城市軌道交通交流牽引供電系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

楊廣德

（天津鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津 300143）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)和科技發(fā)展，交通運(yùn)輸領(lǐng)域也表現(xiàn)出快速發(fā)展趨勢(shì)，很多一二線城市紛紛建設(shè)輕軌、地鐵等，其中，城軌供電問(wèn)題成為一個(gè)難題。城軌系統(tǒng)電源來(lái)自于城軌交流牽引供電系統(tǒng)。為了緩解城軌供電壓力，本文對(duì)供電系統(tǒng)進(jìn)行分析，對(duì)其設(shè)計(jì)模式進(jìn)行創(chuàng)新，希望可以供應(yīng)更多電力。

1 城軌交流牽引供電系統(tǒng)接觸網(wǎng)電壓等級(jí)確定

該系統(tǒng)進(jìn)行供電是建立在35 kV 電纜和接觸網(wǎng)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的，屬于工頻單相交流供電模式。一般來(lái)說(shuō)，過(guò)去城軌供電系統(tǒng)的接觸網(wǎng)電壓是1500 V 或者750 V。由于該系統(tǒng)是在過(guò)去系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新的供電模式，因此需要對(duì)電壓等級(jí)因素進(jìn)行調(diào)整。下面介紹如何確定該系統(tǒng)的接觸網(wǎng)電壓等級(jí)。

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

從整體上說(shuō)，該系統(tǒng)主要包括主變電所、單向組合式同相補(bǔ)償裝置（MTT 和NCD）、供電電纜和回流電纜（與接觸網(wǎng)平行或敷設(shè)在電纜溝中），以及單項(xiàng)牽引變壓器TT（間隔一定距離，不同繞組與不同設(shè)備并接）等。供電電纜之后的部分組成電纜牽引網(wǎng)，負(fù)責(zé)對(duì)輸入電壓進(jìn)行等級(jí)變換，并為列車(chē)提供電能。

1.2 設(shè)計(jì)條件

過(guò)去的城軌牽引供電系統(tǒng)采用雙邊供電模式，支持列車(chē)在軌道的任意一邊行進(jìn)時(shí)，同時(shí)從兩側(cè)牽引變電所獲得電能。如果末端供電單位出現(xiàn)問(wèn)題，才會(huì)使用單邊供電方式；如果中間的供電單位退出，此時(shí)由兩邊的點(diǎn)位供電，實(shí)行的是大雙邊供電模式。在這個(gè)過(guò)程中，電壓損失主要是由于機(jī)車(chē)取流大小、位置、布設(shè)點(diǎn)位等因素導(dǎo)致。如果是雙邊供電模式，最大的損失出現(xiàn)在饋電區(qū)中點(diǎn)，但是按照規(guī)定，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的最大電壓損失不能超過(guò)限值。因此，設(shè)計(jì)要保證在開(kāi)展大雙邊供電時(shí)，最大電壓損失低于限值，這樣才能保證系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)也應(yīng)如此，如果有中間點(diǎn)位退出，需要安排兩側(cè)的點(diǎn)位進(jìn)行供電，并且列車(chē)的正常運(yùn)行和高峰最大客流運(yùn)輸能力不受阻礙。

1.3 主要考慮因素

對(duì)于電壓等級(jí)的確定，主要需要考慮的因素有：①交流電壓峰值是有效值的倍；②城軌地下線路的隧道凈空及絕緣空間有限；③無(wú)車(chē)載變壓器帶來(lái)的電壓情況；④接觸網(wǎng)供電能力盡量高，使得損失盡量小。

在對(duì)其進(jìn)行論證時(shí)，需要考慮4 方面因素，接觸網(wǎng)的空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)盡量簡(jiǎn)潔，有利于輕型懸掛；鋼軌電位，需要盡量滿(mǎn)足EN 50122—1 的規(guī)定或者易于管理和控制；系統(tǒng)電壓的損失計(jì)算方法適用性強(qiáng)，系統(tǒng)在采取某電壓等級(jí)后，應(yīng)當(dāng)使用當(dāng)前普遍使用的計(jì)算方法進(jìn)行電壓損失的計(jì)算和工程設(shè)計(jì)；電壓水平需滿(mǎn)足出行高峰時(shí)正常運(yùn)行產(chǎn)生的最低電壓要求。

2 城軌交流牽引供電系統(tǒng)分析

當(dāng)前廣泛應(yīng)用的系統(tǒng)類(lèi)型是AC 25 kV、DC 1500 V 兩種。隨著技術(shù)進(jìn)步，也出現(xiàn)將這兩種方式結(jié)合到一起的形式，即雙制式。該系統(tǒng)的應(yīng)用目的是為城軌上的列車(chē)進(jìn)行供電，保證列車(chē)穩(wěn)定運(yùn)行，具體的供電方式是借助牽引網(wǎng)傳輸電流。也就是說(shuō)，整個(gè)系統(tǒng)相當(dāng)于電力傳輸模式、電壓和系統(tǒng)類(lèi)型的匯總。該系統(tǒng)直接影響城軌安全運(yùn)行，因此其系統(tǒng)設(shè)計(jì)和分析等備受關(guān)注。下面簡(jiǎn)單介紹其核心技術(shù)。

2.1 供電方式

（1）直流制。變電所、牽引網(wǎng)、接觸網(wǎng)一般使用DC 1500 V的供電方式。該方式下的牽引網(wǎng)選擇雙邊供電，若其中某個(gè)牽引所出現(xiàn)問(wèn)題，就轉(zhuǎn)變成大雙邊供電，這樣可以跨區(qū)域供電。同時(shí)，在該方式下一般會(huì)安排雜散電流保護(hù)機(jī)制，主要是因?yàn)樵撃Ｊ较驴蓪㈦娔茼樌至?，并?shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離輸送。但因?yàn)樽冸娔Ｊ接绊?，使其可供電距離較短，因此可能增加一些設(shè)備的建設(shè)和配置，增加成本。此外，該方式下的電能傳輸速率較低，優(yōu)勢(shì)不明顯。

（2）交流制。該方式下的系統(tǒng)使用25 kV 交流電。在該方式下，變電所配置兩部變壓器，一般選擇雙繞組的單相變壓，因此這些設(shè)備組成三角形結(jié)構(gòu)，有一側(cè)角存在開(kāi)口。因?yàn)樾枰揽孔冸娝鶎?shí)現(xiàn)降壓要求，所以在終端進(jìn)行降壓之外，在各個(gè)線路區(qū)間內(nèi)也有設(shè)置的加壓系統(tǒng)，主要提供照明電力。但實(shí)際運(yùn)行期間，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)運(yùn)行對(duì)于設(shè)備的耐磨損要求較高，主要是因?yàn)樵撓到y(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間處于動(dòng)態(tài)取流狀態(tài)，接觸壓力極大，設(shè)備磨損度較高。

2.2 電纜牽引網(wǎng)

一般城軌交通牽引供電系統(tǒng)是由DC 1500 V 供電，在某些條件下?lián)Q成750 V。但是經(jīng)過(guò)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，如果使用交流電實(shí)施供電，輕軌和地鐵的牽引網(wǎng)應(yīng)設(shè)計(jì)上下行兩條線路，采取并行模式，配置一條備用線路，在設(shè)計(jì)時(shí)備用線路也同樣工作。這樣兩條線路互相作為對(duì)方的備用線路，可以大大提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

2.3 牽引網(wǎng)分段供電與保護(hù)

城軌交通中的電纜牽引網(wǎng)較多，例如，可支持長(zhǎng)距離傳輸、可輸送電能大等，應(yīng)用十分廣泛。但是如果選擇上下行并行線路的設(shè)計(jì)方式，會(huì)增加系統(tǒng)的架設(shè)成本，而且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，一旦其中一環(huán)出現(xiàn)故障，很容易引起其他環(huán)節(jié)也出現(xiàn)故障。基于此，選擇分段供電模式，劃分區(qū)段進(jìn)行供電。設(shè)計(jì)時(shí)，也可以根據(jù)要求一起或分段設(shè)計(jì)。因此，一般情況下，為方便進(jìn)行施工，是在變壓器處進(jìn)行統(tǒng)一分段，然后在其他區(qū)間線路中進(jìn)行分開(kāi)分段。通過(guò)這種方式和設(shè)計(jì)，可以避免某段出現(xiàn)問(wèn)題后影響到其他段，分段實(shí)施保護(hù)，從而提升系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，減少出現(xiàn)故障的風(fēng)險(xiǎn)。

2.4 主變電所供電方案

這方面，對(duì)于設(shè)備數(shù)量和安裝位置有較大要求，而且設(shè)計(jì)方案對(duì)于實(shí)際供電有一定影響。一般具備單線、雙線和多線的供電方案，并適應(yīng)各自的設(shè)備安裝要求。

3 某市城軌二號(hào)線交流供電方案設(shè)計(jì)及造價(jià)分析

3.1 某市城軌二號(hào)線概況

某市城軌二號(hào)線共經(jīng)過(guò)4 個(gè)市區(qū)，5 條街道，然后到達(dá)終點(diǎn)。線路全長(zhǎng)30.5 km，高架段7.1 k m，地下段22.1 km，過(guò)渡段1.3 km。線路上共有車(chē)站15 座（地下13 座，高架2 座），有換乘站5 座，平均站間距1.96 km，最大站間距4.02 km，最小站間距0.73 km。車(chē)輛基地按照一段一場(chǎng)的原則布置。

3.2 供電方案

考慮這個(gè)線路的列車(chē)密度較大，實(shí)施6 kV 接觸網(wǎng)電壓等級(jí)之后，城軌交流牽引供電系統(tǒng)主變電所的單臂最長(zhǎng)供電距離可以達(dá)到30 km，兩側(cè)供電可達(dá)到60 km。因此，考慮在線路中間設(shè)置一個(gè)主變電所，可以滿(mǎn)足供電。

在正常工況下，牽引變電所的設(shè)計(jì)間距可以達(dá)到10 km，但最大不能超過(guò)12 km。間距越大，產(chǎn)生的區(qū)間中點(diǎn)電壓損失越大，鋼軌電位越高，故盡量避免間距過(guò)長(zhǎng)，盡量實(shí)現(xiàn)均勻分布。因此，應(yīng)用牽引供電系統(tǒng)時(shí)，對(duì)本線路的牽引變電所間距設(shè)計(jì)是4～6 km，具體間距聯(lián)系站點(diǎn)實(shí)際進(jìn)行。

3.3 方案對(duì)比

（1）方案一。2700 MV·A 條件，1 所單主變電所，3 條進(jìn)線路線，單相變壓器接線，主變壓器容量為（2×40）MV·A，同相補(bǔ)償裝置容量無(wú)，供電可靠性高，三相電壓不平衡度滿(mǎn)足國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，占地少，擴(kuò)展性較好。

（2）方案二。2700 MV·A 條件，2 所兩主變電所，（2+1）條進(jìn)線路線，單相變壓器接線，主變壓器容量為（2×40+40）MV·A，同相補(bǔ)償裝置容量無(wú)，供電可靠性極高，三相電壓不平衡度滿(mǎn)足國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，占地多，擴(kuò)展性好。

（3）方案三。1000 MV·A 條件，1 所單主變電所，3 條進(jìn)線路線，單相組合式變壓器接線，主變壓器容量為（2×31.5）MV·A，同相補(bǔ)償裝置容量為（2×12.5）MV·A，供電可靠性高，三相電壓不平衡度滿(mǎn)足國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，占地少，擴(kuò)展性較好。

（4）方案四。1000 MV·A 條件，2 所兩主變電所，（2+1）條進(jìn)線路線，單相組合式變壓器接線，主變壓器容量為（2×31.5+31.5）MV·A，同相補(bǔ)償裝置容量為（2×12.5+12.5）MV·A，供電可靠性極高，三相電壓不平衡度滿(mǎn)足國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，占地多，擴(kuò)展性好。

綜合來(lái)看，無(wú)論是什么樣的兆伏安條件，單主變電所的方案相比2 所兩主變電所方案，在占地和系統(tǒng)總造價(jià)方面具備較大優(yōu)勢(shì)，但擴(kuò)展性和供電可靠性方面存在一定弱勢(shì)。綜合考慮地區(qū)二號(hào)線路需求，本線路推薦選擇方案二。

4 結(jié)語(yǔ)

城市軌道交通交流牽引供電系統(tǒng)是當(dāng)前建設(shè)城軌應(yīng)用的新型供電系統(tǒng)，具有一些特殊優(yōu)勢(shì)。本文主要論述其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和運(yùn)行原理，說(shuō)明其關(guān)鍵技術(shù)，可以供技術(shù)人員針對(duì)城軌線路的特殊性，進(jìn)行合理選擇和設(shè)計(jì)建設(shè)方案。