城軌交通供電系統(tǒng)環(huán)境影響驗(yàn)收要素分析

付連著

（鐵科院（深圳）研究設(shè)計(jì)院有限公司，廣東深圳518000）

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市交通問題日益突出，優(yōu)先發(fā)展公共交通、大力發(fā)展城市軌道交通已成為諸多城市的必然選擇，供電系統(tǒng)作為城市軌道交通系統(tǒng)的重要組成部分，直接影響其運(yùn)營安全性。但在整個(gè)供電系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，可能會對系統(tǒng)以外的環(huán)境產(chǎn)生不利的影響，如供電系統(tǒng)諧波、電磁輻射、雜散電流腐蝕等，因此，城市軌道交通項(xiàng)目建成后，在驗(yàn)收、調(diào)試以及運(yùn)營期間，應(yīng)考慮供電系統(tǒng)對外部環(huán)境的影響。

1 城市軌道交通供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

城市軌道交通供變電系統(tǒng)設(shè)施包括主變電所/電源開閉所、牽引變電所、降壓變電所和跟隨所等。其中集中式供電需設(shè)置主變電所，主變電所通常引入AC 110 kV高壓，降壓至35 kV或10 kV，分散式供電則直接采用來自城市電網(wǎng)的10 kV/35 kV中壓，通過電源開閉所接入牽引變電所和降壓變電所。牽引變電所將AC 35 kV/10 kV中壓降壓整流至DC 1.5 kV/750 V為接觸網(wǎng)或接觸軌供電。降壓變電所將AC 35 kV/10 kV中壓降壓成AC 380/220 V低壓電，向車站各種動(dòng)力、照明設(shè)備供電［1］。降壓變電所時(shí)常與牽引變電所合建，根據(jù)需要，區(qū)間可設(shè)立跟隨式降壓變電所。城軌交通供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 城軌交通供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 牽引供電系統(tǒng)諧波

城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)通過牽引變電所將AC 35 kV/10 kV中壓降壓整流成DC 1.5 kV/750 V，為牽引網(wǎng)供電。由于牽引整流機(jī)組為非線性負(fù)荷，工作時(shí)致使電網(wǎng)中電壓畸變，產(chǎn)生大量諧波，造成電能質(zhì)量降低。如牽引整流機(jī)組采用24脈波整流，雖然與之前的12脈波整流相比，整流電壓更平穩(wěn)，紋波系數(shù)更低，但仍避免不了產(chǎn)生較多的高次諧波［2］。城軌列車也屬于非線性負(fù)荷，由于使用變壓變頻（VVVF）技術(shù)，車載逆變器和變頻器工作時(shí)會產(chǎn)生大量諧波，這些諧波最終將擴(kuò)散到供電系統(tǒng)中。另外，在動(dòng)力照明供電系統(tǒng)中，變頻器、熒光燈等動(dòng)力照明設(shè)備也會產(chǎn)生諧波。

由于諧波會對供電線路產(chǎn)生較高的附加損耗，降低電能質(zhì)量，使電網(wǎng)中的設(shè)備產(chǎn)生諧振，干擾繼電保護(hù)和自動(dòng)控制等設(shè)備的正常工作，有必要進(jìn)行諧波的治理和測試。治理方案往往從源頭采取措施，可采取增加牽引整流機(jī)組的脈波數(shù)、濾波、諧波補(bǔ)償?shù)却胧?。根?jù)GB 50157—2013《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》要求［3］，直流牽引系統(tǒng)及非線性用電設(shè)備所產(chǎn)生的諧波應(yīng)符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 14549—1993《電能質(zhì)量：公用電網(wǎng)諧波》的有關(guān)規(guī)定。在工程驗(yàn)收或系統(tǒng)聯(lián)調(diào)中，宜考慮使用電能質(zhì)量分析儀等設(shè)備對該項(xiàng)目進(jìn)行測試。

3 綜合接地系統(tǒng)

目前，城市軌道交通多采用綜合接地系統(tǒng)。該系統(tǒng)將線路沿線一定范圍內(nèi)供電系統(tǒng)的強(qiáng)電接地，信號、通信等弱電系統(tǒng)的接地，以及建筑物內(nèi)外金屬設(shè)施（如結(jié)構(gòu)鋼筋、金屬管道）等共同連接，形成綜合接地網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)等電位聯(lián)結(jié)［4］（見圖2）。

圖2 城軌交通綜合接地統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為了保證城市軌道交通系統(tǒng)內(nèi)人員和設(shè)備的安全，在綜合接地系統(tǒng)中，通常要求供電系統(tǒng)和信號系統(tǒng)接地點(diǎn)的接地電阻在1 Ω以下。在工程驗(yàn)收或系統(tǒng)聯(lián)調(diào)中，應(yīng)考慮多點(diǎn)測試接地電阻的性能要求，重點(diǎn)考慮綜合地網(wǎng)的接地電阻，以及其他強(qiáng)電、弱電設(shè)備總接地母排、接地端子與綜合地網(wǎng)的接續(xù)電阻。

4 接觸電壓和跨步電壓

為了防止雜散電流腐蝕，往往要求城軌系統(tǒng)走行軌對地絕緣安裝，受牽引回流的影響，列車運(yùn)行時(shí)鋼軌電位會有較大幅度抬升。由于列車車體與鋼軌等電位，站臺屏蔽門及地板與列車車體之間存在電位差，當(dāng)乘客跨越車門時(shí)，兩者之間的電位差會引起接觸電壓和跨步電壓，可能使乘客被電擊。在設(shè)計(jì)要求中，往往會在站臺邊緣鋪設(shè)一定寬度的絕緣橡膠板，在屏蔽門上加裝絕緣材料，并將屏蔽門與鋼軌進(jìn)行等電位聯(lián)結(jié)［5］，以防止接觸電壓和跨步電壓對乘客造成危害（見圖3）。一般來說，為了防止引入牽引回流，屏蔽門僅僅在車站的一端與鋼軌相連，在工程驗(yàn)收或動(dòng)態(tài)聯(lián)調(diào)中，宜考慮測試站臺邊緣接觸電壓和跨步電壓、整排屏蔽門的接續(xù)電阻等指標(biāo)是否符合設(shè)計(jì)要求。

圖3 城軌交通屏蔽門與鋼軌等電位聯(lián)結(jié)示意圖

另外，在鋼軌和綜合接地系統(tǒng)之間需安裝過壓保護(hù)器，將正常及故障狀態(tài)下的鋼軌電位鉗制在一定范圍內(nèi)，保障人員和設(shè)備安全。在工程驗(yàn)收或動(dòng)態(tài)聯(lián)調(diào)中，宜考慮對此項(xiàng)目進(jìn)行測試。

5 主變電所產(chǎn)生工頻電磁場的影響

我國城市軌道交通主變電所涉及到的高電壓等級多為110 kV（少數(shù)為66 kV），由于高壓氣體絕緣全封閉組合電器（GIS）等設(shè)備的出現(xiàn)，且由三相分箱發(fā)展成為三相共箱，設(shè)備體積顯著變小，致使主變電所由敞開式室外建設(shè)轉(zhuǎn)變?yōu)榉忾]式室內(nèi)建設(shè)模式，同時(shí)，高壓進(jìn)線和中壓出線均采用地埋方式敷設(shè)，因此，城軌主變電所產(chǎn)生的工頻電磁場與以前室外建設(shè)模式相比有很大程度降低。

城市軌道交通建成后，主變電所附近若有居民區(qū)、學(xué)校、醫(yī)院等敏感目標(biāo)時(shí)，其產(chǎn)生的工頻電場場強(qiáng)和工頻磁感應(yīng)強(qiáng)度應(yīng)符合國家環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)GB 8702—2014《電磁環(huán)境控制限值》規(guī)定的限值要求［6］。在工程驗(yàn)收或動(dòng)態(tài)聯(lián)調(diào)中，應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要考慮是否對此項(xiàng)目進(jìn)行測試。

6 整個(gè)軌道系統(tǒng)對外界的電磁發(fā)射

城軌列車運(yùn)行時(shí)，由于車載受電設(shè)備與地面供電設(shè)施連續(xù)滑動(dòng)摩擦，遇到硬點(diǎn)會產(chǎn)生瞬間分離，從而產(chǎn)生脈沖騷擾，該騷擾從頻域上看表現(xiàn)為單調(diào)下降的寬頻帶頻譜，其強(qiáng)度與列車運(yùn)行工況以及牽引供電制式關(guān)系密切［7］。目前較為常見的城市軌道交通牽引供電制式有以下幾種：直流1 500 V架空接觸網(wǎng)式，即通過接觸網(wǎng)和受電弓滑動(dòng)接觸為城軌列車運(yùn)行提供電力；直流1 500 V、750 V第3軌受流，即通過接觸軌與集電靴滑動(dòng)接觸為列車運(yùn)行提供電力。

由于城市軌道交通運(yùn)行時(shí)對外界產(chǎn)生電磁發(fā)射，可能會干擾線路附近敏感設(shè)備的工作，如城軌線路引入機(jī)場［8］，可能會干擾機(jī)場雷達(dá)和導(dǎo)航設(shè)施的正常工作等。根據(jù)GB/T 24338.2—2018（IEC 62236-2：2008，MOD）《軌道交通：電磁兼容：第2部分：整個(gè)軌道系統(tǒng)對外界的發(fā)射》［9］，整個(gè)軌道交通系統(tǒng)對外界的發(fā)射應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限值要求，該限值是國際公認(rèn)的關(guān)于軌道交通系統(tǒng)對外界電磁發(fā)射評價(jià)和驗(yàn)收依據(jù)。在工程驗(yàn)收或動(dòng)態(tài)聯(lián)調(diào)中，宜考慮對此項(xiàng)目進(jìn)行測試。

7 雜散電流腐蝕防護(hù)

目前城市軌道交通一般采用直流牽引供電，列車電源由牽引變電所提供，通過架空接觸網(wǎng)或接觸軌送向列車，機(jī)車受流后通過走行軌回流。雖然在設(shè)計(jì)中走行軌對地要求絕緣，但由于走行軌對大地始終存在過渡電阻，因此牽引回流并非全部通過走行軌回流至牽引變電所，而是有一部分通過走行軌雜散流入道床，并由道床流向結(jié)構(gòu)鋼筋、電纜外皮以及沿線的金屬管線，在變電所附近這些散在外部的電流又通過金屬管線、道床等媒質(zhì)流回走行軌并最終回到牽引變電所，從而形成雜散電流（見圖4）。

圖4 城軌交通供電系統(tǒng)雜散電流分布

雜散電流又稱為迷流，在采用直流牽引供電制式并通過走行軌回流的城市軌道交通項(xiàng)目中，由于其對結(jié)構(gòu)鋼筋、道床鋼筋和沿線金屬管道具有很強(qiáng)的腐蝕作用，因此相關(guān)防護(hù)是必須考慮的內(nèi)容。其腐蝕原理主要是原電池機(jī)理，防護(hù)措施主要包括提高鋼軌對道床（或大地）之間的絕緣電阻，增強(qiáng)鋼軌本身的導(dǎo)電性，在沿線設(shè)置雜散電流排流網(wǎng)，通過沿線布設(shè)的測試電極和參比電極進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測，當(dāng)監(jiān)測點(diǎn)極化電位超標(biāo)時(shí)通過排流柜排流。

由于雜散電流對城市建筑和線路本身具有較大腐蝕作用，為了有效地限制雜散電流，降低與消除其不利影響，國家頒布了GJJ 49—1992《地鐵雜散電流腐蝕防護(hù)技術(shù)規(guī)程》［10］，歐洲頒布了EN 50122-2系列標(biāo)準(zhǔn)，對地鐵雜散電流防護(hù)的相關(guān)要求作出了詳細(xì)規(guī)定。其中，鋼軌對大地（或道床）的過渡電阻是軌道交通工程雜散電流防護(hù)領(lǐng)域驗(yàn)收時(shí)重要的評價(jià)指標(biāo)。GJJ 49—1992《地鐵雜散電流腐蝕防護(hù)技術(shù)規(guī)程》規(guī)定，兼用作回流的走行軌與隧洞主體結(jié)構(gòu)（或大地）之間的過渡電阻值，對于新建線路不應(yīng)小于15 Ω·km，對于運(yùn)行線路不應(yīng)小于3 Ω·km。此外其他幾項(xiàng)重要指標(biāo)還包括鋼軌回流阻抗、極化電位偏移值等。在工程驗(yàn)收或動(dòng)態(tài)聯(lián)調(diào)中，宜考慮對此項(xiàng)目進(jìn)行測試。

8 結(jié)束語

城市軌道交通供電系統(tǒng)是一項(xiàng)龐大的工程，為軌道交通的整體運(yùn)行提供著最核心的支持。但供電系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)可能會對外部環(huán)境產(chǎn)生各種影響，包括非線性負(fù)荷對電網(wǎng)的諧波發(fā)射、整個(gè)軌道交通系統(tǒng)對外界的射頻電磁發(fā)射、主變電所產(chǎn)生的工頻電磁場、綜合接地系統(tǒng)的等電位效果、站臺邊緣接觸電壓和跨步電壓、雜散電流腐蝕等影響。在城市軌道交通供電系統(tǒng)工程驗(yàn)收、系統(tǒng)聯(lián)調(diào)時(shí)，宜參照國際、國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)以及設(shè)計(jì)文件的要求［11］，在相關(guān)的環(huán)境影響領(lǐng)域選擇對應(yīng)項(xiàng)目進(jìn)行測試，從多個(gè)角度對城市軌道交通供電系統(tǒng)對外部的環(huán)境影響進(jìn)行考核。