城市軌道交通供電系統(tǒng)及電力技術(shù)分析

杜娟

摘 要：只有保障城市軌道交通供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性才能夠保障城市軌道交通的正常運(yùn)行。當(dāng)前，城市軌道交通常用集中式供電、分散式供電與混合式供電等不同的方式，常用的電力技術(shù)有諧波分析與治理技術(shù)、無功功率補(bǔ)償技術(shù)與繼電保護(hù)技術(shù)等，需不斷提高技術(shù)水平。

關(guān)鍵詞：城市軌道交通;供電系統(tǒng);電力技術(shù)

中圖分類號(hào)：U239.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 前言

城市軌道交通在人們的生活以及社會(huì)的發(fā)展中發(fā)揮著重要作用，而供電系統(tǒng)是城市軌道交通的關(guān)鍵動(dòng)力，承擔(dān)著為軌道交通輸送電力的重任，影響著城市軌道交通的運(yùn)行質(zhì)量。同時(shí)，城市軌道交通越來越復(fù)雜，因此本文將對(duì)城市軌道交通供電系統(tǒng)與電力技術(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)要分析，以期為城市軌道交通的發(fā)展提供幫助。

1 城市軌道交通概述及其供電系統(tǒng)構(gòu)成

（1）城市軌道交通的概念。城市軌道交通指的是城市中使用車輛在固定導(dǎo)軌上運(yùn)行且用于城市客運(yùn)的交通系統(tǒng)[1]。城市軌道交通是以電能為主要?jiǎng)恿?，以輪軌運(yùn)輸為主要運(yùn)輸方式的公共交通，主要包括地鐵、輕軌以及現(xiàn)代有軌電車。

（2）城市軌道交通供電系統(tǒng)的構(gòu)成。城市軌道交通是城市電網(wǎng)的關(guān)鍵用戶，通常是從城市電網(wǎng)直接獲取電能，其供電系統(tǒng)主要是由電源系統(tǒng)、牽引供電系統(tǒng)以及動(dòng)力照明系統(tǒng)構(gòu)成的。電源系統(tǒng)是城市軌道交通與城市電網(wǎng)之間的接口，可以將城市電網(wǎng)中的電能引入到供電系統(tǒng)中;牽引供電系統(tǒng)可以為車輛提供充足的電能，一般是由牽引變電所以及牽引網(wǎng)構(gòu)成的;而動(dòng)力照明系統(tǒng)可以為所有的地鐵用電負(fù)荷提供電能，例如計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、信號(hào)系統(tǒng)、通信系統(tǒng)以及事故照明系統(tǒng)等一級(jí)負(fù)荷[2]。

2 城市軌道交通電源系統(tǒng)的供電方式

（1）集中式供電。城市軌道交通中的集中式供電指的就是根據(jù)城市軌道交通的用電容量以及線路長度沿著線路構(gòu)建專用的主降壓變電所，從而為整個(gè)城市軌道交通線路供電的外部供電方式（如圖1所示）[3]。每一座主變電所都包括兩條獨(dú)立的進(jìn)線電源，有利于增強(qiáng)供電的穩(wěn)定性與可靠性。同時(shí)，可以根據(jù)城市軌道交通內(nèi)部供電系統(tǒng)的電壓需求降低電壓。

集中式供電這種供電方式可以為城市軌道交通公司的運(yùn)營管理工作提供便利，且所有的變電所都是由環(huán)網(wǎng)供電的，具有較強(qiáng)的可靠性。但是，集中式供電也有一定的弊端，即需構(gòu)建獨(dú)立的主變電所，且主變電所需要配備大功率降壓變壓器，成本相對(duì)較高。當(dāng)前，上海、廣州等城市采用的是集中式供電。

（2）分散式供電。城市軌道交通中的分散式供電指的是線路沿線分散從城市中壓網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中引入多路電源，直接為牽引變電所與降壓變電所供電，也可以通過電源開閉間接供電（如圖2所示）。

相比于集中式供電，分散式供電不需要構(gòu)建單獨(dú)的主變電所，也不需要配備大功率降壓變壓器，成本較低。但是，電源是從城市中壓電網(wǎng)中引入的，所以供電質(zhì)量會(huì)受到居民用電情況的影響，不太穩(wěn)定，且會(huì)加大管理難度。同時(shí)，分散式供電與城市電網(wǎng)有密切聯(lián)系，運(yùn)營管理難度較大，主要應(yīng)用在北京地鐵、大連輕軌以及長春輕軌中。

（3）混合式供電。顧名思義，混合式供電就是集中式供電與分散式供電的結(jié)合，是以集中式供電為主、以分散式供電為輔的供電方式。相比于單獨(dú)的供電方式，混合式供電汲取了集中供電與分散式供電的優(yōu)勢(shì)，可以滿足城市電網(wǎng)、城市未來規(guī)劃以及城市軌道交通的需求，具有較強(qiáng)的靈活性，且供電質(zhì)量較好。當(dāng)前，武漢與北京地鐵應(yīng)用了這種供電方式。

在選擇供電方式時(shí)，需綜合考慮各種影響因素（如表1所示）。而無論應(yīng)用哪種供電方式都應(yīng)當(dāng)保障牽引供電系統(tǒng)與動(dòng)力照明系統(tǒng)的供電質(zhì)量，且每一個(gè)變電所都應(yīng)當(dāng)具備兩條獨(dú)立的電源進(jìn)線，當(dāng)作備用。

3 牽引供電系統(tǒng)的構(gòu)成

（1）牽引供電系統(tǒng)供電制式。一般情況下，城市軌道交通當(dāng)中的牽引供電系統(tǒng)的供電制式主要包括直流制與交流制這兩種類型，而近年來也出現(xiàn)了雙制式供電系統(tǒng)，將直流制與交流制有機(jī)結(jié)合了起來。直流制是城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)多用的供電制式，降壓整流機(jī)組可以將牽引變電所從中壓網(wǎng)絡(luò)中引入的電流改變?yōu)橹绷麟?，之后將直流電輸送到牽引網(wǎng)當(dāng)中，從而為列車供電[4]。直流制供電可以有效滿足地鐵牽引電機(jī)的需求，將整流裝置設(shè)置在牽引變電所當(dāng)中，從而減輕列車本身的重量。且直流制供電可以實(shí)現(xiàn)牽引網(wǎng)供電的連貫性，當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)可以將雙邊供電切換為單邊供電或大雙邊供電，增強(qiáng)供電的可靠性。但是，直流制供電也并非全是優(yōu)點(diǎn)，也存在線路損耗大、供電距離短、雜散電流危害以及再生能量反饋難等問題。

（2）牽引網(wǎng)的構(gòu)成。牽引網(wǎng)是牽引供電系統(tǒng)的關(guān)鍵構(gòu)成部分，主要是由饋電線、回流線、走行軌以及接觸網(wǎng)共同構(gòu)成的，是列車受電的直接裝置。牽引網(wǎng)的安裝位置不同，所以可以將牽引網(wǎng)劃分為接觸軌與架空接觸網(wǎng)等類型。

4 城市軌道交通中的電力技術(shù)

（1）諧波分析及治理技術(shù)。城市軌道交通的供電系統(tǒng)當(dāng)中存在大量的非線性負(fù)荷，例如熒光燈、牽引整流機(jī)組以及UPS電源等都屬于非線性負(fù)荷，會(huì)產(chǎn)生諧波，影響供電質(zhì)量。同時(shí)，供電系統(tǒng)當(dāng)中的諧波不僅會(huì)加大供電線路的損耗，導(dǎo)致電氣設(shè)備無法正常運(yùn)行，也會(huì)干擾到通信系統(tǒng)的正常運(yùn)行。而在直流制牽引供電系統(tǒng)當(dāng)中，整流機(jī)組會(huì)產(chǎn)生大量的諧波。為此，可以通過加裝無源濾波器、加裝有源濾波器或增加整流裝置的脈波數(shù)等方式進(jìn)行諧波治理，減少諧波對(duì)供電系統(tǒng)與供電質(zhì)量的影響。

（2）無功功率補(bǔ)償技術(shù)。城市軌道交通供電系統(tǒng)中的動(dòng)力照明系統(tǒng)當(dāng)中應(yīng)用了很多低壓用電設(shè)備，功率因數(shù)相對(duì)較低，這就會(huì)增加供電線路的損耗，導(dǎo)致變送配電設(shè)備出現(xiàn)嚴(yán)重的發(fā)熱情況，且會(huì)增加供電線路的無功電壓，這就會(huì)導(dǎo)致線路末端的電壓過低，也會(huì)導(dǎo)致電壓與電流之間產(chǎn)生較大的相位差，繼而產(chǎn)生嚴(yán)重的諧波分量，為此應(yīng)當(dāng)通過無功功率補(bǔ)償這一方法提高功率因數(shù)，減少影響。

（3）迷流腐蝕及防護(hù)技術(shù)。直流制供電方式采用了走行軌，將走行軌當(dāng)作電流的回流線。但是，鋼軌對(duì)地并不是完全絕緣的，所以部分電流就會(huì)流入道床當(dāng)中，經(jīng)過鋼筋以及水管等金屬導(dǎo)線后會(huì)流回牽引變電所，這就形成了迷流[5]。而迷流會(huì)腐蝕軌道交通當(dāng)中的金屬設(shè)備，損壞走行軌與地下金屬設(shè)備。為此，需要科學(xué)處理迷流并堅(jiān)持防治與檢測(cè)相結(jié)合的原則。防治的主要目的是減少雜散電流值，主要措施包括加強(qiáng)走行軌對(duì)地的絕緣、在沿線設(shè)置迷流收集網(wǎng)以及排流柜等裝置，從而使迷流流回牽引變電所的負(fù)極。而檢測(cè)的主要目的是收集數(shù)據(jù)，可以通過專門的檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)軌地阻抗與運(yùn)輸結(jié)構(gòu)的腐蝕電位進(jìn)行檢測(cè)，從而為迷流腐蝕的防護(hù)與軌道的養(yǎng)護(hù)工作提供數(shù)據(jù)支持。

（4）繼電保護(hù)技術(shù)。繼電保護(hù)技術(shù)在城市軌道交通供電系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用，可以保護(hù)供電系統(tǒng)，當(dāng)供電系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)可以及時(shí)報(bào)警并切除故障設(shè)備。例如，交流供電中以零序電流保護(hù)與有過負(fù)荷保護(hù)為主，主要應(yīng)用在進(jìn)線電纜單相接地故障、配電變壓器高壓側(cè)故障以及負(fù)荷過載運(yùn)行中。而直流饋線保護(hù)以大電流脫扣保護(hù)、電流上升率與電流增量保護(hù)、接觸網(wǎng)熱過負(fù)荷保護(hù)、雙邊聯(lián)跳保護(hù)、過流保護(hù)以及自動(dòng)重合閘為主。供電系統(tǒng)當(dāng)中的繼電保護(hù)主要應(yīng)用了縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)措施，即利用通信信道將輸電線兩端的保護(hù)裝置縱向聯(lián)結(jié)起來，從而將兩端的電氣量傳輸?shù)綄?duì)端，并進(jìn)行對(duì)比，從而判斷是否需要執(zhí)行保護(hù)動(dòng)作。

5 結(jié)語

城市軌道交通的供電系統(tǒng)主要是由牽引供電系統(tǒng)、電源系統(tǒng)以及動(dòng)力照明系統(tǒng)共同構(gòu)成的，其中電源系統(tǒng)的供電方式包括集中式供電、分散式供電以及混合式供電，常用的電力技術(shù)包括供電系統(tǒng)中的諧波分析與治理技術(shù)、無功功率補(bǔ)償技術(shù)、迷流腐蝕與防護(hù)技術(shù)以及繼電保護(hù)技術(shù)，優(yōu)化供電方式、靈活運(yùn)用電力技術(shù)有利于優(yōu)化城市軌道交通的供電系統(tǒng)，保障城市軌道交通的穩(wěn)定運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)：

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