現(xiàn)代有軌電車(chē)工程電源設(shè)計(jì)方案

李 偉

（中鐵二院華東勘察設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司，浙江 杭州 310004）

1 現(xiàn)代有軌電車(chē)工程電源系統(tǒng)

有軌電車(chē)是采用電力驅(qū)動(dòng)并在軌道上行駛的輕型小編組軌道交通車(chē)輛?，F(xiàn)代有軌電車(chē)系統(tǒng)作為城市軌道交通系統(tǒng)的一個(gè)分類(lèi)，具有建設(shè)難度較低、安全系數(shù)高、建設(shè)成本較低、環(huán)保系數(shù)高、運(yùn)量適中、敷設(shè)方式靈活以及運(yùn)營(yíng)靈活等特點(diǎn)。同時(shí)，它較傳統(tǒng)有軌電車(chē)進(jìn)行了技術(shù)革新，包括低地板程度、無(wú)網(wǎng)供電技術(shù)、系統(tǒng)噪聲和載客量等，成為城市公共交通的重要組成部分。

1.1 現(xiàn)代有軌電車(chē)的發(fā)展趨勢(shì)

隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，城鎮(zhèn)化布局由傳統(tǒng)單中心城鎮(zhèn)化向多中心都市圈化發(fā)展，國(guó)內(nèi)的新城區(qū)、經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)的建設(shè)已經(jīng)成為未來(lái)的發(fā)展方向?！秶?guó)家新型城鎮(zhèn)化規(guī)劃（2014-2020年）》已經(jīng)提出，“推進(jìn)中心城區(qū)功能向1小時(shí)交通圈地區(qū)擴(kuò)散，培育形成通勤高效、一體發(fā)展的都市圈”。在深圳、武漢、南京、上海、廣州以及蘇州等地已陸續(xù)開(kāi)通了有軌電車(chē)線(xiàn)路，而正在建設(shè)和規(guī)劃中的有軌電車(chē)線(xiàn)路規(guī)模龐大。

1.2 與其他公共交通的比較

現(xiàn)代有軌電車(chē)更方便乘客的出行。與地鐵使用專(zhuān)屬路權(quán)不同，有軌電車(chē)與公交汽車(chē)等其他交通方式混合使用路權(quán)，有利于沿線(xiàn)商業(yè)的發(fā)展。表1為現(xiàn)代有軌電車(chē)與其他公共交通的比較。

可見(jiàn)，現(xiàn)代有軌電車(chē)在運(yùn)能、能耗、環(huán)保、舒適性以及提升城市公交服務(wù)形象等方面，具有明顯優(yōu)勢(shì)。

1.3 現(xiàn)代有軌電車(chē)低壓配電系統(tǒng)的構(gòu)成

變電所電源系統(tǒng)、電源傳輸媒介（電纜等）、末端應(yīng)用設(shè)備等構(gòu)成了整個(gè)有軌電車(chē)低壓配電系統(tǒng)，通過(guò)放射式和樹(shù)干式相結(jié)合的配電方式，以變電所為中心，將電源輸送至用電設(shè)備的末端。電源系統(tǒng)是低壓配電系統(tǒng)的重要組成部分。電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)是否合理、設(shè)備和施工質(zhì)量是否合格、系統(tǒng)運(yùn)行是否穩(wěn)定，都會(huì)直接影響整個(gè)線(xiàn)網(wǎng)的運(yùn)行安全和所有運(yùn)營(yíng)人員的人身安全。

1.4 現(xiàn)代有軌電車(chē)電源系統(tǒng)的特點(diǎn)

供電系統(tǒng)的外電源方案是有軌電車(chē)工程與城市電網(wǎng)連接的技術(shù)紐帶。供電系統(tǒng)負(fù)荷等級(jí)的選擇劃分是確定外電源方案的主要因素之一，應(yīng)設(shè)置合理的供電方式。

有軌電車(chē)車(chē)站有別于城市地鐵車(chē)站常規(guī)的功能設(shè)備用房，車(chē)站設(shè)置比較簡(jiǎn)易，占地規(guī)模小，用電負(fù)荷少且容量較小。車(chē)站僅設(shè)置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的擋雨棚，用電負(fù)荷僅有夜間路燈、車(chē)站照明、站牌照明、廣告照明和通信信號(hào)設(shè)備等幾種，總的電源容量較小，如圖1和圖2所示。

表1 現(xiàn)代有軌電車(chē)與其他公共交通的比較

圖1 有軌電車(chē)示意圖

圖2 有軌電車(chē)站臺(tái)

2 現(xiàn)代有軌電車(chē)工程電源系統(tǒng)方案

本文將結(jié)合合肥有軌電車(chē)工程可行性研究，探析現(xiàn)代有軌電車(chē)工程電源系統(tǒng)方案，主要從外部電源選擇和內(nèi)部配電系統(tǒng)電源方案兩方面進(jìn)行論述。車(chē)站及相鄰區(qū)間的動(dòng)力照明負(fù)荷由車(chē)站變電所和箱式變電臺(tái)供電；車(chē)輛基地的動(dòng)力照明負(fù)荷由車(chē)輛段牽混所或跟隨所供電。動(dòng)力照明負(fù)荷應(yīng)按變電所負(fù)荷分級(jí)的原則進(jìn)行配電。動(dòng)力照明配電系統(tǒng)采用三相四線(xiàn)制，系統(tǒng)電壓為AC220/380 V，接地型式采用TN-S或TNC-S系統(tǒng)。

2.1 外部電源供電方式的選擇

本工程電源供給對(duì)象主要分兩部分：一是供列車(chē)牽引用電，二是供末端負(fù)荷設(shè)備使用。牽引整流機(jī)組和配電變壓器分散設(shè)置在有軌電車(chē)線(xiàn)路沿線(xiàn)，負(fù)荷分布較均勻。對(duì)于此種負(fù)荷分布情況，常規(guī)可供選擇采用的供電方式分為3種，即集中、分散和混合供電方式。

集中供電方式與分散供電方式的比較見(jiàn)表2，混合供電方式的優(yōu)缺點(diǎn)介于兩者之間。

混合供電方式是以集中供電為主、分散供電為輔的供電方式，是上述兩種供電方式的結(jié)合，其繼電保護(hù)和運(yùn)營(yíng)管理更顯復(fù)雜。目前，在國(guó)內(nèi)暫無(wú)采用混合供電方式的工程實(shí)例。

依據(jù)《城市無(wú)軌電車(chē)和有軌電車(chē)供電系統(tǒng)》 CJ/T1—1999 3.1.4條規(guī)定，有軌電車(chē)交流電源標(biāo)稱(chēng)電壓宜采用10 kV；《城市有軌電車(chē)工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（送審稿）中規(guī)定供電系統(tǒng)外部電源方案采用分散式供電，外部電源的電壓等級(jí)應(yīng)根據(jù)城市電網(wǎng)中壓電壓等級(jí)選擇。

2.2 供電負(fù)荷分析

低壓配電系統(tǒng)將來(lái)自降壓變電所/變電臺(tái)的220/380 V電壓提供給沿線(xiàn)的動(dòng)力、照明設(shè)備，具體根據(jù)用電設(shè)備的重要程度劃分為3類(lèi)。

2.2.1 一級(jí)負(fù)荷

一級(jí)負(fù)荷：通信、信號(hào)（道岔轉(zhuǎn)折設(shè)備、段內(nèi)微機(jī)連鎖）、道口信號(hào)設(shè)備、綜合監(jiān)控、雨水、廢水泵、消防設(shè)備、應(yīng)急照明以及變電所操作電源等。

供電要求：設(shè)置兩路獨(dú)立的0.4 kV回路，在末端設(shè)雙電源自動(dòng)切換裝置，切換后供電。一級(jí)負(fù)荷中特別重要的負(fù)荷，除由雙電源供電外，還應(yīng)增設(shè)后備電源，如信號(hào)、應(yīng)急電源等。

表2 集中供電方式與分散供電方式的比較

表3 供電方案對(duì)比表

2.2.2 二級(jí)負(fù)荷

二級(jí)負(fù)荷：車(chē)站照明、地面區(qū)間照明、設(shè)備房屋照明、一般給水泵和垂直電梯。

供電要求：由一路獨(dú)立的0.4 kV回路供電，當(dāng)供電系統(tǒng)一回電源失電時(shí)，應(yīng)由另一回電源維持供電，緊急情況下可切除。

2.2.3 三級(jí)負(fù)荷

三級(jí)負(fù)荷：電熱設(shè)備、清潔設(shè)備、廣告照明和檢修電源等。

供電要求：由一路0.4 kV回路供電，當(dāng)供電系統(tǒng)一回電源失電時(shí)，應(yīng)自動(dòng)將其從電網(wǎng)中切除。

2.3 正線(xiàn)車(chē)站電源方案

正線(xiàn)車(chē)站供電方式分為集中式供電、分散式供電和混合式供電3種方案。供電方案的選擇應(yīng)結(jié)合沿線(xiàn)城市電網(wǎng)的分布、供電可靠性、運(yùn)營(yíng)管理以及投資等多方面因素綜合考慮。

2.3.1 方案一：集中式供電

本工程全線(xiàn)設(shè)有10 kV環(huán)網(wǎng)電源，根據(jù)全線(xiàn)車(chē)站型式和用電負(fù)荷分布情況，每個(gè)車(chē)站分別設(shè)置箱式變電臺(tái)或在設(shè)置有牽引所的車(chē)站與其合建為牽引降壓混合變電所，利用沿線(xiàn)設(shè)置的10 kV環(huán)網(wǎng)接入電源。

優(yōu)點(diǎn)：電源可靠性高，線(xiàn)路故障率低，受地方電源影響較小，同時(shí)與城市電網(wǎng)接口少，調(diào)度方便，運(yùn)營(yíng)管理容易。

缺點(diǎn)：每座車(chē)站均設(shè)置10 kV進(jìn)線(xiàn)的箱式變電臺(tái)或降壓所部分，投資較高。

2.3.2 方案二：分散式供電

本工程全線(xiàn)大部分穿越的是中心城區(qū)，沿線(xiàn)的10 kV及0.4 kV市政電源較多。根據(jù)以上情況，考慮每個(gè)車(chē)站分別就近引接沿線(xiàn)的市政10 kV電源或0.4 kV電源，由分散引入的城市低壓電源直接為車(chē)站供電。

優(yōu)點(diǎn)：沿線(xiàn)市政電源較豐富，電源接取較為方便，投資相對(duì)較小。

缺點(diǎn)：電源的可靠性相對(duì)較低，且與城市電網(wǎng)接口多，調(diào)度復(fù)雜，管理工作量大，排除故障時(shí)操作程序較復(fù)雜。

2.3.3 方案三：集中與分散式供電相結(jié)合

本工程全線(xiàn)設(shè)有10 kV環(huán)網(wǎng)電源，且全線(xiàn)大部分穿越的是中心城區(qū)，沿線(xiàn)的市政電源也較為豐富。在設(shè)有牽引變電所或設(shè)有道岔配線(xiàn)、平交道口等有一級(jí)負(fù)荷的車(chē)站設(shè)置降壓所（與牽引所合建）或箱式變電臺(tái)，電源取自沿線(xiàn)10 kV環(huán)網(wǎng)。其余車(chē)站一般負(fù)荷由沿線(xiàn)就近引接0.4 kV市政電源。

優(yōu)點(diǎn)：由于車(chē)站重要負(fù)荷電源引自10 kV環(huán)網(wǎng)，供電可靠性相對(duì)較高，線(xiàn)路故障率較低。

缺點(diǎn)：由于全線(xiàn)一級(jí)負(fù)荷的電源點(diǎn)較多，10 kV環(huán)網(wǎng)的電源引接點(diǎn)仍然較多，投資相對(duì)較高；同時(shí)存在與城市電網(wǎng)的多個(gè)接口，調(diào)度較復(fù)雜，管理工作量較大。

2.4 車(chē)站供電方案比選

車(chē)站供電方案對(duì)比情況，如表3所示。

根據(jù)表3，考慮本工程的車(chē)站型式、行車(chē)配線(xiàn)及以后的運(yùn)行管理方式等情況，綜合運(yùn)營(yíng)管理、供電可靠性和投資等因素，暫考慮推薦采用集中式供電方式。

2.5 車(chē)站集中式供電方案

（1）結(jié)合牽引變電所布點(diǎn)方案，在設(shè)有牽引變電所的車(chē)站設(shè)置降壓變電所合建牽混所，提供變電所所用電、通信、信號(hào)、車(chē)站及相鄰區(qū)間負(fù)荷用電。

（2）在設(shè)置有一級(jí)負(fù)荷的車(chē)站分別從兩段環(huán)網(wǎng)上分別引接10 kV電源，并分別設(shè)置一座10/0.4 kV箱式變電臺(tái)，其中一座為信號(hào)設(shè)備主用電源，另一座為車(chē)站和相鄰區(qū)間其他負(fù)荷及信號(hào)備用電源供電。

（3）普通車(chē)站從一段環(huán)網(wǎng)上引接10 kV電源，設(shè)置一座10/0.4 kV箱式變電臺(tái)為車(chē)站及相鄰區(qū)間負(fù)荷供電。

（4）每座箱式變電臺(tái)10 kV側(cè)均采用單母線(xiàn)接線(xiàn)方式，母線(xiàn)上設(shè)置一進(jìn)一出一饋線(xiàn)回路，配電變壓器采用D,Yn11的接線(xiàn)組別。

3 車(chē)輛段（停車(chē)場(chǎng)）電源方案

根據(jù)車(chē)輛基地規(guī)模和用電要求，車(chē)輛基地設(shè)置降壓變電所（或合建牽混所）及跟隨式降壓變電所，設(shè)置原則如下。

（1）根據(jù)車(chē)站、車(chē)輛段規(guī)模的大小和設(shè)備負(fù)荷分布情況，降壓變電所、箱式變電臺(tái)應(yīng)設(shè)置在負(fù)荷中心。

（2）當(dāng)車(chē)站、車(chē)輛段內(nèi)同時(shí)設(shè)有牽引變電所時(shí)，將牽引變電所和降壓變電所合建為牽引降壓混合變電所。

（3）降壓變電所、跟隨所均按無(wú)人值班方式設(shè)計(jì)。

（4）可結(jié)合沿線(xiàn)道路照明電源，實(shí)現(xiàn)資源共享。

（5）箱式變電臺(tái)采用戶(hù)外緊湊型成套裝置，箱式變電臺(tái)盡可能與沿線(xiàn)綠化相結(jié)合，并優(yōu)先選用埋地式成套裝置。

4 結(jié) 論

綜上所述，現(xiàn)代有軌電車(chē)電源系統(tǒng)較為復(fù)雜，既要考慮外部電源的供電方式、變電所或箱式變電臺(tái)的位置，又要綜合考慮用電負(fù)荷特點(diǎn)和分布情況，才能確保整個(gè)線(xiàn)網(wǎng)的運(yùn)行安全和運(yùn)營(yíng)人員的人身安全。