城市軌道交通供電系統(tǒng)及電力技術(shù)分析

邢妍

摘 要：城市軌道交通供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性是城市軌道交通正常有效運(yùn)行的重要保障，該文介紹了城市軌道交通供電系統(tǒng)的組成、結(jié)構(gòu)及各技術(shù)在地鐵中的應(yīng)用，并對(duì)供電系統(tǒng)中的電力技術(shù)進(jìn)行了分析，提出了解決問(wèn)題的方法。

關(guān)鍵詞：城市軌道交通 供電系統(tǒng) 牽引變電 電力技術(shù)

中圖分類號(hào)：U264.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2019）01（b）-00-03

供電系統(tǒng)是城市軌道交通的動(dòng)力源泉，負(fù)責(zé)線路電能的供應(yīng)和傳輸，關(guān)系到整個(gè)城市軌道交通運(yùn)行的質(zhì)量和效率。截至2018年3月，上海共啟用了16條線路（不包含磁浮），線路總長(zhǎng)達(dá)到了了673km，日最大客流量達(dá)到1235.5萬(wàn)人次。隨著城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)越來(lái)越發(fā)達(dá)，運(yùn)營(yíng)線路越來(lái)越長(zhǎng)，對(duì)城市軌道交通供電系統(tǒng)可靠性提出了更高的要求，因此研究并探討其供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及電力技術(shù)分析就具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 城市軌道交通供電系統(tǒng)組成

城市軌道交通作為城市電網(wǎng)的重要用戶，一般直接從城市電網(wǎng)獲取電能，供電系統(tǒng)主要由電源系統(tǒng)、牽引供電系統(tǒng)和動(dòng)力照明系統(tǒng)組成。其中外部電源可以看作是城市軌道交通供電系統(tǒng)與城市電網(wǎng)的接口，將電能從城市電網(wǎng)引入供電系統(tǒng)；牽引供電系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)向全線運(yùn)行的車輛提供電能，通常包括牽引變電所和牽引網(wǎng)兩大部分；動(dòng)力照明系統(tǒng)為除城市軌道交通車輛以外的其他所有地鐵用電負(fù)荷提供電能，其中包括通信、信號(hào)、事故照明和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等許多一級(jí)負(fù)荷，如圖1所示。

2 電源系統(tǒng)供電方式

城市軌道交通的線路相對(duì)較長(zhǎng)，供電范圍較廣，呈線性分布，根據(jù)各地城市電網(wǎng)的發(fā)達(dá)程度以及線路實(shí)際情況，大多采用集中式供電、分散式供電和混合式供電3種供電方式。

2.1 集中式供電

所謂集中式供電，就是沿著城市軌道交通線路，根據(jù)用電容量和線路的長(zhǎng)度，建立專用的主降壓變電所為整條線路供電的外部供電方式，如圖2所示。每座主變電所設(shè)立兩路獨(dú)立的AC110kV進(jìn)線電源，保證供電的可靠性，然后將電壓降壓為城市軌道交通內(nèi)部供電系統(tǒng)所需的電壓等級(jí)（一般為AC35kV或AC10kV）。

集中式供電有利于城軌交通公司的運(yùn)營(yíng)與管理，各變電所由環(huán)網(wǎng)供電，可靠性較高。但是需要建立單獨(dú)的主變電所，并且主變電所需配備2臺(tái)大功率降壓變壓器，投資成本較高。集中式供電系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立性較強(qiáng)，自成系統(tǒng)，目前國(guó)內(nèi)外包括上海、廣州、南京、香港、德黑蘭等地均采用這種供電方式。

2.2 分散式供電

所謂分散式供電，就是線路沿線分散從城市中壓網(wǎng)絡(luò)引入多路電源，直接或通過(guò)電源開(kāi)閉所間接地為牽引變電所和降壓變電所供電的外部供電方式，如圖3所示。

分散式供電不需要建立主變電所，投資成本相對(duì)較低，但是由于直接從城市電網(wǎng)中壓引入，供電質(zhì)量會(huì)被周圍居民用電影響，供電質(zhì)量的穩(wěn)定性較低，也不方便管理。分散式供電與城市電網(wǎng)關(guān)系緊密，運(yùn)營(yíng)管理相對(duì)復(fù)雜，最早應(yīng)用于北京地鐵1、2號(hào)線，目前長(zhǎng)春輕軌、大連輕軌、北京地鐵4、5、9等線均在使用。

2.3 混合式供電

混合式供電是前兩種供電方式的結(jié)合，以集中式供電為主，個(gè)別地段引入城市電網(wǎng)中壓作為補(bǔ)充的供電方式。混合式供電是一種介于集中式供電和分散式供電之間的組合供電方式，根據(jù)城市電網(wǎng)現(xiàn)狀和未來(lái)規(guī)劃以及城市軌道交通供電系統(tǒng)的需要，吸收了前兩種供電方式的各自優(yōu)點(diǎn)，供電方案更為靈活，供電質(zhì)量較為可靠。

目前武漢軌道交通一期工程采用了以集中式供電為主的混合式供電方案，北京地鐵10號(hào)線二期工程采用的是以分散式為主的混合式供電方案。

無(wú)論哪種供電方式都要保證牽引供電系統(tǒng)和動(dòng)力照明系統(tǒng)的供電可靠性，各變電所都應(yīng)有兩路獨(dú)立的電源進(jìn)線，互為備用。供電方式的抉擇需考慮的主要影響因素如表1所示。

3 牽引供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和分析

3.1 牽引供電系統(tǒng)供電制式

城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)的供電制式多為直流制和交流制兩種形式，近年來(lái)也逐漸興起了將直流制和交流制相結(jié)合的模式，即雙制式供電系統(tǒng)。其中直流制是牽引供電系統(tǒng)中常用的供電制式，牽引變電所將從中壓網(wǎng)絡(luò)引入的電流經(jīng)降壓整流機(jī)組變?yōu)橹绷麟姡―C1500V或DC750V），然后將直流電輸送到牽引網(wǎng)上，向列車提供電能。直流制供電是出于地鐵牽引電機(jī)的需求，可以將整流裝置安裝在牽引變電所，減輕車身重量；同時(shí)直流牽引網(wǎng)供電連貫，可以在故障運(yùn)行時(shí)進(jìn)行雙邊供電向單邊供電和大雙邊供電的供電方式切換，保障列車的可靠受電。但直流制供電也有著一定的弊端，如線路損耗較大、雜散電流危害、再生能量反饋難和供電距離較短等。

3.2 牽引網(wǎng)的構(gòu)成

城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)中，牽引網(wǎng)是由饋電線、接觸網(wǎng)、走行軌和回流線構(gòu)成的供電網(wǎng)的總稱，接觸網(wǎng)是列車受電的直接裝置之一，根據(jù)安裝位置的不同分為架空接觸網(wǎng)和接觸軌兩類。

表2所示為我國(guó)國(guó)內(nèi)部分城市軌道交通的供電制式和牽引網(wǎng)的選擇，可以看出各類接觸網(wǎng)在國(guó)內(nèi)均有一定的應(yīng)用。

4 城市軌道軌道交通供電系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)的探討

4.1 供電系統(tǒng)中諧波分析及治理

在城市軌道交通供電系統(tǒng)中由于存在非線性負(fù)荷，如牽引整流機(jī)組、熒光燈和UPS電源等，會(huì)產(chǎn)生大量的諧波，降低電能質(zhì)量。供電網(wǎng)絡(luò)中的諧波不僅會(huì)對(duì)供電線路產(chǎn)生附加損耗，影響系統(tǒng)中電氣設(shè)備的正常運(yùn)行，還會(huì)對(duì)通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。在直流制牽引供電系統(tǒng)中，整流機(jī)組是產(chǎn)生諧波的主要原因。限制諧波的方法有增加整流裝置的脈波數(shù)，加裝無(wú)源或有源濾波器等措施。

4.2 供電系統(tǒng)中無(wú)功功率補(bǔ)償

城市軌道交通中的動(dòng)力照明系統(tǒng)中包含了大量的低壓用電設(shè)備，功率因數(shù)較低。系統(tǒng)中功率因素過(guò)低，會(huì)使供電線路中損耗增加，導(dǎo)致變送配電設(shè)備發(fā)熱嚴(yán)重；還會(huì)增加供電線路的無(wú)功電壓降，導(dǎo)致線路末端端電壓過(guò)低，甚至?xí)?dǎo)致電壓和電流相位差變大，產(chǎn)生較為嚴(yán)重的諧波分量。因此應(yīng)該進(jìn)行無(wú)功功率補(bǔ)償來(lái)提高系統(tǒng)的功率因因數(shù)。

4.3 迷流腐蝕及防護(hù)

直流制牽引供電系統(tǒng)中，利用走行軌作為電流的回流線，但由于鋼軌對(duì)地不是完全絕緣，會(huì)導(dǎo)致部分電流雜散流入道床，并經(jīng)由鋼筋、水管等金屬導(dǎo)線流回牽引變電所，從而形成迷流。迷流會(huì)對(duì)軌道交通中的金屬產(chǎn)生電解腐蝕，導(dǎo)致走行軌以及地下金屬設(shè)備受到嚴(yán)重?fù)p壞。對(duì)迷流的處理方法主要是防治和監(jiān)測(cè)相結(jié)合。防治主要是減少雜散電流值，常用的方法有加強(qiáng)走行軌對(duì)地絕緣，在沿線設(shè)置合理的迷流收集網(wǎng)和排流柜等排流裝置，以便將迷流引回牽引變電所負(fù)極。檢測(cè)是指通過(guò)專用檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)軌地阻抗和運(yùn)輸結(jié)構(gòu)的腐蝕電位，為迷流腐蝕防護(hù)提供精確地?cái)?shù)據(jù)，指導(dǎo)軌道的養(yǎng)護(hù)和保養(yǎng)等工作。

4.4 供電系統(tǒng)繼電保護(hù)技術(shù)

在城市軌道交通供電系統(tǒng)中，繼電保護(hù)技術(shù)可以對(duì)供電的運(yùn)行起到重要的保護(hù)作用，當(dāng)故障發(fā)生時(shí)可以快速有效地切除故障設(shè)備或進(jìn)行報(bào)警。對(duì)于交流供電部分，主要有過(guò)負(fù)荷保護(hù)和零序電流保護(hù)，分別應(yīng)用于負(fù)荷過(guò)載運(yùn)行和配電變壓器高壓側(cè)和進(jìn)線電纜單相接地故障。對(duì)于直流饋線保護(hù)，主要有大電流脫扣保護(hù)、電流上升率和電流增量保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、雙邊聯(lián)跳保護(hù)、接觸網(wǎng)熱過(guò)負(fù)荷保護(hù)和自動(dòng)重合閘等。供電系統(tǒng)繼電保護(hù)中可以將靈敏性和速動(dòng)性較高的縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)措施作為主保護(hù)，即用通信信道將輸電線兩端的保護(hù)裝置縱向聯(lián)結(jié)，將兩端的電氣量傳送到對(duì)端，通過(guò)比較后進(jìn)行判斷是否執(zhí)行保護(hù)動(dòng)作。

5 結(jié)語(yǔ)

城市軌道交通為人們提供便利的同時(shí)，也提出了如何完善城市軌道交通供電系統(tǒng)，如何保證供電系統(tǒng)高效、安全、穩(wěn)定的運(yùn)行等難題。該文對(duì)城市軌道交通供電系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，并且就供電系統(tǒng)中的關(guān)鍵電力技術(shù)進(jìn)行了分析，這對(duì)于城市軌道交通供電系統(tǒng)的改進(jìn)和優(yōu)化有著重要的意義，也值得人們對(duì)其展開(kāi)更為深入細(xì)致的研究。

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