有軌電車供電系統負荷等級與外電源方案

張劍濤 楊 珂 楊 銳

(北京城建設計發展集團股份有限公司 北京 100037)

有軌電車供電系統負荷等級與外電源方案

張劍濤 楊 珂 楊 銳

(北京城建設計發展集團股份有限公司 北京 100037)

從有軌電車供電系統外電源實施的角度出發，通過實際工程中有軌電車供電系統負荷等級的確定、外電源方案的要點以及報裝過程中需要注意的問題，提出有軌電車的負荷等級可以為一級或二級負荷，應結合多方面的因素統一考慮。外電源方案應綜合考慮城網電源形式、容量以及接線方式等，并在報裝階段注意表計、諧波等要點，從而使得有軌電車的供電網絡能夠良好地融入到城市電網中，提供可靠的電源。

有軌電車;供電系統;外電源;負荷等級

自21世紀初期以來，在全國范圍內，有軌電車系統陸續開始規劃、建設。其中，沈陽市渾南新區現代有軌電車工程是國內首次在一年半的時間內完成從規劃、建設，到網絡化運營的有軌電車項目。在該工程實施過程中，筆者意識到，從有軌電車的通車及運行角度來看，供電系統、車輛、軌道構成了有軌電車通車并可靠運行的3個重要因素。其中，供電系統與其他系統的重要區別之一在于供電系統的外電源方案。

供電系統的外電源方案是有軌電車工程與城市電網連接的技術紐帶，外電源方案的可行性、技術性和經濟性不僅關系到城市電網對有軌電車供電系統的接納程度，也關系到有軌電車初期建設階段的投資以及后期供電系統運行的可靠性。在研究有軌電車外電源方案的過程中，供電系統負荷等級的選擇是確定外電源方案的主要因素之一。

1 負荷等級的選擇

參照既有的相關規范，確定一級負荷的主要因素是在中斷供電后，造成人身傷亡、經濟上的重大損失、重大政治影響或公共場所秩序嚴重混亂［1］。參照國內的規范，有軌電車的供電負荷等級被列為交流電源的一級或二級負荷［2］。

在多數情況下，有軌電車供電系統負荷等級選擇為二級負荷更為合適，主要考慮以下幾個因素。

1.1 運營特點

有軌電車作為一種公共交通工具，通常在城市既有現狀的基礎上進行規劃與建設，常用的客流斷面最大為9 000人次/h。有軌電車是城市公共交通體系的一部分，當其由于城市電網的因素停止運行時，對公眾出行的影響并非是決定性的，對城市的整體運行也并非是沖擊性的;而且，由于其路權條件的良好適應性，一旦發生停運的情況，可通過租用社會公共交通資源，對有軌電車的客流進行應急性支援，弱化對城市公共交通的沖擊［3］。

1.2 制式特點

有軌電車運行在室外環境下，車輛門檻低地板設置，門檻處踏板距離地面的高度為380 mm;車輛上配置了車門緊急解鎖裝置，一旦由于城市電網原因突然停電，可以立即疏散乘客;在空載狀態下救援車輛，如果車輛喪失動力，可以采用人員推動、儲能裝置驅動或救援車輛牽引等方式，離開平交道口等重要區段，避免對城市交通的影響［4］。

1.3 城市電網條件

選擇二級負荷既可降低外電源接入費用，也可與城市電網更好地結合。如果選擇一級負荷，對引入電源的要求是來自城市電網不同的變電站或者同一個變電站的不同母線。通常，有軌電車外電源的間距在5～8 km，城市電網的覆蓋范圍遠大于有軌電車外電源的間距。一方面，城市建成區的電力資源較為緊張;另一方面，除大型的工業類用電會提供專用線路外，多數用戶的用電負荷均接于公用線路側，無論是從上級變電所的出線間隔、饋線類型，還是從饋線的容量來說，一級負荷都會大大占用城市特別是建成區域內的電力資源。同時，對于有軌電車的建設方來說，一旦需要自上級變電所引入專用線路，無論是施工進度還是建設費、增容費等支出費用都是一筆不小的投資，從而對有軌電車的整體技術經濟指標產生較大的影響。

現階段電氣裝備制造水平、制造工藝等都有了長足的進步，且保持在一個較高、較為穩定的水平，在正常使用過程中，通常設備較少發生單點性故障。此外，現階段城市電網已經能夠確保城市用戶有著較高的用電可靠性，供電局內部也有一整套的考核及保障制度保證城市電網用戶的可靠用電，因此，即使是二級負荷，在非故障停電的情況下，通過合理設置中壓網絡及運行方式，也能夠保證有軌電車供電系統的可靠運行［5］。

因此，供電系統負荷等級的確定應基于有軌電車的制式特點、車輛特點、運營特點，結合城市電網的現狀條件，遵循技術經濟綜合指標最優的原則，合理選擇供電系統負荷等級。

2 外電源方案需要注意的問題

2.1 城網的電源形式

相對于軌道交通來說，有軌電車的外電源引自沿線區域內的城市電網，電源類型從數量上來說，應以公用線路為輔，專用線路為主;從網絡結構角度來講，應以專用線路為骨架，公用線路為支撐。若從城市電網引入10 kV專用線路，由于要引自上級城網變電站，并且占用獨立的出線間隔，相應的投資以及實施難度較大;而若采用公共線路，可以就近引自上級開閉站或鄰近的供電線路，相應的投資及供電方案的靈活性要遠遠優于專用線路。此外，由于10 kV電源的供電半徑為10 km左右，根據有軌電車網絡化分布的特點，以渾南現代有軌電車工程為例，全線共引入10個外電源，其中4個為專用電源，6個為共用電源。專用電源考慮應急條件下的供電半徑，遵循應急支援10 km的供電半徑以及將專用電源設置在重要的網絡節點的原則。

2.2 外電源的報裝容量

外電源容量的選擇，一方面關系到方案的可行性，另一方面也關系到初期建設的投資。筆者認為，考慮在1個電源失電時，外電源的容量宜滿足非正常運行方式下全線非高峰小時的供電負荷。如按照330元/kVA計算，每千米非高峰小時供電負荷較高峰小時供電負荷減少240 kVA左右，相應減少7.9萬元/km。

此外，在報裝前需要考慮以下3個指標之間的關系：初近期正常運行方式下的容量;初近期非正常運行方式下的容量;遠期正常運行方式下的容量。在計算上述3個容量的基礎上，結合行車組織、客流預測、服務水平，綜合確定技術經濟指標最優的方案。

2.3 中壓網絡的接線方式

中壓網絡的接線方式，無論是一級負荷還是二級負荷，在外電源方案的基礎上，應選擇與之相匹配的接線方式，才能使其外電源方案的合理性得到最大限度的發揮。渾南有軌電車在運行中選擇了單環網接線方式，每個供電分區引入一個外電源，相鄰外電源之間設置應急聯絡開關。

單環網接線方式指每個供電分區至少有1個電源作為分區的備用電源，以滿足中壓網絡(N－1)故障原則下的正常運行。需要注意的是，由于是單環網接線方式，在外電源申請過程中，線路末端需要引入外電源，確保單環網的完整性與供電的可靠性。

3 外電源報裝過程中需注意的問題

3.1 城市電網對外電源方案的影響

目前，城網供電局面對的用戶多為點式用戶，用戶往往是供電網絡饋出后的末端，而有軌電車由于系統用電需求，用電引入點通常在2個以上，并且在供電局的下端構成了10 kV供電網絡，因此，無論是從運行方式還是計費方式，均不同于供電局以往的用戶。在正式報裝前，應讓業主與供電客服組織或供電局就有軌電車供電系統的特殊性進行溝通，包括與供電局內部的運行、生產、計費、計量等部門溝通，從而避免在實施過程中方案變動帶來的影響。

3.2 進線電源處表計專用設備的安裝

供電局對于10 kV用戶有著嚴格的規章制度，特別是對外電源進線側表計及其他設備的安裝。因此，在外電源報裝前應與供電局協商，達成一致意見，避免對后期變電所及設備方案帶來影響。另外，不同地區對設備的入網許可也有不同的要求，需要提前溝通，將供電局對相關設備的準入許可要求，納入到設備的招標文件范圍內，從而避免因缺少設備入網許可而無法安裝、驗收并送電的情況發生。

渾南有軌電車工程在實施階段，所選擇的柜型要求廠家方案完全滿足供電局計量表計的安裝要求，同時，在進線處依照地方運行習慣，加裝了用戶負荷控制設備。

3.3 諧波與無功功率補償

諧波與無功功率補償是供電局對用戶的兩項主要考核標準，其中諧波在電源引入點需滿足國家相關規范的要求。有軌電車變電所采用12脈波或等效24脈波牽引整流機組，其理論的諧波為11、13等高次。通過計算以及軌道交通多年的運行經驗可以得知，有軌電車在電源點的諧波不會超過國家標準。對無功補償裝置來說，一方面正線有軌電車用電負荷主要為牽引供電負荷，極少量為低壓照明和道岔驅動沖擊負荷，因此牽引負荷的功率因數遠在0.9之上;另一方面，有軌電車中壓環網電纜直埋或穿管敷設在路基范圍內，它對地電容的特性也會大大提高電源引入點的功率因數，因此在正線變電所內可不設置無功功率補償裝置。上述兩項技術指標需要與供電局進行方案溝通，不設置上述兩類設備既可降低變電所的投資，也能減少變電所的占地面積。

以諧波為例，沈陽有軌電車工程在設計階段，按照遠期高峰小時負荷進行計算，計算結果如表1、2所示。

表1 諧波電流實際值 A

表2 諧波電壓畸變率

可以看出，盡管沈陽有軌電車工程每座牽引變電所僅設置了1臺12脈波牽引整流機組，但由于牽引負荷及牽引整流機組容量都較小，因此在外電源處諧波各項指標均能夠滿足國家標準要求。

4 結論

通過對有軌電車供電系統負荷等級及外電源方案要點的介紹與分析，得出有軌電車的負荷等級應結合車輛、電網、投資等因素綜合考慮，可以選擇設置為一級或二級負荷。外電源方案中應綜合考慮城網電源形式、外電源報裝容量、中壓網絡接線方式等因素;在外電源報裝時，也要注意城市電網對電源方案的影響、專用設備的安裝以及諧波、功率因數等方面，使得有軌電車供電系統能夠良好地融入到城市電網當中。

［1］GB 50052—2009供配電系統設計規范［S］.北京：中國計劃出版社，2010：6－7.

［2］CJ/T 1—1999城市無軌電車和有軌電車供電系統［S］.北京：中國標準出版社，2001：3－6.

［3］北京城建設計研究總院有限責任公司.歐洲輕軌交通系統考察調研報告［R］.北京，2010.

［4］中國地鐵工程咨詢公司.赴法國有軌電車及高速鐵路考察報告［R］.北京，2010.

［5］于松偉，楊興山，韓連祥，等.城市軌道交通供電系統設計原理與應用［M］.成都：西南交通大學出版社，2008：5－10.

Discussion about Load Level of the Power Supply and Municipal Power Supply Scheme of Tram

Zhang Jiantao Yang Ke Yang Rui
(Beijing Urban Construction Design＆Development Group Co.，Ltd.，Beijing 100037)

The load level of the power supply could be classified into I or II by analyzing the application of the tram power supply system，the power supply load，power supply scheme and the focal points in the municipal power used in the actual project.The type capacity and the system line diagram of the municipal power should be paid attention to.In the installation phase of the municipal power，the meters and the harmonic wave should also be taken care of.Finally the power supply system can be integrated with the municipal power harmoniously，and supply reliable power to the tram.

tram;power supply system;municipal power;load level

U271

A

1672－6073(2014)02－0113－03

10.3969/j.issn.1672 －6073.2014.02.028

2014－01－03

2014－01－25

張劍濤，男，工程師，從事軌道交通及有軌電車的設計，breadfree@163.com

北京市科委科技計劃課題(Z090506006309017)

(

王艷菊)