chē)供電系統(tǒng)中壓網(wǎng)絡(luò)供電分區(qū)劃分時(shí)應(yīng)考慮如下因素：（1）線(xiàn)路電壓損失要求。中壓網(wǎng)絡(luò)應(yīng)按列車(chē)運(yùn)行的遠(yuǎn)期通過(guò)能力設(shè)計(jì)，對(duì)互為備用線(xiàn)路，一路退出運(yùn)行另一路應(yīng)承擔(dān)其一、二級(jí)負(fù)荷的供電，線(xiàn)路末端電壓損失不宜超過(guò)5%。（2）滿(mǎn)足繼電保護(hù)的要求。（3）經(jīng)濟(jì)性要求。供電分區(qū)劃分越多，技術(shù)參數(shù)當(dāng)然能滿(mǎn)足系統(tǒng)正常運(yùn)行要求，但變電所饋出線(xiàn)開(kāi)關(guān)柜間隔、饋出線(xiàn)電纜長(zhǎng)度及變電所占地面積也相應(yīng)增加，將直接增加建設(shè)投資成本。一般情況下，供電分區(qū)的劃分應(yīng)在滿(mǎn)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(guó)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(chē)站合建，土建面積一般約需300 m2。在工程中經(jīng)常使車(chē)站加長(zhǎng)，大幅度增加車(chē)站建筑面積，且存在與土建專(zhuān)業(yè)難以配合等問(wèn)題。對(duì)于地面和高架車(chē)站，房屋式變電所還會(huì)引起景觀(guān)問(wèn)題。現(xiàn)代有軌電車(chē)是中小運(yùn)量的城市軌道交通，車(chē)站較為簡(jiǎn)易，一般不單獨(dú)設(shè)置建筑房屋。有軌電車(chē)線(xiàn)路主要是城市地面線(xiàn)和少量高架線(xiàn)，不宜采用體積龐大的房屋式變電所。國(guó)內(nèi)有軌電車(chē)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(guó)外廣泛采用，如美國(guó)達(dá)拉斯地區(qū)的輕軌系統(tǒng)、圣地亞哥的地鐵系統(tǒng)。國(guó)內(nèi)天津市濱海新區(qū)有軌電車(chē)也采用了箱式變電所。

3.2 變電所選址

變電所選址應(yīng)靠近負(fù)荷中心，鄰近線(xiàn)路布置，且滿(mǎn)足中壓網(wǎng)絡(luò)電纜壓降要求等。一般說(shuō)來(lái)，變電所的位置離線(xiàn)路距離應(yīng)控制在幾百米之內(nèi)。實(shí)際工程中，變電所就貼近線(xiàn)路布置。牽引變電所可根據(jù)線(xiàn)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(yīng)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(xiàn)

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

3.4 整流機(jī)組

考慮到有軌電車(chē)線(xiàn)路負(fù)荷相對(duì)較小，一般一個(gè)牽引變電所的安裝容量為630～1 500 kV·A。當(dāng)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(qiáng)，且公共連接點(diǎn)周邊沒(méi)有諧波敏感負(fù)荷時(shí)，可以采用12脈波單整流機(jī)組以節(jié)省投資，否則宜采用等效24脈波雙整流機(jī)組。

3.5 再生制動(dòng)能量利用

有軌電車(chē)再生制動(dòng)能量的利用主要有逆變和儲(chǔ)能2種方案。其代表技術(shù)主要有：逆變至中壓網(wǎng)絡(luò)、逆變至低壓負(fù)荷、蓄電池儲(chǔ)能、電容儲(chǔ)能和飛輪儲(chǔ)能。其中逆變至中壓網(wǎng)絡(luò)和電容儲(chǔ)能是最有應(yīng)用前景的主流技術(shù)，目前也只有這2種技術(shù)在國(guó)際上得到一定規(guī)模的應(yīng)用。2種方案的比較如表3所示?？芍瑢?duì)于集中式有軌電車(chē)供電系統(tǒng)，可優(yōu)先采用逆變至中壓網(wǎng)絡(luò)的方式進(jìn)行能量利用（在我國(guó)北京地鐵也已進(jìn)入工程試運(yùn)行階段，并有望很快推廣）。電容實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化后，也可采用電容儲(chǔ)能方案。對(duì)于分散式有軌電車(chē)供電系統(tǒng)，宜采用電容儲(chǔ)能方案。特別地，對(duì)于超級(jí)電容和蓄電池供電的有軌電車(chē)，只能采用車(chē)載儲(chǔ)能的方式利用再生制動(dòng)產(chǎn)生的能量。

表3 2種主流技術(shù)比較表

4 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

有軌電車(chē)遠(yuǎn)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(yuǎn)程終端（RTU，即變電所綜合自動(dòng)化系統(tǒng)）、通信網(wǎng)絡(luò)、位于供電維修基地的供電復(fù)示系統(tǒng)。SCADA系統(tǒng)主要針對(duì)變壓器，10 kV交流，750 V直流系統(tǒng)等完成遙信、遙測(cè)、遙控、遙調(diào)和遙視“五遙”功能。

5 結(jié)語(yǔ)

本文基于地鐵供電系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)結(jié)合有軌電車(chē)本身的特點(diǎn)，探討了有軌電車(chē)牽引供電系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)、中壓網(wǎng)絡(luò)、箱式變電所和遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)等方面的問(wèn)題。文中所提出的有軌電車(chē)牽引供電系統(tǒng)方案可供相關(guān)工程設(shè)計(jì)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(chē)有限責(zé)任公司，工程師，電話(huà)：13513072970；

陳秀芳.唐山軌道客車(chē)有限責(zé)任公司，工程師;

李 昕.北京交通大學(xué)，碩士研究生；

吳命利.北京交通大學(xué)，教授。