現(xiàn)代有軌電車中壓環(huán)網(wǎng)供電方式的研究

潘天晟

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現(xiàn)代有軌電車中壓環(huán)網(wǎng)供電方式的研究

潘天晟

（中交機(jī)電工程局有限公司，北京 100088）

現(xiàn)代有軌電車具有施工周期短、投資總額低、見效快的特點(diǎn)，但隨著有軌電車工程的建設(shè)，其供電系統(tǒng)的投資依然十分高昂，在設(shè)計(jì)方案上也不盡相同。本文針對(duì)現(xiàn)代有軌電車供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范上的空白，從現(xiàn)代有軌電車的特點(diǎn)出發(fā)，對(duì)現(xiàn)代有軌電車的供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了分析。旨在通過與城市軌道交通的對(duì)比分析，借鑒其他行業(yè)類似供電設(shè)計(jì)方案的成熟經(jīng)驗(yàn)，建議外部電源采用10kV分散式供電，中壓環(huán)網(wǎng)采用單環(huán)網(wǎng)形式，并建議環(huán)網(wǎng)開關(guān)采用負(fù)荷開關(guān)環(huán)網(wǎng)柜替代斷路器柜，以達(dá)到既滿足各機(jī)電設(shè)備的用電需求，同時(shí)又能合理節(jié)約投資的效果。

現(xiàn)代有軌電車；供電系統(tǒng)；負(fù)荷等級(jí)；外部電源；中壓環(huán)網(wǎng)；環(huán)網(wǎng)開關(guān)

現(xiàn)代有軌電車在城市交通中扮演著重要的角色，對(duì)發(fā)展交通、緩解城市擁堵具有重要的意義。在交通越來越便捷的時(shí)代，現(xiàn)代有軌電車的功能也日益得到彰顯，它既作為城市骨干交通模式，承擔(dān)大量的公共交通客流；又在城市經(jīng)濟(jì)活動(dòng)密集的中心區(qū)域，提供便利的交通服務(wù)；同時(shí)它又作為快速軌道交通在城市特殊地區(qū)的延伸或加密。這些功能讓有軌電車受到越來越多的青睞，也讓它的建設(shè)如火如荼。

新建現(xiàn)代有軌電車的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)較高，使其造價(jià)不菲。與原先有軌電車的低成本、高效率的優(yōu)勢(shì)相左，在推廣建設(shè)中易收到制約。

在國內(nèi)現(xiàn)代有軌電車的供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，尚未形成統(tǒng)一的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，各家設(shè)計(jì)院對(duì)所執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范不同，導(dǎo)致供電系統(tǒng)的投資差異較大，同時(shí)供電系統(tǒng)在整個(gè)現(xiàn)代有軌電車的工程總投資中占比較高（約占10%～15%）。倘若可以借鑒城市軌道交通工程的相關(guān)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合有軌電車的特點(diǎn)，確定技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理的供電系統(tǒng)方案，是值得每一名設(shè)計(jì)人員思考的。

1 現(xiàn)代有軌電車的負(fù)荷等級(jí)確定

對(duì)于供電系統(tǒng)來說，確定所供電負(fù)載的負(fù)荷等級(jí)，是重要的環(huán)節(jié)，決定了供電系統(tǒng)外部電源的引接方式、系統(tǒng)接線和系統(tǒng)運(yùn)行方式[1]。

1.1 現(xiàn)代有軌電車的運(yùn)營特點(diǎn)

現(xiàn)代有軌電車作為一種城市中運(yùn)量交通工具，通?；诔鞘屑扔鞋F(xiàn)狀進(jìn)行規(guī)劃和建設(shè)，通常來說，其高峰客流斷面最大為7000人次/h，相較于地鐵的30000人次/h而言，有軌電車不屬于城市中的大運(yùn)量交通工具。因此，即使由于城市電網(wǎng)的因素，中斷運(yùn)營時(shí)，其對(duì)公眾的出行影響也并非是決定性的，對(duì)城市的整體運(yùn)行也并非是沖擊性的?？梢酝ㄟ^應(yīng)急預(yù)案，組織相應(yīng)的接駁公交等手段，對(duì)有軌電車的客流進(jìn)行疏解。

此外，現(xiàn)代有軌電車大都采用100%低地板或70%低地板車輛，車輛地板距離地面不高，不需要設(shè)置高站臺(tái)乘降乘客。因此，即使在車輛遇到停電的狀況時(shí)，也可以在第一時(shí)間組織乘客有序疏散。而空載狀態(tài)下的車輛，也可以通過救援車輛牽引的方式，撤離路口等重要交通路段，避免對(duì)城市地面交通造成影響。

1.2 負(fù)荷等級(jí)的確定

參照GB 50052《供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》中的相關(guān)要求，對(duì)一級(jí)負(fù)荷的定義，主要是根據(jù)其失去供電后，是否會(huì)造成人員傷亡、經(jīng)濟(jì)上的重大損失、重大政治影響或公共場所的秩序混亂。根據(jù)現(xiàn)代有軌電車的運(yùn)營特點(diǎn)，現(xiàn)代有軌電車的牽引負(fù)荷可以確定為二級(jí)負(fù)荷較為適宜。

2 外部電源引接方案

現(xiàn)代有軌電車的外部電源一般引接自城市電網(wǎng)，大多采用10kV或35kV的電壓等級(jí)向現(xiàn)代有軌電車的中壓環(huán)網(wǎng)供電[2]。具體采用何種電壓等級(jí)，應(yīng)根據(jù)線路情況、供電范圍、供電能力、外部電源分布狀況來進(jìn)行綜合分析，詳見表1。

表1 10kV與35kV外電源電壓等級(jí)對(duì)比表

通過對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，10kV作為外部電源對(duì)現(xiàn)代有軌電車供電系統(tǒng)的適應(yīng)性較好，技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)優(yōu)于35kV電源。

伴隨國家電網(wǎng)和南方電網(wǎng)逐步推行20kV電壓等級(jí)的要求，不少南方城市已開始在城市電網(wǎng)中采用20kV電壓。在已采用20kV電壓等級(jí)的城市中建設(shè)有軌電車時(shí)，宜優(yōu)先考慮采用20kV電源作為外部電源，并采用20kV中壓環(huán)網(wǎng)，以減少遠(yuǎn)期對(duì)中壓環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行更新改造，造成不必要的投資浪費(fèi)。

3 現(xiàn)代有軌電車的中壓環(huán)網(wǎng)方案

在現(xiàn)代有軌電車的中壓環(huán)網(wǎng)設(shè)計(jì)方案中，通常有單環(huán)網(wǎng)和雙環(huán)網(wǎng)兩種結(jié)構(gòu)形式。單環(huán)網(wǎng)具有環(huán)網(wǎng)電纜數(shù)量少、變電所主接線簡單、高壓開關(guān)設(shè)備少、變電所占地少、投資節(jié)省、繼電保護(hù)方案簡單，但可靠性不如雙環(huán)網(wǎng)的特點(diǎn)；雙環(huán)網(wǎng)具有較高的可靠性，但網(wǎng)電纜數(shù)量多、變電所主接線形式較復(fù)雜、高壓開關(guān)設(shè)備數(shù)量較多、占地面積較大、投資較多和繼電保護(hù)方案較復(fù)雜的特點(diǎn)[3]。

通過對(duì)現(xiàn)代有軌電車的運(yùn)營特點(diǎn)和機(jī)電設(shè)備系統(tǒng)的負(fù)荷等級(jí)劃分，對(duì)中壓環(huán)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)宜滿足-1原則校驗(yàn)供電可靠性。其校驗(yàn)成果見表2。

表2 中壓環(huán)網(wǎng)N-1校驗(yàn)方案表

綜上所述，現(xiàn)代有軌電車的中壓環(huán)網(wǎng)，應(yīng)根據(jù)電源分布情況，合理確定每處電源的供電范圍，合理劃分供電分區(qū)。各供電分區(qū)間設(shè)置互相支援的環(huán)網(wǎng)聯(lián)絡(luò)開關(guān)。正常運(yùn)行時(shí)，各環(huán)網(wǎng)聯(lián)絡(luò)開關(guān)打開，在故障狀態(tài)下，閉合環(huán)網(wǎng)聯(lián)絡(luò)開關(guān)，實(shí)現(xiàn)支援供 電[4-5]。中壓環(huán)網(wǎng)采用單環(huán)網(wǎng)接線即可。

4 一種新型中壓環(huán)網(wǎng)供電模式的探討

4.1 環(huán)網(wǎng)開關(guān)選型分析

現(xiàn)在，國內(nèi)現(xiàn)代有軌電車的中壓環(huán)網(wǎng)供電模式，仍然沿襲城市軌道交通的中壓環(huán)網(wǎng)供電模式，即每處電源點(diǎn)向沿線路兩側(cè)的方向供電，相鄰電源的供電分界一般在兩個(gè)電源間。在中壓環(huán)網(wǎng)開關(guān)的選擇上，仍然以斷路器作為環(huán)網(wǎng)開關(guān)。

在城市軌道交通中采用斷路器作為環(huán)網(wǎng)開關(guān)：①因?yàn)閿嗦菲骺梢匝杆偾谐收暇€路，縮小停電范圍，保障系統(tǒng)可靠運(yùn)行；②通過定值，解決環(huán)網(wǎng)內(nèi)多臺(tái)斷路器的保護(hù)配合問題。

在現(xiàn)代有軌電車工程中，由于有軌電車不新建電源系統(tǒng)，其中壓環(huán)網(wǎng)直接引接自城市電網(wǎng)。因此，在保護(hù)配合上，需參考城市電網(wǎng)的保護(hù)定值和動(dòng)作實(shí)現(xiàn)。

在華東地區(qū)，通過對(duì)10kV系統(tǒng)的接入設(shè)計(jì)工作，發(fā)現(xiàn)大部分城市電網(wǎng)的10kV出線均采用電流速斷作為一段保護(hù)。其整定值一般包含動(dòng)作時(shí)限和動(dòng)作電流值。華東地區(qū)電網(wǎng)10kV出線保護(hù)定值見表3。

表3 中壓環(huán)網(wǎng)N-1校驗(yàn)方案表

若電源側(cè)的電流速斷動(dòng)作時(shí)限為0s時(shí)，由于環(huán)網(wǎng)電纜短路或變電所10kV母線短路等情況下，其故障電流可達(dá)到2～15kA。此時(shí)，無論中壓環(huán)網(wǎng)采用何種保護(hù)配置，都無法躲過上一級(jí)斷路器的動(dòng) 作[6]。即便采用光差保護(hù)，也無法保障在電源側(cè)斷路器動(dòng)作前，可靠切除故障。

若電源側(cè)的電流速斷動(dòng)作時(shí)限為0.2～0.5s?？稍谥袎涵h(huán)網(wǎng)內(nèi)部增加一級(jí)極差，來切除故障。但此時(shí)中壓環(huán)網(wǎng)內(nèi)部可以耐受短時(shí)的故障電流，只需通過電源引入變電所的出線斷路器切除故障即可。

綜上所述，中壓環(huán)網(wǎng)中的環(huán)網(wǎng)開關(guān)并非必須采用斷路器。

4.2 采用負(fù)荷開關(guān)環(huán)網(wǎng)柜做環(huán)網(wǎng)開關(guān)的可行性

在國鐵較大的貨場、編組站等車站中，鐵路電力系統(tǒng)通常采用站內(nèi)環(huán)網(wǎng)供電的方式，在環(huán)網(wǎng)開關(guān)的選擇上，通常選用SF6絕緣的負(fù)荷開關(guān)柜做環(huán)網(wǎng)柜[7]，變壓器側(cè)通常采用負(fù)荷開關(guān)加熔斷器的保護(hù)方案。

隨著制造工藝的不斷成熟，產(chǎn)品可靠性的不斷上升，近年來，不僅僅是鐵路行業(yè)，就連電力行業(yè)也在推廣采用將10kV SF6絕緣的負(fù)荷開關(guān)柜做環(huán)網(wǎng)柜的方案。這種環(huán)網(wǎng)柜其額定電流一般都可達(dá)到630A或1250A，短時(shí)耐受電流可達(dá)20kA（3s）。同時(shí)，由于采用SF6絕緣，使得柜體緊湊，免于維護(hù)，還可采用電動(dòng)操作的特點(diǎn)。SF6絕緣的負(fù)荷開關(guān)柜其造價(jià)僅為一臺(tái)斷路器柜的1/2。

在電氣功能上，SF6絕緣的負(fù)荷開關(guān)柜足以滿足現(xiàn)代有軌電車的中壓環(huán)網(wǎng)運(yùn)行要求。在體積上，得益于緊湊的柜體結(jié)構(gòu)，使其占地面積更小，在用地緊張的城市中，有更好的適應(yīng)性。在工程造價(jià)上，SF6絕緣的負(fù)荷開關(guān)柜更為經(jīng)濟(jì)。

4.3 工程應(yīng)用案例

鞍山有軌電車千山線項(xiàng)目全長約23km，沿線共設(shè)置12座車站，車輛采用鎳碳電容電池儲(chǔ)能的現(xiàn)代有軌電車。

本線供電系統(tǒng)采用分散式供電方式，全線分3處，共引進(jìn)6回10kV電源，中壓網(wǎng)絡(luò)采用雙環(huán)網(wǎng)接線。在各電源引接站設(shè)置10kV開閉所；在各車站設(shè)置降壓變電所。中壓環(huán)網(wǎng)接線形式如圖1所示。

在本工程中，由于車輛儲(chǔ)能能力較強(qiáng)，僅需在首尾車站設(shè)置牽引充電設(shè)施，因此僅在首尾車站和車輛段內(nèi)設(shè)置了牽引變電所，各牽引變電所與10kV開閉所合建。10kV開閉所采用斷路器作為開關(guān)；沿線各降壓所采用SF6絕緣的負(fù)荷開關(guān)作為環(huán)網(wǎng)開關(guān)。

圖1 中壓環(huán)網(wǎng)接線形式圖

采用此方案后，在保證系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行的同時(shí)，中壓環(huán)網(wǎng)的運(yùn)行方式得到了簡化，優(yōu)化了繼電保護(hù)設(shè)置方案。同時(shí)，對(duì)比各站設(shè)置10kV斷路器作為環(huán)網(wǎng)開關(guān)的方案，累積節(jié)約投資550萬元。取得了良好的工程經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)論

1）現(xiàn)代有軌電車的牽引負(fù)荷的負(fù)荷等級(jí)宜為二級(jí)負(fù)荷，其余各機(jī)電設(shè)備的負(fù)荷等級(jí)應(yīng)參照相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行劃分。

2）現(xiàn)代有軌電車的外部電源一般應(yīng)采用10kV電壓等級(jí)，中壓環(huán)網(wǎng)采用單環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，可以考慮采用SF6絕緣的負(fù)荷開關(guān)柜代替斷路器柜作為環(huán)網(wǎng)開關(guān)。

[1] 于松偉, 楊興山, 韓連祥, 等. 城市軌道交通供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理與應(yīng)用[M]. 成都: 西南交通大學(xué)出版社, 2008.

[2] 何斌. 現(xiàn)代有軌電車中壓網(wǎng)絡(luò)接線方案[J]. 都市快軌交通, 2015, 5: 82-85.

[3] 張帥, 常娜娜. 配電自動(dòng)化系統(tǒng)分析及改進(jìn)方案[J]. 電氣技術(shù), 2017, 18(7): 66-68, 77.

[4] 高杰. 基于高供電可靠性的饋線自動(dòng)化優(yōu)化方案研究[D]. 淄博: 山東理工大學(xué), 2014.

[5] 張利, 李萍. 配電網(wǎng)在線故障定位方法研究[J]. 電氣技術(shù), 2017, 18(9): 49-52.

[6] 劉順桂, 黃超, 唐義鋒, 等. 配電網(wǎng)區(qū)域保護(hù)原理研究與實(shí)施[J]. 電氣技術(shù), 2017, 18(1): 99-103.

[7] 蔡樹立. 智能型環(huán)網(wǎng)柜測(cè)控保護(hù)終端的研究開發(fā)[D]. 武漢: 華中科技大學(xué), 2003.

Research on power supply mode of medium voltage ring in modern tram

Pan Tiansheng

(CCCC Mechanical & Electrical Engineering Company Ltd, Beijing 100088)

Modern trams have the characteristics of short construction period, low total investment and quick performance. However, with the construction of tram project, the investment of power supply system is still very high, and the design scheme is not the same. In this paper, according to the characteristics of modern trams, the design scheme of power supply system of modern tram is analyzed. Based on the comparative analysis of urban rail transit, this paper draws on the mature experience of similar power supply design in other industries. This paper recommends that the external power supply using 10kV decentralized power supply, medium voltage ring network with a single ring network form, and suggests that the ring switch using load switch ring network cabinet instead of circuit breaker cabinet, to meet the electrical and mechanical equipment requirements and save the effect of investment.

modern tram; power supply system; load level; external power supply; medium voltage ring network; ring switch

2018-06-04

潘天晟（1986-），男，上海人，本科，工程師，主要從事鐵路、城市軌道交通的牽引供變電設(shè)計(jì)工作。