城市軌道交通交流供電系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性淺析

汪潤澤

【摘 要】我國城市軌道交通發(fā)展突飛猛進(jìn)，但其采用的直流供電系統(tǒng)的缺陷不可避免，如雜散電流危害、直流電機(jī)換向困難、共用中壓環(huán)網(wǎng)影響等。論文介紹了城市軌道交通交流供電系統(tǒng)，并與既有的直流牽引系統(tǒng)比較，從主變壓器容量、主變電所數(shù)量、環(huán)網(wǎng)電纜用量、地下車站建設(shè)、運(yùn)營檢修成本方面，淺析了城市軌道交通交流供電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。

【Abstract】The development of urban rail transit in our country is advancing by leaps and bounds， but the defects of the DC power supply system are inevitable， such as stray current hazards， DC motor commutation difficulties， and the effects of common use of medium voltage ring networks and so on. This paper introduces AC power supply system for urban rail transit， compared with the DC traction power system， and based on the main transformer capacity， the number of main substation， the amount of cable network cable， the construction of underground station and the cost of operation and maintenance， the economy of urban rail transit power supply system is analyzed.

【關(guān)鍵詞】交流供電系統(tǒng)；主變電所；電纜環(huán)網(wǎng)；經(jīng)濟(jì)性

【Keywords】AC power supply system； main transformer substation； ring network power cable； economy

【中圖分類號(hào)】U21 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號(hào)】1673-1069（2017）09-0052-02

1 既有城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)及弊端

1.1 既有城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)

我國現(xiàn)有城市軌道交通供電系統(tǒng)是城市電網(wǎng)的一個(gè)用戶，直接從城市電網(wǎng)取得電能。采用集中供電的直流供電方式（以下稱直流供電），在城市軌道交通沿線，根據(jù)用電容量和線路長短，建設(shè)專用的主變電所，主變電所應(yīng)有兩路獨(dú)立的進(jìn)線電源。主變電所進(jìn)線電壓一般為110kV，經(jīng)降壓后變成35kV，經(jīng)電纜環(huán)網(wǎng)，沿線路、隧道敷設(shè)至地下車站的牽引變電所與降壓變電所。牽引變電所將35kV牽引變降壓并經(jīng)24脈整流得到1500V直流，經(jīng)接觸網(wǎng)對(duì)地鐵電客車供電，走行軌回流方式。降壓變電所從中壓環(huán)網(wǎng)取電，降壓為0.4kV，對(duì)車站所有用電設(shè)備供電。[1]

1.2 直流供電方式的弊端

雜散電流（迷流）將對(duì)地鐵中供電網(wǎng)的電氣設(shè)備、設(shè)施的正常運(yùn)行造成不同程度的影響，以及對(duì)基礎(chǔ)工程的隧道、道床的結(jié)構(gòu)鋼和附近的金屬管線造成危害 。

地鐵電客車的頻繁啟停和很大的行車密度，不利于電客車直流電機(jī)的換向，而使用VVVF逆變器驅(qū)動(dòng)的三相鼠籠式異步電機(jī)，也存在電客車設(shè)備復(fù)雜等缺點(diǎn)。牽引網(wǎng)和動(dòng)力照明使用同組35kV中壓環(huán)網(wǎng)電纜，相互影響。地下車站建設(shè)要有足夠的牽引變壓器和整流機(jī)組的空間，建造成本高。

2 交流供電技術(shù)方案及優(yōu)勢(shì)

2.1 交流供電技術(shù)方案

李教授提出的城市軌道交通交流供電系統(tǒng)，主要由主變電所（MSS）和電纜牽引網(wǎng)組成，電纜牽引網(wǎng)包括雙芯電纜（DCC）、牽引變壓器（TT）和接觸網(wǎng)（T）、鋼軌（R）等組成，其中雙芯電纜由供電芯線（FC）、回流芯線（RC）、保護(hù)層（PL）等組成，也可以用同軸電纜；牽引變壓器為單相接線，雙芯電纜和接觸網(wǎng)平行架設(shè)。W、K為斷路器、S為分段器，P為分區(qū)所，LC為列車。可以看出，該牽引系統(tǒng)用雙芯電纜組成電纜牽引網(wǎng)，取代了原有三根單芯電纜組成的牽引網(wǎng)，牽引變壓器從雙芯電纜的供電芯與回流芯之間取得電能，該牽引變壓器次邊的一邊接與鋼軌，一邊經(jīng)過斷路器接于分段絕緣器兩側(cè)，此處也是分段絕緣器位置。

2.2 該系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)

①電流從雙芯電纜回流，走行軌幾乎無回流電流。②無雜散電流（迷流）對(duì)電氣設(shè)備與地下工程的影響，無需安裝雜散電流監(jiān)測(cè)裝置。③交流工況下，再生制動(dòng)時(shí)，比直流供電系統(tǒng)能更方便更高效率地利用電能。④電客車所使用的交流電機(jī)無直流電機(jī)換向的麻煩。

3 經(jīng)濟(jì)性淺析

3.1 主變電所

3.1.1 直流供電系統(tǒng)主變電所

一號(hào)線在皂角樹車輛段內(nèi)和火車南站附近分別設(shè)置1座110/35kV主變電所，負(fù)責(zé)地鐵1號(hào)線工程用電負(fù)荷的供電，其主所主要設(shè)備有：主變壓器25000KVA兩臺(tái)（含變壓器中性點(diǎn)設(shè)備），110kV全封閉GIS（含套管）兩套，35kv配電裝置SF6開關(guān)柜13套（含母聯(lián)一套），160KVA站用干式變壓器兩臺(tái)，接地變壓器兩套。

3.1.2 交流供電系統(tǒng)主變電所

一條線路的情形下，新型交流供電系統(tǒng)主變電所可以建設(shè)于線路中間位置，也可建設(shè)于線路的任意一端，這取決于線路長度及負(fù)載客流密度。主變采用單相牽引變壓器MTT和負(fù)序補(bǔ)償裝置NCD組合進(jìn)行供電，以方便對(duì)負(fù)序進(jìn)行集中地治理，負(fù)序補(bǔ)償裝置由高壓匹配變壓器HMT、交直交變流器ADA、牽引匹配變壓器TMT等構(gòu)成。

雖然交流供電系統(tǒng)主變電所比直流供電系統(tǒng)主變電所多一套負(fù)序補(bǔ)償裝置，但前者所使用較為便宜的單相牽引變壓器作為主變，所以主所造價(jià)幾乎相等。但是交流供電系統(tǒng)電壓降較小，可供電距離較長，所以可以選擇兩條，甚至三條線路共用一個(gè)主變電所。除單個(gè)占地面積較大，采用三臺(tái)單相主變壓器以外，不會(huì)增加太多設(shè)備與投資。相比直流供電系統(tǒng)三條線路，一般6座主所，交流供電系統(tǒng)投資較少，經(jīng)濟(jì)性較好。

3.2 中壓環(huán)網(wǎng)與電纜牽引網(wǎng)

3.2.1 直流供電系統(tǒng)中壓環(huán)網(wǎng)

一號(hào)線現(xiàn)有直流供電系統(tǒng)的中壓環(huán)網(wǎng)電纜是由三根單芯電纜組成AC35kV供電環(huán)網(wǎng)，且牽引和動(dòng)力照明共用。全長18.5km的一號(hào)線一期工程線路，使用3M牌單芯電纜（型號(hào)WDZA-FS-YJY63-26/35kV）共計(jì)202.293km（含控制中心電纜線路），電纜中間接頭（型號(hào)QT111-7684K）共計(jì)180個(gè)。

3.2.2 交流供電系統(tǒng)

交流供電系統(tǒng)將中壓環(huán)網(wǎng)分為電力牽引網(wǎng)與動(dòng)力照明環(huán)網(wǎng)分開設(shè)置，其電纜牽引網(wǎng)使用雙芯電纜，但是雙芯電纜無備用，正常工作概率為99.244%至99.885%，為提高可靠性，采用一根電纜備用，形成電纜50%備用方式，正常工作概率可提升為99.994%至99.999%。對(duì)應(yīng)雙芯電纜可改為選用三芯電纜，其中一芯供電，一芯回流、一芯備用。這樣可以不單獨(dú)制造雙芯電纜，減小電纜使用，節(jié)省費(fèi)用。

為了使動(dòng)力照明網(wǎng)與電力牽引網(wǎng)互不干擾，加設(shè)專用的動(dòng)力照明網(wǎng)，用較小容量35KV三芯電纜即可。

對(duì)比一號(hào)線既有工程，交流供電系統(tǒng)牽引網(wǎng)所用三芯電纜共48.726km，動(dòng)力照明環(huán)網(wǎng)（含控制中心電纜線路）用三芯電纜62.561km，由此可見電纜使用長度大大減少，但交流所用為三相電纜，且多一組安裝費(fèi)用，電纜方面交流供電系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)不明顯。

4 其他經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

4.1 地下車車站建設(shè)對(duì)比

直流供電系統(tǒng)地下車站乘車層端門外設(shè)備器室布置（一號(hào)線無再生制動(dòng)設(shè)備）如下圖所示：

乘車層端門外依次設(shè)置0.4kV開關(guān)柜室、35kV開關(guān)柜室、控制室、整流機(jī)組室，牽引變壓器和上網(wǎng)隔離開關(guān)室，動(dòng)力照明的降壓變壓器設(shè)置于上層進(jìn)站層。員工值守點(diǎn)位于0.4kV開關(guān)柜室。

新型交流供電系統(tǒng)只有牽引變，不需要建設(shè)如此規(guī)模的地下車站，無整流機(jī)組，所以可以節(jié)省上圖整流機(jī)組室，但走行軌出站有交叉渡線，地下車站建設(shè)開挖不會(huì)減少，但空余面積可減小混凝土工程，或用作它途，條件允許還可以將動(dòng)力照明降壓變?cè)O(shè)置于本層。

4.2 運(yùn)營公司檢修

直流供電系統(tǒng)設(shè)備繁多，而修制的制定又基本固定，這就導(dǎo)致有很多需要檢修的設(shè)備，運(yùn)營公司將大量招檢修工才能滿足檢修需求。而交流供電系統(tǒng)可減少需減少設(shè)備，如交流供電系統(tǒng)沒有24脈整流機(jī)組，可省去整流機(jī)組的維護(hù)及保護(hù)校驗(yàn)，甚至減少用工數(shù)量，進(jìn)而減少運(yùn)營公司的運(yùn)營成本。

【參考文獻(xiàn)】

【1】陳非.社區(qū)巴士運(yùn)行特征分析與優(yōu)化對(duì)策[J].公路交通科技（應(yīng)用技術(shù)版），2012（08）：56.