摘 要：截至2022年12月31日，我國軌道交通運(yùn)營線路已突破1萬公里，其中地鐵占比78%，軌道交通已成為廣大市民出行所依賴的重要公共交通工具。軌道交通的重要命脈當(dāng)屬供電系統(tǒng)，能夠提供穩(wěn)定、可靠的供電電源是維持軌道交通正常運(yùn)轉(zhuǎn)的核心條件。軌道交通照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)以往均采用AC220 V供電方案，現(xiàn)從直流供電優(yōu)勢、直流電壓確定、直流整流方案和經(jīng)濟(jì)性分析的角度出發(fā)，探討直流集中供電技術(shù)未來在軌道交通照明系統(tǒng)中應(yīng)用的可行性。

關(guān)鍵詞：軌道交通；LED燈具；直流照明系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TM923" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號(hào)：1671-0797（2023）18-0008-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.18.002

0" " 引言

人類照明的發(fā)展經(jīng)歷了漫長的過程，現(xiàn)在應(yīng)用較為廣泛的是LED光源燈具。眾所周知，LED燈為第4代光源，它具有光效高、使用壽命長、安全性高、時(shí)尚環(huán)保且適應(yīng)環(huán)境能力強(qiáng)等特點(diǎn)。隨著半導(dǎo)體技術(shù)工藝的不斷革新和LED燈具綜合成本的下降，LED燈具必將全面取代熒光燈成為最理想的照明光源。近年來新開工的城市軌道交通項(xiàng)目里，85%的照明燈具選型采用LED燈具，但LED燈卻是典型的直流驅(qū)動(dòng)電源，目前LED燈都是內(nèi)部集成了AC-DC的電源模塊去驅(qū)動(dòng)燈具，但AC-DC電源模塊是由多個(gè)零部件組成的集成系統(tǒng)，壽命主要受其內(nèi)部電解電容影響，大概在1萬h；LED燈具廠家設(shè)計(jì)使用壽命卻高達(dá)5萬～10萬h，兩者匹配性相差太多，勢必導(dǎo)致中長期運(yùn)營維護(hù)成本的增加。

1" " 現(xiàn)階段軌道交通照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)AC220 V供電現(xiàn)狀

軌道交通受空間限制，絕大部分都處在地下，幾乎每個(gè)角落都需要提供照明，以滿足廣大乘客的乘車需求，保證運(yùn)營維護(hù)的安全和穩(wěn)定，所以軌交的照明系統(tǒng)需精細(xì)化設(shè)計(jì)。目前，地鐵車站的照明通常包括以下幾類：車站正常照明（設(shè)備區(qū)正常照明、公共區(qū)出入口通道正常照明、區(qū)間正常照明）、備用照明、應(yīng)急疏散照明、廣告照明等。

配電電源由設(shè)置在站廳站臺(tái)設(shè)備區(qū)配電室的照明配電箱提供，公共區(qū)照明采用兩個(gè)照明總箱交叉供電，設(shè)備區(qū)照明由設(shè)備區(qū)照明配電箱供電；照明的電源幾乎全部采用AC220 V。目前，AC220 V供電技術(shù)成熟，但存在供電效率低、諧波含量大、可靠性差等問題，且采用的LED燈具是典型的直流驅(qū)動(dòng)設(shè)備，LED燈驅(qū)動(dòng)電源易損壞。

2" " 直流集中供電的優(yōu)勢分析

直流電不存在周期性變化，相比于交流電能提供更加穩(wěn)定的電能質(zhì)量，對于半導(dǎo)體電子電路，幾乎沒有例外，都采取直流供電。目前，直流供電已經(jīng)在艦艇電力系統(tǒng)[1]、地震監(jiān)測[2]、民用建筑[3]、道路照明[4]、列車牽引供電系統(tǒng)[5]中得到應(yīng)用，太原地鐵2號(hào)線、合肥軌道交通4號(hào)線中創(chuàng)新大道站等軌道交通項(xiàng)目也相繼為公共區(qū)照明提供直流集中供電電源。采用低壓直流集中供電的優(yōu)勢如下：

1）直流配電至LED燈，LED燈具不必在其內(nèi)部設(shè)置AC-DC電源模塊，規(guī)避了AC-DC電源模塊內(nèi)電解電容易損壞導(dǎo)致的燈具維修更換等問題，LED燈具使用壽命延長，中遠(yuǎn)期運(yùn)營維護(hù)成本降低。

2）直流供電諧波含量低，能夠提供更為平滑的電流，使流過LED燈的電流保持恒定，這有利于保證LED的工作條件，避免燈具頻閃，能提供更為健康的光線質(zhì)量，提高LED發(fā)光效率。

3）直流供電安全性更高，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)，直流/交流的安全等效因數(shù)為3.75[6]。換而言之，在相同的人體阻抗情況下，對人體達(dá)到同等傷害程度，直流電壓是交流電壓的3.75倍。在實(shí)際應(yīng)用中，直流發(fā)生的事故比預(yù)期的要少得多，由此可見，用直流供電在安全性能上比交流供電更可靠。

4）直流集中配電柜與終端LED驅(qū)動(dòng)電源（DC-

DC）之間可采用單向電力載波的通信方式[7]，即在直流集中柜中的AC-DC端將通信信號(hào)加載在直流母線上，終端LED內(nèi)的DC-DC電源解析收到的信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)調(diào)光和開關(guān)機(jī)功能。因此，采用直流供電可利用2芯線完成供電和通信控制功能，不需要額外鋪設(shè)調(diào)光線，施工難度降低，可節(jié)省人力、物力和財(cái)力。

5）直流配電沒有渦流損耗和集膚效應(yīng)，不會(huì)傳輸無功功率，相比交流配電系統(tǒng)線路損耗更小，在同等條件下直流配電的供電距離會(huì)更長。

3" " 直流電源的應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，直流電源在數(shù)據(jù)中心、電動(dòng)汽車、市政照明、公路隧道、民用辦公等場所已投入使用。數(shù)據(jù)中心的負(fù)荷核心是服務(wù)器和變頻空調(diào)設(shè)備，是直流負(fù)荷；大部分家用電器如LED燈、電視、空調(diào)、手機(jī)等智能設(shè)備也都是直流負(fù)荷。這些直流負(fù)荷在使用交流電接入時(shí)，都需要經(jīng)過AC-DC的變流裝置。隨著新能源、電力電子半導(dǎo)體的發(fā)展，越來越多的設(shè)備采用直流供電，所以直接提供直流電源是值得研究與推廣的。

4" " 直流照明配電電壓等級分析

4.1" " 直流電壓等級分析

電壓等級是直流配電系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)，直接關(guān)系到變電所網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和布置、電氣設(shè)備的生產(chǎn)與制造、電力系統(tǒng)的運(yùn)行與管理等多方面內(nèi)容，因此，確定直流電壓等級的選取原則和中低壓直流電壓等級的選擇是十分必要的。

直流配電系統(tǒng)涵蓋多個(gè)電壓等級配電網(wǎng)，目前我國高壓直流已有±160/±320/±500/±800/±1 100 kV。根據(jù)文獻(xiàn)[8]，電壓等級確定應(yīng)重點(diǎn)考慮供電半徑、電氣絕緣和保護(hù)、成本和設(shè)計(jì)難度等因素。在文獻(xiàn)[9]中，依據(jù)我國現(xiàn)有情況，在交流配電網(wǎng)的基礎(chǔ)上發(fā)展直流配電技術(shù)，考慮與現(xiàn)有交流電壓相匹配的原則，提出適應(yīng)我國的中高壓直流配電電壓等級序列分別為±110 kV、±35 kV、±10 kV、1.5 kV、750 V、400 V；根據(jù)國標(biāo)規(guī)范GB/T 156—2017《標(biāo)準(zhǔn)電壓》，小于直流1 500 V的設(shè)備額定電壓優(yōu)選值有400、220、110、96、48 V等。

4.2" " 軌交直流照明電壓等級

根據(jù)以上電壓等級分析，結(jié)合現(xiàn)有交流配電網(wǎng)及各類終端負(fù)荷的應(yīng)用需求，可以將直流照明電壓目標(biāo)鎖定在400、220、110 V。

1）400 V：采用DC400 V電壓等級有效值比AC220 V超出近一倍。在相同負(fù)荷情況下，線路電壓損失可根據(jù)公式（1）計(jì)算：

Δu%=PL/CS" " " " " " " " " " " （1）

式中：Δu%為線路電壓損失百分?jǐn)?shù)；P為回路有功負(fù)荷；L為線路長度；C為常數(shù)；S為線芯標(biāo)稱截面。

式（1）為將負(fù)載等效集中到線路末端的理想狀態(tài)。顯然，在相同條件下，采用DC400 V線路電壓損失和損耗會(huì)小很多，但由于目前配套的元器件相對較少、不夠普及，使用起來不夠理想。

2）220 V：目前交流照明電壓等級是AC220 V，DC220 V與AC220 V電壓有效值相同，由于直流電沒有渦流損耗和集膚效應(yīng)，不傳輸無功功率，相比交流電線路壓降和損耗更小，因此替代目前AC220 V交流電可以滿足使用需求。

3）110 V：相比于220 V，110 V更具安全性，但是否能滿足軌道交通使用需求，還需要進(jìn)一步驗(yàn)算。

下面以某地軌道交通線路正在開展施工的站點(diǎn)永茂路站為例進(jìn)行驗(yàn)算：站內(nèi)公共區(qū)燈具的供電距離為260 m，供電距離指配電箱供電至最遠(yuǎn)端燈具的距離；假設(shè)站內(nèi)照明回路燈具功率為1 kW，常規(guī)線纜采用2.5 mm2時(shí)，末端的電壓損失根據(jù)公式（1）計(jì)算為17.5%；區(qū)間照明的供電距離為930 m，區(qū)間燈具采用LED燈具，一般按9 m設(shè)置一盞，單燈功率最大值為18 W。區(qū)間照明按3回路交叉配電為燈具提供電源，由此可見，單回路最大功率為0.7 kW、線纜選用10 mm2時(shí)，末端的電壓損失根據(jù)公式（1）計(jì)算為13%。規(guī)范中要求照明燈具的端電壓不宜低于其額定電壓的95%，即允許燈具末端電壓損失為5%。

通過計(jì)算，采用DC110 V直流電不滿足使用需求。由此可見，城市軌道交通直流電源可采用DC400 V、DC220 V。目前由于國內(nèi)大中型發(fā)電廠、變電站已經(jīng)具備提供DC220 V控制和動(dòng)力電源的能力，并且DC220 V相關(guān)的元器件技術(shù)比較成熟、性能良好、價(jià)格適中，因此現(xiàn)階段軌道交通推薦采用DC220 V直流電源。

5" " 直流照明系統(tǒng)的整流方案

軌道交通全直流照明整流方案有2種可行方案[10]，一種是在400 V低壓配電柜室內(nèi)使用模塊化整流裝置集中整流，直接提供直流電至站廳站臺(tái)的照明配電間或應(yīng)急照明電源室，在配電室內(nèi)實(shí)現(xiàn)電能的分配與控制，變電所集中整流框架圖如圖1所示。

另一種是分散式整流，即配電室整流：將交流電從400 V引出至每層的照明配電室或應(yīng)急照明電源室，在配電室的配電箱內(nèi)實(shí)現(xiàn)集中整流。即在公共區(qū)照明系統(tǒng)設(shè)置兩個(gè)總的直流集中照明配電箱，從兩個(gè)直流箱交叉向公共區(qū)內(nèi)的LED燈具供電，如太原地鐵2號(hào)線[11]、合肥軌道交通4號(hào)線中創(chuàng)新大道站以及筆者正在設(shè)計(jì)的寧波3號(hào)線車站。

變電所集中整流方案和配電室分散整流方案目前都已有項(xiàng)目在使用，變電所集中整流方案在提高照明系統(tǒng)的可靠性和靈活性上具有較大優(yōu)勢，同時(shí)更方便進(jìn)行集中諧波治理，這種方式在未來或?qū)⒊蔀橹髁鞯墓╇姺桨?。目前軌道交通?xiàng)目試點(diǎn)中較多采用分散式整流方案，這是由于軌道交通交流照明的深入發(fā)展以及直流集中照明方案的經(jīng)驗(yàn)不足，業(yè)主對直流集中照明接受認(rèn)可度不高。分散整流方案目前可以作為一種過渡方案，隨著試用項(xiàng)目所積累的經(jīng)驗(yàn)和直流技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的不斷完善，最終可過渡到變電所集中整流方案。

6" " 經(jīng)濟(jì)性分析

6.1" " 建設(shè)成本分析

交、直流照明的成本差異主要是在電線電纜、配電箱等，其中銅芯電線可節(jié)省投資，直流集中配電箱/柜會(huì)增加投資，施工方面差異不大。以分散式整流為例，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)島式車站，站廳站臺(tái)層共有12個(gè)配電箱需要設(shè)置整流模塊組，每個(gè)配電箱按用四備一考慮（模塊功率約3 kW），預(yù)計(jì)增加3萬元；電線電纜減少的費(fèi)用約5萬元；備用照明增加整流模塊，費(fèi)用在5萬元左右；實(shí)際總費(fèi)用預(yù)計(jì)增加約36萬元。

6.2" " 維護(hù)成本分析

交流供電時(shí)，LED燈具受電源模塊影響，其發(fā)光壽命按平均25 000 h測算，以每天工作12 h計(jì)，則LED燈具的使用年限為25 000÷12÷365≈5.7 a。

直流供電時(shí)，LED燈具設(shè)計(jì)壽命保守計(jì)70 000 h，以每天工作12 h計(jì)算，則LED燈具的使用年限為70 000÷12÷365≈16 a。

車站燈具以10年為一個(gè)維護(hù)周期，交流方案10年維護(hù)總費(fèi)用為278 598元，直流方案10年維護(hù)總費(fèi)用為56 333元。

綜上可見，采用直流供電，其多出的建設(shè)成本與節(jié)省的維護(hù)成本，隨著時(shí)間的延長可相互抵消。另外，對于車站低壓配電總投資超1 000萬元的總建設(shè)成本而言，多出的投資成本占比不足3%，且后續(xù)隨著直流照明系統(tǒng)方案的逐步推廣，零部件配套廠商逐步批量生產(chǎn)后，技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展，價(jià)格成本會(huì)進(jìn)一步降低。

7" " 結(jié)束語

LED燈具有光效高、使用壽命長、安全性高、時(shí)尚環(huán)保且適應(yīng)環(huán)境能力強(qiáng)等特點(diǎn)，因而被城市軌道交通廣泛應(yīng)用。在此前提下，地鐵車站采用DC220 V電源可有效避免交流供電時(shí)供電效率低、諧波含量大的缺點(diǎn)，同時(shí)能提高供電安全性。

軌交直流智能照明目前已在蘇州地鐵5號(hào)線、太原地鐵應(yīng)用，寧波3號(hào)線正在試點(diǎn)。國家發(fā)布的《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃（2016—2030年）》已將直流輸電技術(shù)作為現(xiàn)代電網(wǎng)建設(shè)的重要發(fā)展方向，GB 51309—2018《消防應(yīng)急照明和疏散指示系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》要求軌道交通消防應(yīng)急及疏散指示采用直流供電，T/CECS 705—2020《直流照明系統(tǒng)技術(shù)規(guī)程》的發(fā)布也為直流照明提供了更好的支撐依據(jù)。同時(shí)，相較交流照明采用DALL調(diào)光模塊，直流智能照明可通過直流供電線路傳遞調(diào)光指令，實(shí)現(xiàn)照明的智能控制，且更容易實(shí)現(xiàn)人性化照明[12]。憑借其自身的優(yōu)勢，相信未來直流照明供電會(huì)逐漸取代交流供電，在軌道交通項(xiàng)目中得到越來越多地應(yīng)用。

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收稿日期：2023-05-26

作者簡介：華道麗（1986—），女，湖北人，工程師，主要從事軌道交通供配電的設(shè)計(jì)與研究工作。