不同運(yùn)量跨座式單軌供電系統(tǒng)方案研究

郭 鑫，李經(jīng)緯，陳鵬元

0 引言

我國城市軌道交通建設(shè)以前所未有的規(guī)模和速度發(fā)展，建設(shè)總里程近10年間增加了3倍。隨著城市建設(shè)的不斷發(fā)展，道路擁擠程度的加大，公眾對于公共交通出行的依賴性日趨增強(qiáng)。在中小型城市，適用于中運(yùn)量規(guī)模的跨座式單軌系統(tǒng)受到了越來越多的青睞。相對傳統(tǒng)軌道交通模式，跨座式單軌系統(tǒng)具有比地鐵成本低、工期短，比輕軌高架線路占地少、污染小、能有效利用道路中央隔離帶、適于建筑物密度大的狹窄街區(qū)的優(yōu)點(diǎn)，是客流中等的交通線路和中等城市主要交通線路的較好選擇。我國當(dāng)前跨座式單軌設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)是基于大運(yùn)量軌道交通系統(tǒng)制定，若以現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)中低運(yùn)量軌道交通供電系統(tǒng)，會造成投資過高、資源浪費(fèi)等問題，增加車站占地面積，增大土建規(guī)模，直接影響整個(gè)系統(tǒng)的投資規(guī)模，進(jìn)而影響到跨座式單軌是否適應(yīng)于中小城市、中等運(yùn)量的軌道交通線路，是否可以大規(guī)模地推廣應(yīng)用。因此，對不同運(yùn)量跨座式軌道交通供電系統(tǒng)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)、可靠保障等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究具有一定現(xiàn)實(shí)意義。

1 外部電源供電方式選擇

目前，我國軌道交通供電系統(tǒng)常用供電方式為110/35 kV兩級電壓集中供電方式和10 kV分散供電方式。集中供電方式系統(tǒng)外部接口少、供電可靠性高、設(shè)備維護(hù)工作量較大、主變電所一次性建設(shè)投入高，但可以通過資源共享降低線網(wǎng)平均建設(shè)成本。分散供電方式對城市電網(wǎng)發(fā)達(dá)程度要求較高、系統(tǒng)外部接口多、設(shè)備維護(hù)工作量較小、單線投資成本較低，但難以進(jìn)行資源共享以節(jié)約投資。本節(jié)將從電源容量、投資影響等方面分析不同外部電源供電方式與不同運(yùn)量跨座式單軌線路的匹配性。

1.1 電源容量匹配性分析

GB 50157—2013《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》、GB 50458—2008《跨座式單軌交通設(shè)計(jì)規(guī)范》中對集中供電方式110 kV電源作出明確要求，即每座主變電所應(yīng)有2路獨(dú)立電源，其中至少有1路為專用電源。實(shí)際應(yīng)用中，為保證軌道交通的可靠運(yùn)行，大部分城市電網(wǎng)會向主變電所提供2路專用110 kV電源。

從電力系統(tǒng)電壓等級劃分來看，我國110 kV電壓等級屬于輸電電壓等級。在建設(shè)220 kV及以上變電站時(shí)，110 kV出線間隔作為一種非常重要的電力資源，往往配置高容量的送電設(shè)備，單路間隔出線電纜多采用630 mm2截面，修正后經(jīng)濟(jì)載流量為688 A，輸電能力不小于42 MW。考慮主變電所電源相互支援互為備用的工作方式，當(dāng)一條軌道交通線路高峰小時(shí)需用負(fù)荷不超過25 MW時(shí)，正常工況下主變電所單路進(jìn)線負(fù)荷小于12.5 MW，不足110 kV線路輸電能力的30%。在線路不具備資源共享?xiàng)l件時(shí)，采用集中供電方式既不經(jīng)濟(jì)也不合理，因此應(yīng)優(yōu)先考慮采用分散供電方式。相比較不同運(yùn)量線路負(fù)荷需求，對高運(yùn)量、大運(yùn)量以及運(yùn)力在2.2萬人/h以上的中高運(yùn)量線路，采用集中供電方式較為合理；低運(yùn)量線路需用負(fù)荷較小，采用分散供電方式更為合理。

1.2 工程投資分析

根據(jù)北京市軌道交通建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，在不考慮自建電纜隧道的前提下，分散供電方式每路10 kV專用電源的投資約為600萬元，當(dāng)需要局部自建電纜隧道時(shí)，每路電源投資達(dá)1 500萬元以上。10 kV電源投資中位數(shù)約為900萬元/路，分散供電每路外電源的投資中位數(shù)在一條20 km的地鐵線路需建設(shè)6座開閉所，引入12路10 kV外電源，外部電源總計(jì)投資約為1.08億元。

集中供電方式主變電所總投資包含外電線路投資、主變電所本體投資兩部分。外電線路投資受城市電源分布、電力走廊建設(shè)情況影響，各地差異較大。在國內(nèi)地鐵及單軌線路外部電源平均投資指標(biāo)中，主變電所投資中位數(shù)在1.1億元/座。一條20 km的地鐵線路需建設(shè)2座主變電所，外部電源總計(jì)投資約為2.2億元。

以國內(nèi)已開通或在建的軌道交通線路為例，分別對應(yīng)高運(yùn)量地鐵線路，大、中、低運(yùn)量單軌線路，采用相同線路長度進(jìn)行歸算，得出一條長度20 km線路在不同運(yùn)量、不同制式下的需用負(fù)荷容量，結(jié)合不同運(yùn)量線路需用功率和軌道交通建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，在不考慮資源共享時(shí)，對各條線路采用分散供電和集中供電方式下的外電源投資進(jìn)行對比，相關(guān)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 不同供電方式外電源投資對比

從表1可以看出：就單條線路而言，分散供電方式投資經(jīng)濟(jì)性較好，但對中大運(yùn)量及高運(yùn)量軌道交通線路，當(dāng)考慮2～3條線路資源共享時(shí)，集中供電方式線網(wǎng)外電源總投資更具優(yōu)勢；對中低運(yùn)量線路而言，即使考慮資源共享，分散供電總投資仍具一定優(yōu)勢。

1.3 分析結(jié)論

（1）運(yùn)送能力在1.8萬人/h以下的中、低運(yùn)量跨座式單軌線路宜采用10 kV分散供電方式；

（2）當(dāng)具備資源共享?xiàng)l件時(shí)，運(yùn)送能力在2萬人/h以上的中、大運(yùn)量跨座式單軌線路宜采用集中供電方式；

（3）當(dāng)不具備資源共享?xiàng)l件時(shí)，運(yùn)送能力在2萬人/h以上的中、大運(yùn)量跨座式單軌線路宜采用10 kV分散供電方式。

2 中壓網(wǎng)絡(luò)接線方式選擇

軌道交通中壓供電網(wǎng)絡(luò)接線多采用大分區(qū)雙環(huán)網(wǎng)接線方式。分散供電線路10 kV電源電纜常用截面為300 mm2，環(huán)網(wǎng)電纜常用截面為240 mm2、185 mm2，正常工況下最大載流不超過300 A，供電距離3～5 km，單路電纜平均輸電容量1.30 MW/km；故障工況下最大載流不超過550 A，供電距離8～10 km，單路電纜平均輸電容量1.06 MW/km。集中供電線路35 kV環(huán)網(wǎng)電纜常用截面為300、240、185 mm2，正常工況下最大載流不超過300 A，供電距離10～15 km，單路電纜平均輸電容量1.45 MW/km；故障工況下最大載流不超過550 A，供電距離20～30 km，單路電纜平均輸電容量1.33 MW/km。采用地鐵雙環(huán)網(wǎng)接線及分區(qū)方式的中壓網(wǎng)絡(luò)輸電能力與各條線路需用功率指標(biāo)的匹配情況如表2所示。

表2 雙環(huán)網(wǎng)輸電能力與線路功率指標(biāo)對比

從表2看出，軌道交通的雙環(huán)網(wǎng)輸電能力與高運(yùn)量線路負(fù)荷需求相匹配，遠(yuǎn)超中低運(yùn)量單軌線路需用功率。對客流斷面為2.24～2.82萬人/h的中運(yùn)量和大運(yùn)量單軌線路而言，通過適當(dāng)減小環(huán)網(wǎng)電纜截面并提高供電距離即可使雙環(huán)網(wǎng)輸電能力與線路需用功率相匹配。而對于客流斷面為1萬人/h以下的低運(yùn)量單軌線路而言，在10 kV電壓等級合理供電半徑內(nèi)，即使采用150 mm2的小截面環(huán)網(wǎng)電纜，線路需用負(fù)荷仍難以匹配雙環(huán)網(wǎng)輸電能力，此時(shí)中壓環(huán)網(wǎng)接線應(yīng)考慮采用單環(huán)網(wǎng)接線方式，不僅輸電能力更加契合線路負(fù)荷需求，還能減少電纜用量和開關(guān)設(shè)備數(shù)量，有效降低供電系統(tǒng)投資。

基于上述分析可以得出以下結(jié)論：

（1）運(yùn)送能力在1萬人/h以下的低運(yùn)量跨座式單軌線路宜采用10 kV單環(huán)網(wǎng)接線方式；

（2）運(yùn)送能力在1～1.8萬人/h的中運(yùn)量跨座式單軌線路經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后，可采用雙環(huán)網(wǎng)接線方式；

（3）運(yùn)送能力在2萬人/h以上的中運(yùn)量、高運(yùn)量跨座式單軌線路宜采用雙環(huán)網(wǎng)接線方式。

3 供電系統(tǒng)保障措施

大運(yùn)量單軌線路和運(yùn)力較大的中運(yùn)量單軌線路多采用雙電源雙環(huán)網(wǎng)供電方式。為保障線路正常運(yùn)行，在工程建設(shè)、運(yùn)營中一般從系統(tǒng)配置、設(shè)備選用、設(shè)備維護(hù)、人員管理4個(gè)方面入手，提高供電系統(tǒng)可靠性。相比較而言，中低運(yùn)量單軌線路采用單環(huán)網(wǎng)供電具有顯著成本優(yōu)勢，故障情況下該接線方式可通過倒閘作業(yè)快速恢復(fù)供電，但仍難以滿足一級負(fù)荷對雙電源、雙回路供電的高可靠性要求。大運(yùn)量軌道交通主要依靠高冗余度設(shè)備配置、高可靠性設(shè)備選用、高質(zhì)量設(shè)備維護(hù)和高素質(zhì)作業(yè)人員來保證供電系統(tǒng)的可靠性。4個(gè)方面可靠性保障措施中，高質(zhì)量維護(hù)和高素質(zhì)作業(yè)人員屬人為因素，可通過加強(qiáng)培訓(xùn)、完善制度、加強(qiáng)監(jiān)管實(shí)現(xiàn)，中低運(yùn)量單軌運(yùn)營單位也可以做到；系統(tǒng)設(shè)備配置與設(shè)備選用屬客觀因素，直接與建設(shè)投資相關(guān)。受成本因素限制，中低運(yùn)量單軌供電系統(tǒng)難以在設(shè)備配置冗余度上進(jìn)行全面提升，只能通過采用高可靠性設(shè)備及提升系統(tǒng)部分供電冗余能力來保障供電系統(tǒng)可靠運(yùn)行。

通過分析中低運(yùn)量單軌線路牽引負(fù)荷及配電負(fù)荷特點(diǎn)，結(jié)合城市電網(wǎng)10 kV環(huán)網(wǎng)供電及參考膠輪有軌電車供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，本文提出2種優(yōu)化的單環(huán)網(wǎng)供電方案，可在節(jié)省投資的前提下使供電系統(tǒng)滿足一級負(fù)荷的配電要求。

3.1 引入城市環(huán)網(wǎng)作熱備電源的方案

該方案0.4 kV母線采用單母線分段接線方式。供電系統(tǒng)10 kV側(cè)通過環(huán)網(wǎng)柜或T接方式引入城市環(huán)網(wǎng)或架空線路10 kV電源，經(jīng)小容量配電變壓器降壓后作為0.4 kV母線的第2路獨(dú)立電源，用于一級負(fù)荷雙電源供電。該方案系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 方案一供電系統(tǒng)

該方案主要特點(diǎn)：

（1）適用于車站數(shù)量較少、站間距較大的中低運(yùn)量單軌線路，非專用電源點(diǎn)引入數(shù)量較少，相比雙環(huán)網(wǎng)供電具有突出的成本優(yōu)勢；

（2）10 kV專用電源具備相互支援的能力，可在N-1故障下通過倒閘作業(yè)繼續(xù)運(yùn)行；

（3）牽引負(fù)荷由10 kV專用電源供電；

（4）正線牽引網(wǎng)采用雙邊供電，故障時(shí)采用大雙邊供電方式，具備N-1故障運(yùn)行能力；

（5）信號集中站變電所由2路專用電源供電，10 kV母線采用單母線分段接線方式，保障道岔等信號系統(tǒng)高用電量關(guān)鍵設(shè)備的供電安全；

（6）其他車站變電所由1路專用電源和1路非專用電源供電，其中非專用電源僅供一級配電負(fù)荷使用，并構(gòu)成專用電源所帶一級配電負(fù)荷的熱備用電源。

3.2 使用能饋裝置作備用電源的方案

該方案0.4 kV母線采用單母線接線方式，在變電所設(shè)低壓能饋裝置作為0.4 kV母線的備用電源。方案系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 方案二供電系統(tǒng)

該方案主要特點(diǎn)：

（1）適用于客流量較小的中運(yùn)量單軌線路，與傳統(tǒng)變電所設(shè)備配置方案相比，僅在降壓變電所增加小容量能饋裝置，即可構(gòu)成“交流環(huán)網(wǎng)+直流牽引網(wǎng)”的雙電源供電方式，可有效降低成本；

（2）10 kV專用電源具備相互支援的能力，可在N-1故障下通過倒閘作業(yè)繼續(xù)運(yùn)行；

（3）正線牽引網(wǎng)采用雙邊供電，故障時(shí)采用大雙邊供電方式，具備N-1故障運(yùn)行能力；

（4）信號集中站變電所由2路專用電源供電，10 kV母線采用單母線分段接線方式，保障道岔等信號系統(tǒng)高用電量關(guān)鍵設(shè)備的供電安全；

（5）0.4 kV負(fù)荷正常情況下由配電變壓器供電，配電變壓器故障退出時(shí)，能饋裝置切換為孤島運(yùn)行模式，為0.4 kV母線提供備用電源。

4 結(jié)語

從上述分析可以看出，中低運(yùn)量跨座式單軌線路的供電方案選擇可遵循以下幾點(diǎn)：（1）中低運(yùn)量跨座式單軌線路宜采用分散供電方式，中壓網(wǎng)絡(luò)宜采用10 kV單環(huán)網(wǎng)接線方式；（2）當(dāng)具備資源共享?xiàng)l件時(shí)，中高運(yùn)量跨座式單軌線路宜采用集中供電方式，中壓網(wǎng)絡(luò)宜采用35 kV雙環(huán)網(wǎng)接線方式，并可適當(dāng)降低環(huán)網(wǎng)電纜截面、提高環(huán)網(wǎng)供電距離；（3）當(dāng)不具備資源共享?xiàng)l件時(shí)，中高運(yùn)量跨座式單軌線路宜采用分散供電方式，中壓網(wǎng)絡(luò)宜采用10 kV雙環(huán)網(wǎng)接線方式。

對于中低運(yùn)量跨座式單軌線路的供電系統(tǒng)優(yōu)化可遵循以下幾點(diǎn)：（1）中低運(yùn)量單軌供電系統(tǒng)應(yīng)通過簡化設(shè)備配置或接線方案，減少設(shè)備數(shù)量及房屋面積，降低供電系統(tǒng)投資；（2）應(yīng)結(jié)合中低運(yùn)量單軌線路負(fù)荷較輕的特點(diǎn)，采用低成本電源方案解決供電系統(tǒng)一級負(fù)荷供配電需求，本文所述2種單環(huán)網(wǎng)優(yōu)化供電方案可提供一定參考。