現(xiàn)代有軌電車中壓網(wǎng)絡(luò)接線方案

何 斌

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司 武漢430063)

據(jù)資料顯示，有軌電車技術(shù)始于19世紀末，后來退出歷史舞臺，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)代有軌電車再度回歸到公眾視野。它填補了地鐵網(wǎng)絡(luò)和公交汽車網(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)和過渡，解決了“最后1km”的難題。目前，國內(nèi)多個城市正在積極建設(shè)和規(guī)劃現(xiàn)代有軌電車線路［1-3］，但與有軌電車供電系統(tǒng)相關(guān)的設(shè)計規(guī)范由于編寫年代較早，已不能完全指導(dǎo)現(xiàn)代有軌電車的建設(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)計規(guī)范，造成建設(shè)標準較高，增加了工程投資和運營、維護成本等問題。

1 外部電源供電方式及電壓等級的選擇

對于類似地鐵、輕軌、有軌電車等軌道交通系統(tǒng)，其負荷呈長線型分布，相對較大且具有特殊性，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_1億元以上，這對于以投資小為優(yōu)勢之一的現(xiàn)代有軌電車顯然不是最合理的供電方式［4-5］。而且，現(xiàn)代有軌電車無論是牽引負荷還是車站的動力照明負荷相對于地鐵、輕軌均要小很多，采用分散供電方式已完全可以滿足要求，因此，現(xiàn)代有軌電車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，理論上應(yīng)根據(jù)城市電網(wǎng)中壓網(wǎng)絡(luò)的電壓等級選擇，可采用35、20、10kV［6］。但20 kV電壓等級僅個別城市的個別區(qū)域存在，而35 kV供電網(wǎng)絡(luò)已面臨逐步取消，所以實際上目前以10kV電壓等級為主。這與GJ/T—1999《城市無軌電車和有軌電車供電系統(tǒng)》第3.1.4條“交流電源標稱電壓宜采用10kV”的規(guī)定也是一致的［7］。

2 對外部電源的可靠性要求

CJ/T1—1999《城市無軌電車和有軌電車供電系統(tǒng)》中對于外部電源的規(guī)定主要有第3.2.1條“系統(tǒng)應(yīng)列為交流電源的一級或二級負荷”;第4.4.1條規(guī)定“電車整流站應(yīng)有兩路交流進線電源，一路常用，一路保安備用。臨時電車整流站可用單路交流進線電源”［7］。

從以上規(guī)定來看，有軌電車交流電源可列為一級或二級負荷，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)計規(guī)范》第3.0.2條對于一級負荷的電源要求為“一級負荷應(yīng)由雙重電源供電，當(dāng)一電源發(fā)生故障時，另一電源不應(yīng)同時受到損壞”，第3.0.7條規(guī)定對于二級負荷的電源要求為“二級負荷的供電系統(tǒng)，宜由兩回線路供電。在負荷較小或地區(qū)供電條件困難時，二級負荷可由一回6 kV及以上專用的架空線路供電”［8］。

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

負荷的分級是依據(jù)負荷的重要性來劃分的。停電后如果造成人員傷亡、重大經(jīng)濟損失和公共場所秩序嚴重混亂的情況，其負荷就應(yīng)該劃分為一級負荷。

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

3 中壓網(wǎng)絡(luò)接線方案

筆者根據(jù)現(xiàn)代有軌電車對供電可靠性的要求，以及軌道交通常用中壓網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，結(jié)合現(xiàn)代有軌電車的特點提出了4種中壓供電方案進行分析、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。

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

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。該方案為國內(nèi)城市軌道交通通常采用的雙環(huán)網(wǎng)方案，通過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個牽引變電所引入6回10kV電源就可滿足供電要求。

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，同時也可結(jié)合沿線外部電源情況，在距離電源點近的車站引入電源，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個牽引變電所引入4回10kV電源就可滿足供電要求。

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。供電可靠性能夠滿足二級負荷的供電要求。

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，主接線簡單、設(shè)備較少，除了可突出體現(xiàn)現(xiàn)代有軌電車的投資優(yōu)勢外，還可大大減少變電所的設(shè)備數(shù)量、減小變電所體量。這對于現(xiàn)代有軌電車提出的站臺簡易，特別要求設(shè)備用房盡量精簡，采用箱式變電所時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個牽引變電所引入6回10kV電源就可滿足供電要求。

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個優(yōu)勢:

一是在每個電源點同時引入2回10kV電源，這樣可以減少引入電源點的數(shù)量。比如對于單回路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。

二是對于線路末端車站沒有電源點或者在局部地下區(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，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簡單、設(shè)備也較少。同時，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，工程可實施性更高。

4 不同方案的特點及適用范圍

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，但方案各有特點，也因此具有不同的適用范圍，其經(jīng)濟性、可靠性、工程投資和適用范圍等的對比分析見表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來計算的，如外電源距離更近，則投資可能會降低。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，但因為其具有最高的供電可靠性，它適用于外部電源點少或距離較遠，供電可靠性要求較高的線路。比如地下段線路或車站規(guī)模較大的線路以及運量較大，對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，最高的性價比。它適用于外部電源點少、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，車站設(shè)置較為簡單、停運后不會造成較大影響的線路。在滿足供電可靠性的前提下，具有最好的經(jīng)濟性和可實施性。

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少、供電可靠性要求不高，且末端車站無電源點、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)性和可實施性。

5 結(jié)語

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

［1］沈景炎.對現(xiàn)代有軌電車建設(shè)與發(fā)展的思考［J］.交通與運輸，2013(5):1-3.

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

［3］姚之浩.國外有軌電車交通的發(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)計規(guī)范［S］.北京:中國計劃出版社，2014:141.

［7］CJ/T 1—1999城市公共交通無軌電車和有軌電車供電系統(tǒng)［S］.北京:中國標準出版社，1999:315-316.

［8］GB 50052—2009供配電系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范［S］.北京:中國計劃出版社，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)代有軌電車供電系統(tǒng)設(shè)計方案探討［J］.地下工程與隧道，2014(1):6-9.