城市軌道交通供電系統(tǒng)綜合分析及其建設運營模式探索

李寒生

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，武漢 430063)

1 概述

城市軌道交通供電系統(tǒng)模式對城市軌道交通供電系統(tǒng)的建設、運營影響非常大，因此，如何正確理解城市軌道交通供電系統(tǒng)的模式有著非常重要的意義?；诖?，從整個供電系統(tǒng)的角度出發(fā)，對供電模式及影響模式的各種因素進行了全面的介紹、分析和思考，在此基礎上提出應該如何選擇系統(tǒng)模式，才能建立更為科學合理的城市軌道交通供電系統(tǒng)。

2 城市軌道交通供電系統(tǒng)模式的內涵

目前，城市軌道交通供電系統(tǒng)模式包括外電源模式、內部電源模式和接觸饋電-受流模式3個內容。

2.1 外電源模式

外電源模式包括城市軌道交通供電系統(tǒng)從城市電網引入高壓或中壓電源，再將引入的外部電源進行電壓轉換或直接分配至軌道交通的牽引變電所或降壓變電所，由牽引變電所和降壓變電所分別為軌道交通運行主體的車輛和輔助用電設備(動力照明負荷)供電。軌道交通從外部電源引入的模式上一般分為集中供電、分散供電和混合供電3種［1]。國內大部分采用集中供電，一些城市采用分散供電，部分線路采用混合供電［1]。

(1)集中供電模式

設置專門數(shù)量不等的主變電所，即從若干個有限的集中點獲取電能，城市軌道交通電力系統(tǒng)所有電能均通過主變電所獲取。集中供電模式是目前我國軌道交通的主要供電模式。我國許多城市，如上海、廣州、南京、香港、深圳、成都地鐵等采用集中供電模式。它有很多優(yōu)點，但也有缺點［2]。圖1就是典型的城市軌道交通供電系統(tǒng)集中式供電-牽引降壓聯(lián)合供電模式。

圖1 城市軌道交通供電系統(tǒng)集中式供電-牽引降壓聯(lián)合模式

目前采用該模式的主要原因:一是國家電力資源相對緊缺，高峰時段會出現(xiàn)嚴重的電力不足，運行安全水平不高，為確保軌道交通的供電，不得不如此;二是城市軌道交通電力調度綜合控制的要求很高，從控制速度和精度等方面，城市電網電力調度技術還無法滿足;三是由于城市軌道運輸和電力運營隸屬于不同的部門，還無法完全實現(xiàn)信息共享，一旦出現(xiàn)問題，無法快速處理，勢必造成不必要的損失，影響城市軌道交通的安全可靠運行;四是由于城市軌道交通供電系統(tǒng)是一個特殊的用戶，對系統(tǒng)電網影響較大，因此從有限點接入有利于采取措施消除對系統(tǒng)電網的影響，如可以進行諧波集中治理、電能質量控制等。

(2)分散供電模式

分散供電模式的顯著特點是不設置專門的主變電所，而是分別從不同地點的城市電網獲取電能。此種方式對城市或區(qū)域電力網要求較高。同時也需要進行多座城市電網變電所的增容擴建，需要軌道交通部門和電力公司多次溝通協(xié)商，這種方式要求城市電網具有較大承載能力和高效的調度控制水平。到目前為止，我國北京城市軌道交通1號線、2號線、4號線、5號線、9號線以及10號線，長春輕軌，大連輕軌等采用這種供電模式。

(3)混合供電

混合供電模式是介于集中供電模式和分散供電模式之間的一種結合方案，它吸收了集中供電模式和分散供電模式的各自優(yōu)點，系統(tǒng)方案靈活、可靠、經濟?；旌瞎╇娔Ｊ娇梢愿鶕?jù)軌道交通的需要、城市電網的現(xiàn)狀以及城市電網未來的規(guī)劃，選擇不同的側重，有時以集中供電模式為主、分散供電模式為輔;有時以分散供電模式為主、集中供電模式為輔。

北京地鐵10號線二期工程采用以分散供電模式為主的供電模式［2]。武漢地鐵一期工程采用以集中供電模式為主的供電模式［2]。

2.2 內部電源模式

城市軌道交通供電系統(tǒng)的主要作用:一是把滿足質量要求的電能可靠、安全地輸送到軌道交通運行的主體車輛上;二是把滿足質量要求的電能可靠、安全地輸送到輔助用電設備(動力照明負荷)等各支持系統(tǒng)上。

(1)牽引、降壓聯(lián)合模式

牽引、降壓混合變電所完成兩種電源的生產任務。對于直流牽引供電，正常運行時，2套整流機組并聯(lián)運行，接觸網越區(qū)隔離開關打開，與相鄰牽引變電所構成雙邊供電方式，共同向供電范圍內的車輛供電。當該牽引變電所解列時，相鄰的牽引變電所通過直流母線或接觸網越區(qū)隔離開關恢復對該區(qū)段的供電，實現(xiàn)大雙邊供電。

對于動力變壓器，正常運行時，降壓變電所的2臺動力變壓器分列運行，負責其供電范圍內的全部負荷的供電。當一臺動力變壓器退出運行時，切除三級負荷，由另一臺動力變壓器負責向其供電范圍內的全部一、二級負荷供電［3]。

(2)牽引與降壓混合相對獨立模式

該模式設置獨立的牽引變電所和獨立的降壓變電所，二者之間影響較小。

牽引變電所兩路35kV進線電源來自城市電網區(qū)域變電所或地鐵主變電所，正常運行時，兩路進線電源分別向所連接的35kV母線供電，母聯(lián)斷路器斷開。當一路進線停電時，母聯(lián)斷路器合閘，由另一路進線向原供電區(qū)域內的負荷供電。兩組整流機組均由相同的牽引降壓變壓器和整流器組成，它們的直流側并聯(lián)工作，2個二次繞組和整流器組成多相整流，整流器輸出的直流電的正極(+)經直流高速空氣開關接到直流側的正母線上，直流電的負極(-)經開關接到負母線上，通過直流饋線將電能送到接觸網［2-3]。

而降壓變電所是為車站與線路區(qū)間的動力、照明負荷和通信信號電源供電而設置的。降壓變電所對供電電源的要求，應按一級負荷考慮，由環(huán)形電網或兩路電源供電，進線電壓側采用單母線分段接線。一般設有2臺動力、照明變壓器，每臺變壓器應滿足一、二級負荷所需的容量;正常情況下，兩變壓器分別供電。動力、照明的一級負荷，包括排煙事故風機、通信信號、防災報警系統(tǒng)、售檢票系統(tǒng)、防淹門等，這類負荷如中斷供電，將導致地下車站及其通信信號設備不能工作，引起列車運行秩序混亂，并在發(fā)生事故時不能報警和消防。二級負荷包括車站、線路區(qū)間和作業(yè)場所的工作照明，地下車站風機、排水、排污泵、自動扶梯、人防工程等，這類負荷一旦斷電，將對正常運營造成困難。除上述一、二級負荷以外，還有維修、清掃機械、空調等動力和其他照明為三級負荷。

2.3 饋電-受流模式

城市軌道交通車輛受流方式有2種:一是接觸靴模式，二是受電弓模式。對應這2種模式，城市軌道交通供電系統(tǒng)饋電模式有第三軌和架空式2種，其供電電壓有1 500 V、750 V 等多種制式［4]。

(1)受電弓-架空柔性接觸饋電模式

柔性接觸懸掛包括接觸線、吊弦、承力索和補償器及連接零件。接觸懸掛通過支持裝置架設在支柱上，其作用是將從整流所獲得的電能輸送給電動車輛。電動車輛運行時，受電弓頂部的滑板緊貼接觸線摩擦滑行得到電能(簡稱“取流”)。

柔性接觸接觸懸掛根據(jù)結構的不同，分為簡單懸掛和鏈形懸掛。

簡單接觸懸掛，即是由一根或幾根互相平行的直接固定到支持裝置上的接觸線所組成的懸掛。一般用于車速較低的線路上，如城市電車、礦山運輸線等，在城市軌道交通中主要用于車輛段，也有用于正線的情況，如上海市軌道交通1號線。簡單懸掛結構簡單，要求支柱高度較低，因此建設投資低，施工和檢修方便。其缺點是不利于城市軌道交通車輛高速運行時取流。為了改善簡單懸掛的彈性不均勻程度，在懸掛點處加裝帶彈性吊索，這種帶彈性吊索的簡單懸掛稱為彈性簡單接觸懸掛。這種彈性簡單接觸懸掛可以在速度不超過90 km/h的線路上采用。由于彈性簡單接觸懸掛具有結構簡單、支柱高度低、支柱負荷小、建造費用低及施工維修方便等優(yōu)點，城市軌道交通車輛段一般采用這種形式的懸掛，如廣州市軌道交通1號線車輛段接觸網。

鏈形懸掛是一種運行性能較好的懸掛形式。它的結構特點是接觸線通過吊弦懸掛在承力索上，承力索通過鉤頭鞍子、承力索座或懸吊滑輪懸掛在支持裝置的腕臂上。使接觸線在不增加支柱的情況下增加了懸掛點，通過調節(jié)吊弦長度使接觸線在整個跨距中對軌面的高度基本保持一致，從而減小接觸線在跨中的馳度、改善接觸線彈性、增加接觸懸掛的質量、提高了穩(wěn)定性、滿足高速運行時取流的要求。在城市軌道交通中，最常見的鏈形懸掛形式是簡單鏈形懸掛，對應于架空柔性接觸饋電模式，車輛提供的受流設備是受電弓，二者聯(lián)合完成電能的傳輸和接受。

(2)受電弓-架空式剛性接觸饋電模式

剛性懸掛是和柔性懸掛相對應的一種接觸懸掛方式，所謂剛性懸掛就是要考慮整個懸掛導體的剛度。架空剛性懸掛是剛性懸掛的一種，一般采用具有相應強度的導電軌或具有相應剛度的匯流排與接觸線組成。

架空剛性接觸網有2種典型代表(以匯流排的形狀分)，即以日本為代表的“T”型結構和以法國、瑞士等國為代表的“Π”型結構。

單接觸線式“Π”型架空剛性懸掛主要由匯流排、接觸導線、伸縮部件、中心錨結等組成。接觸懸掛通過支持與定位裝置安裝于隧道頂或隧道壁上。簡單地說，架空剛性懸掛用剛性的匯流排代替了柔性懸掛的上部承力索。

對應于架空式剛性接觸饋電模式，車輛提供的受流設備也是受電弓，二者聯(lián)合完成電能的傳輸和接受。

(3)接觸靴-第三軌饋電模式

接觸靴-第三軌饋電模式有接觸靴上接觸式、接觸靴下接觸式、接觸靴側接觸式3種［4]。

接觸靴上接觸式是供電接觸軌面朝上固定安裝在專用絕緣子上。而受流器——接觸靴從上壓向接觸軌軌頭頂面受流。受流器的接觸力是由下作用彈簧的壓力調節(jié)的，受流平穩(wěn)，由于端部彎頭的過渡作用，能夠減少在斷電區(qū)的電流沖擊。上磨式接觸軌因接觸靴在其上面滑動，所以固定方便，但不易加防護罩。北京地鐵采用上接觸式第三軌［5-6]。

接觸靴下接觸式是接觸軌面朝下安裝。下接觸式的優(yōu)點是防護罩從上部通過橡膠墊直接固定在接觸軌周圍，對人員安全性好。莫斯科地鐵就采用這種方式，利于防止下雪和冰凍造成集電困難。但是這種方式安裝結構較復雜，費用較高。

接觸靴側接觸式是近年來新開發(fā)的一種接觸軌懸掛方式［7]。側面接觸式就是接觸軌軌頭端面朝向走行軌，接觸靴從側面受流?？缱姜氒壾囕v就采用側面接觸形式。其受流器裝在轉向架下部，接觸軌裝在軌道梁上，需注意的是在軌道梁的2側有兩個接觸軌，一個是1 500 V正饋線(接觸軌)，一個是回流線(負極軌)［8]。

3 供電模式選擇

3.1 根據(jù)城市電網的具體情況確定

供電模式選擇需要根據(jù)實際情況確定，主要遵循以下幾個方面:

一是城市電網承載能力大，容量充裕，可適當改擴建變電所容量，采用分散供電模式;

二是如果城市電網結構薄弱，電力相對不足，可采用集中供電模式;

三是在市政府的強力協(xié)調下，和電力部門通力合作，采用集中供電和分散供電相結合混合模式，以達到合理利用資源和科學建設的目的。這種模式，可能會遇到許多問題。如建設與運營管理的問題。

3.2 根據(jù)城市軌道交通規(guī)劃確定

城市軌道交通近期規(guī)劃和遠期規(guī)劃直接影響和決定了軌道交通供電結構及模式，如選擇的軌道交通的形式、線路的長短和形態(tài)、設計的客流量等，以及城市電網的結構、各所容量等;同時，供電模式一定要滿足完成最大預測客流的要求。

4 城市軌道交通供電系統(tǒng)建設與運營若干問題的思考

4.1 觀念認識

阻礙城市軌道交通供電系統(tǒng)供電模式更新的主要因素之一是觀念認識。比如城市軌道交通供電系統(tǒng)和城市電網的深度融合問題。筆者認為，雙方的合作是有基礎的，是雙贏的合作，原因如下。

(1)有合作的基礎和可能

城市軌道交通行業(yè)與電力系統(tǒng)同屬國家資產委員會的下屬企業(yè)，也就是說有一個共同的主管，因此有合作的基礎。只要市政府有心支持和推動，二者會優(yōu)勢互補，推動這兩項公用事業(yè)的科學、合理發(fā)展。此外，城市軌道交通行業(yè)與電力公司都是城市的公用企業(yè)單位，二者協(xié)力共同為市民提供良好的服務，是雙方的職責所在。

隨著電網技術的發(fā)展，也隨著對電力公司專業(yè)技術能力的充分認識，把城市軌道交通供電系統(tǒng)的建設、維修、維保任務交由電力公司負責，不但不會影響城市軌道的安全可靠運營，還可以充分發(fā)揮電力公司的優(yōu)勢，提高城市軌道交通供電系統(tǒng)的運營水平。

(2)有合作的必要和能力

把集中供電模式中的部分系統(tǒng)設備交由電力公司建設運營，有很多好處。比如把中壓環(huán)網系統(tǒng)交由電力公司建設運營。

原因如下:一是電力公司具有較強的經濟實力，而城市軌道公司由于其特殊性，不考慮社會效益的情況下，其狹義的經濟效益是很有限的，目前幾乎全部處于虧損狀態(tài)。作為效益較好的電力企業(yè)，理應服務前移，以減少城市軌道公司的負擔。

二是電力公司在建設運營方面，具有很強的技術能力，可以極大地減輕城市軌道公司在這方面的人才投資和技術負擔，為軌道公司正常運營卸載。這一點各地政府必須通盤考慮。同時在建設方面，也省去了很多程序。

三是有利于城市電網的科學效益建設和運營。

可以把中壓環(huán)網系統(tǒng)的建設和城市電網的建設進行統(tǒng)一規(guī)劃，不但可以節(jié)約投資資金，而且還有利于優(yōu)化城市電網，做到資源共享，實現(xiàn)利益最大化。

四是電力公司作為提供電能的企業(yè)，理應把電能饋送到終端，因此從這一角度講，電力公司有義務承擔城市軌道交通供電系統(tǒng)的建設和運營任務。

同時軌道公司應積極大膽地把城市軌道交通供電系統(tǒng)的部分系統(tǒng)交給電力公司，不要擔心一旦出現(xiàn)問題，指揮不動，協(xié)調不力，進而影響運營，影響自己的聲譽，相信雙方通過合作，都會做好各自的工作，確保城市軌道交通的運營。

4.2 投資計劃

城市軌道交通供電系統(tǒng)模式受投資影響巨大。當財力緊張的時候，可能選擇的供電模式就相對不靈活，可靠性就有所降低。對于資金充足的城市，其選擇的模式就比較奢侈。例如:目前城市軌道交通供電保護的設置很奢侈，有些故障狀況是不可能發(fā)生的，或者發(fā)生的幾率很低，但是還是裝備了這樣的保護，浪費了大量的資金，如全所解列、母線故障等。建議對這些模式加以清理，重新研討其必要性。建議新建軌道交通的城市，不要照搬照抄，要敢于創(chuàng)新，不要過分奢侈地講“可靠”和“安全”，要從實際出發(fā)，采用經濟、合理、科學的供電模式。

5 城市軌道交通供電系統(tǒng)供電模式評價標準

5.1 安全性與可靠性

城市軌道交通供電系統(tǒng)的安全性與可靠性體現(xiàn)在以下幾個方面:一是必須保證不間斷供電;二是必須保證供電質量。電能質量的好壞直接影響設備運營，甚至影響其安全。當電壓不能滿足車輛要求時，車輛會跳閘，造成停運的嚴重后果;三是保證人身安全和貴重高壓電氣設備的安全;四是具有一定的抗御外界環(huán)境影響的能力，如在大風、大雪、雷雨、雷電、高溫等情況下，首先不能影響正常運營。其次保證不會出現(xiàn)安全問題，或能夠縮小故障范圍，盡量減少損失;五是要求城市軌道交通供電系統(tǒng)不會對周圍環(huán)境或其他事物造成危害，如減少雜散電流，減小對城市管線、通信、高樓等損害，減少對居民生活的影響。

5.2 經濟性

城市軌道交通供電系統(tǒng)必須科學建設和運營，以獲得較好的效益。主要體現(xiàn)在以下方面:一是采用科學合理的結構模式，減少一次性投資，減少資金償還壓力;二是建成后，采用合理科學的運行模式，提高效能，節(jié)約用電;三是要有全網電力規(guī)劃的概念。要結合未來整個城市的軌道交通網絡，進行供電系統(tǒng)建設，并選擇更為科學的模式。

5.3 靈活性

在事故、正常、非正常狀態(tài)下，城市軌道交通供電系統(tǒng)應能靈活選擇不同的運行方式，以滿足運營要求［3]。其次在進行模式變化時，應力求靈活、操作簡單。

6 結論及建議

通過分析，建設軌道交通時，應根據(jù)不同的地區(qū)，選擇不同的供電模式。而且，城市軌道交通供電系統(tǒng)和城市電網有深度融合基礎，應充分發(fā)揮電力公司的建設經驗和運營管理水平，把城市軌道交通供電系統(tǒng)大膽地分化給電力公司，實行專業(yè)化運營模式，既可以減少運營費用，又可以發(fā)揮電力公司專業(yè)能力。為此，提出以下建議。

(1)積極促進電力部門起城市軌道交通供電系統(tǒng)建設與運營工作

對于集中式供電，建議軌道交通10 kV以上電網建設由電力部門承擔建設運營與維護工作。遠期可實施城市軌道交通供電系統(tǒng)全部由電力部門承擔。對于這種新理念，不但城市軌道交通公司要敢于接受，而且電力部門也要敢于承擔其社會責任。

(2)因地制宜，選取科學合適的供電模式

首先要和隧道的形式選擇相結合，包括斷面形狀的選擇、斷面的大小等。其次對于電壓等級的選擇、受流方式的選擇、電網結構的選擇，甚至運營模式的選擇，要敢于創(chuàng)新，不要照搬照抄，更不要盲目攀比。三是對于不同結構形態(tài)的城市，有的屬于狹長結構，有的屬于環(huán)形結構。要根據(jù)實際情況，科學制定。

(3)漸次合作

應積極推進電力部門與城市軌道交通公司合作的深度。如在建設期可以開展項目合作，把部分建設任務交由電力部門;在運營期，可以采取維修、維保全權委托方式?？傊?，在雙方共贏的基礎上，充分利用本地現(xiàn)有資源，努力實現(xiàn)“集中供電、資源共享”或者實現(xiàn)“資源共享、分散供電”的目標。

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