城市軌道交通供電系統(tǒng)的設計方法

王小峰

0 引言

國內城市軌道交通建設目前已進入了大規(guī)模高速度發(fā)展期，現(xiàn)有30多個城市正在建設或籌建規(guī)劃城市軌道交通工程，北京、上海、廣州等特大城市的軌道交通已步入網(wǎng)絡化發(fā)展時代。城市軌道交通供電系統(tǒng)簡稱城軌供電系統(tǒng)，是城市軌道交通運營的動力源泉，它擔負著為機車和各種運營設備提供電能的重要任務，其科學性、安全性和可靠性直接影響到城市軌道交通的安全運營與服務水平。因此，在項目的前期設計階段需給予重點關注。筆者有幸參與了相關城市軌道交通工程的前期研究、總體設計和供電系統(tǒng)設計等工作，根據(jù)城市軌道交通項目前期研究階段的特點，通過總結和歸納，提出了一套適用于城市軌道交通供電系統(tǒng)簡單而有效的設計思路與設計方法。

1 城軌供電系統(tǒng)設計基本任務和前期條件

1.1 城軌供電系統(tǒng)設計基本任務

按照現(xiàn)代項目管理理論及我國目前建設程序，城市軌道交通項目可以分成項目前期階段、規(guī)劃實施階段、投入運營階段。項目前期階段又包括：城市軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃、預可行性研究（項目建議書）、可行性研究。城市軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃應根據(jù)城市發(fā)展要求和財力情況，明確遠期目標和近期建設任務以及相應的資金籌措方案。供電系統(tǒng)預可行性研究階段的主要任務是：①初步調查城市電網(wǎng)及外電源引入情況；②初步確定供電系統(tǒng)方案；③配合車輛選型，初步確定牽引供電制式；④框算供電系統(tǒng)的工程投資，其投資估算精度控制在供電系統(tǒng)的分部分項工程投資的±20%以內即可。供電系統(tǒng)可行性研究階段的主要任務是：①確定外部電源方案；②確定城軌供電系統(tǒng)方案；③確定牽引供電方案；④PSCADA和ISCS的關系的界定；⑤確定雜散電流腐蝕防護及綜合接地方案。工程可行性研究階段一般只需給出主變電所、供電系統(tǒng)（電纜工程）、牽引變電所、降壓變電所、接觸網(wǎng)、雜散電流防護及綜合接地等工程的基本數(shù)量，能夠基本確定供電系統(tǒng)項目的投資估算即可，誤差控制在初步設計的10%左右。

1.2 供電系統(tǒng)前期階段的設計條件

供電系統(tǒng)專業(yè)在前期設計階段需要線路、行車、車輛等專業(yè)提供的基礎資料作為供電系統(tǒng)開展系統(tǒng)設計的前提和基本條件，具體要求見表1。

2 城軌供電系統(tǒng)用電負荷的估算

城市軌道交通用電負荷由為列車供電的牽引負荷和為車站、區(qū)間、車輛段、控制中心等其他建筑物所需要的動力照明負荷組成。

表1 供電系統(tǒng)前期階段的設計條件表

2.1 牽引負荷的年用電量估算

列車牽引負荷與車輛選型和系統(tǒng)設計運輸能力相關，在前期階段，可采用平均運量法估算牽引負荷的年用電量Wq。

式中，?A為列車年平均單位能耗，kW · h/t · km；G為單列機車的總重，t；N為日發(fā)車對數(shù)；T為年運行時間，365天/年；L為機車運行里程，km。

針對不同線路，?A應根據(jù)列車情況取不同數(shù)值，它應包括列車的牽引用電及輔助設備用電等。在設計新線的前期階段，?A可參考既有線路運行經驗測試積累得來的數(shù)據(jù)，一般取值為 0.04～0.065 kW·h/t·km。

2.2 動力照明負荷的年用電量估算

車站的低壓負荷主要分為動力負荷和照明負荷2大類。動力負荷主要包括通信、信號、綜合監(jiān)控、屏蔽門、AFC、通風空調、給排水、扶梯/電梯、維修電源等。照明負荷分為車站公共區(qū)照明和附屬用房照明2部分，公共區(qū)的照明在設計上一般根據(jù)運營的高峰時段和非高峰時段選擇開啟燈具的數(shù)量，附屬用房中的辦公管理房間照明在工作時段全部開啟，設備房間的照明平時不開啟，在人員巡視和檢修時全部開啟。在前期階段，各專業(yè)的電源需求都是按其最大運行狀態(tài)提的，實際運行時，很難達到滿載，而且各設備的啟動時間和運行是錯開的。因此，需要根據(jù)設備工況模式給出一個較為合理的需要系數(shù)，估算出全線動力照明負荷的年需用用電量Wd，科學選擇配電變壓器容量。

式中，Pam為全線動力照明負荷最大平均需用功率，kW；td為日運營時間，h；tn為夜間停運時間，h；T為年運行時間，365天/年。

3 供電系統(tǒng)方案設計

3.1 外部電源方案的形式

城市軌道交通作為城網(wǎng)的特殊用戶，一條線的用電范圍多為10～40 km，其高峰小時需用功率一般為（6～10）×104kW，且呈線狀分布。對于具體工程，究竟是采用何種形式的外部電源方案，應在計算確定用電負荷的基礎上，根據(jù)該城市軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃、城網(wǎng)構成特點、工程實際情況等不同角度，通過經濟技術綜合比選確定本工程外電源方案是采用集中供電方式還是分散供電方式。2種供電方式的優(yōu)缺點如表2。

3.2 確定外部電源方案的技術路線

不論集中供電方式還是分散供電方式，外部電源的落實、主變電所（開閉所）的規(guī)劃設置、供電分區(qū)的劃分等都是前期階段供電系統(tǒng)設計工作的重點和難點，也是開展后期設計工作的基礎。該階段工作需要與市規(guī)劃部門及市供電局充分溝通協(xié)調，以達成共識。

3.3 中壓網(wǎng)絡方案

所謂中壓網(wǎng)絡，就是通過中壓電纜，縱向把上級主變電所和下級牽引變電所、降壓變電所連接起來，橫向把全線的各個牽引變電所、降壓變電所等聯(lián)系起來，起分配和傳輸電能的作用。電壓等級和構成形式是中壓網(wǎng)絡的2大屬性。國內城市軌道交通中壓網(wǎng)絡一般為10，20和35（33）kV等3種電壓等級，具體采用哪種電壓等級，要結合外電源系統(tǒng)方案、線路走向、站點設置、設備供應情況等諸多因素進行技術經濟綜合比較，合理選擇適合工程實際的電壓等級。

表2 2種供電方式比較表

根據(jù)《地鐵設計規(guī)范》（GB50157-2003）第14.1.11款的要求，國內城市軌道交通中壓網(wǎng)絡的主接線方案一般多采用雙環(huán)網(wǎng)方案。中壓網(wǎng)絡構成及供電分區(qū)的劃分位置需滿足《地鐵設計規(guī)范》第14.1.12款的要求，并考慮與運行交路的結合，合理均衡系統(tǒng)潮流分布，最大限度地滿足車輛的運行，不因網(wǎng)絡局部故障而造成全線車輛停運，確保供電系統(tǒng)安全、可靠地運行。

3.4 牽引網(wǎng)系統(tǒng)方案

在前期研究階段，牽引供電系統(tǒng)方案需要明確牽引供電制式、牽引網(wǎng)形式、牽引變電所設置方案。

《地鐵設計規(guī)范》（GB50157-2003）中明確規(guī)定，國內城市軌道交通的供電制式為DC 750 V和DC 1 500 V，受流方式為第三軌方式和架空接觸網(wǎng)方式。其中：DC 1 500 V電壓較多的應用于架空接觸網(wǎng)，如上海軌道交通一、二號線，廣州軌道交通一、二號線，南京軌道交通一號線一期工程等；DC 750 V電壓較多的應用于接觸軌，北京軌道交通多采用該方式。此外，隨著技術的不斷進步，接觸軌開始推廣采用鋼鋁復合導電軌技術，并開始采用DC 1 500 V電壓等級，如已經試運行開通的廣州地鐵四號線及在建的深圳3號線。表3給出了各種牽引供電制式的比較。

3.5 牽引變電所設置的基本原則

牽引變電所的設置取決于牽引網(wǎng)電壓等級、牽引網(wǎng)電壓損失；同時應充分考慮雜散電流腐蝕防護、線路能耗、電纜敷設、土建造價及運營管理等方面，統(tǒng)籌設計。

在正常和故障運營模式下，牽引網(wǎng)的電壓波動范圍和軌電位必須滿足《城市軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)》（GB/T 10411-2005）第 4.4款和第 7.4.2款的要求；牽引網(wǎng)電壓損失包括牽引網(wǎng)平均電壓損失、最大電壓損失。其中，牽引網(wǎng)最大電壓損失值是影響牽引變電所設置數(shù)量的關鍵因素，平均電壓損失值對牽引網(wǎng)能耗影響較大。

表3 牽引供電制式比較表

直流牽引供電系統(tǒng)電壓水平的詳細計算需結合列車運行圖，建立等效的時變等效電路模型，通過軟件進行仿真計算。牽引網(wǎng)最大電壓損失發(fā)生在機車啟動瞬間，因此在前期研究階段，可以通過簡單實用的經驗公式，粗略計算牽引網(wǎng)的電壓水平和鋼軌電位，初步判斷牽引變電所設置方案的可行性。

（1）單邊饋電時最大瞬時電壓損失?udqmax。

（2）雙邊饋電時最大瞬時電壓損失?usqmax。

式中，Iqmax為列車最大啟動電流，A；L為雙邊供電距離，km；r為牽引網(wǎng)單位電阻，?/km；m為區(qū)間平均列車數(shù)。

（3）鋼軌電位?uz。

式中，RZ為走行軌阻抗，?；RJ為接觸軌阻抗，?；?u為牽引網(wǎng)電壓損失，V。

4 結論及建議

通過對城市軌道交通項目供電系統(tǒng)前期研究階段的基本任務的理解和分析，結合以往供電系統(tǒng)的設計方法，提出一套適用于城市軌道交通供電系統(tǒng)簡單而有效的設計思路和設計方法，實踐證明，該方法簡單有效，能夠滿足供電系統(tǒng)前期研究階段工程設計的需要。

[1]何宗華.城市輕軌交通工程設計指南[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1993.

[2]黃德勝.地鐵供電估算[J].都市快軌交通，2007，20，（6）.

[3]GB 50157-2003 地鐵設計規(guī)范[S].北京：中國計劃出版社，2003.

[4]GB /T 10411-2005 城市軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)[S].北京：中國標準出版社，2005.

[5]寧波市軌道交通二號線一期工程可行性研究報告.上海市隧道工程軌道交通設計研究院，2008.