城市軌道交通交流供電系統經濟性淺析

汪潤澤

【摘 要】我國城市軌道交通發展突飛猛進，但其采用的直流供電系統的缺陷不可避免，如雜散電流危害、直流電機換向困難、共用中壓環網影響等。論文介紹了城市軌道交通交流供電系統，并與既有的直流牽引系統比較，從主變壓器容量、主變電所數量、環網電纜用量、地下車站建設、運營檢修成本方面，淺析了城市軌道交通交流供電系統的經濟性。

【Abstract】The development of urban rail transit in our country is advancing by leaps and bounds， but the defects of the DC power supply system are inevitable， such as stray current hazards， DC motor commutation difficulties， and the effects of common use of medium voltage ring networks and so on. This paper introduces AC power supply system for urban rail transit， compared with the DC traction power system， and based on the main transformer capacity， the number of main substation， the amount of cable network cable， the construction of underground station and the cost of operation and maintenance， the economy of urban rail transit power supply system is analyzed.

【關鍵詞】交流供電系統；主變電所；電纜環網；經濟性

【Keywords】AC power supply system； main transformer substation； ring network power cable； economy

【中圖分類號】U21 【文獻標志碼】A 【文章編號】1673-1069（2017）09-0052-02

1 既有城市軌道交通牽引供電系統及弊端

1.1 既有城市軌道交通牽引供電系統

我國現有城市軌道交通供電系統是城市電網的一個用戶，直接從城市電網取得電能。采用集中供電的直流供電方式（以下稱直流供電），在城市軌道交通沿線，根據用電容量和線路長短，建設專用的主變電所，主變電所應有兩路獨立的進線電源。主變電所進線電壓一般為110kV，經降壓后變成35kV，經電纜環網，沿線路、隧道敷設至地下車站的牽引變電所與降壓變電所。牽引變電所將35kV牽引變降壓并經24脈整流得到1500V直流，經接觸網對地鐵電客車供電，走行軌回流方式。降壓變電所從中壓環網取電，降壓為0.4kV，對車站所有用電設備供電。[1]

1.2 直流供電方式的弊端

雜散電流（迷流）將對地鐵中供電網的電氣設備、設施的正常運行造成不同程度的影響，以及對基礎工程的隧道、道床的結構鋼和附近的金屬管線造成危害 。

地鐵電客車的頻繁啟停和很大的行車密度，不利于電客車直流電機的換向，而使用VVVF逆變器驅動的三相鼠籠式異步電機，也存在電客車設備復雜等缺點。牽引網和動力照明使用同組35kV中壓環網電纜，相互影響。地下車站建設要有足夠的牽引變壓器和整流機組的空間，建造成本高。

2 交流供電技術方案及優勢

2.1 交流供電技術方案

李教授提出的城市軌道交通交流供電系統，主要由主變電所（MSS）和電纜牽引網組成，電纜牽引網包括雙芯電纜（DCC）、牽引變壓器（TT）和接觸網（T）、鋼軌（R）等組成，其中雙芯電纜由供電芯線（FC）、回流芯線（RC）、保護層（PL）等組成，也可以用同軸電纜；牽引變壓器為單相接線，雙芯電纜和接觸網平行架設。W、K為斷路器、S為分段器，P為分區所，LC為列車?？梢钥闯?，該牽引系統用雙芯電纜組成電纜牽引網，取代了原有三根單芯電纜組成的牽引網，牽引變壓器從雙芯電纜的供電芯與回流芯之間取得電能，該牽引變壓器次邊的一邊接與鋼軌，一邊經過斷路器接于分段絕緣器兩側，此處也是分段絕緣器位置。

2.2 該系統優勢

①電流從雙芯電纜回流，走行軌幾乎無回流電流。②無雜散電流（迷流）對電氣設備與地下工程的影響，無需安裝雜散電流監測裝置。③交流工況下，再生制動時，比直流供電系統能更方便更高效率地利用電能。④電客車所使用的交流電機無直流電機換向的麻煩。

3 經濟性淺析

3.1 主變電所

3.1.1 直流供電系統主變電所

一號線在皂角樹車輛段內和火車南站附近分別設置1座110/35kV主變電所，負責地鐵1號線工程用電負荷的供電，其主所主要設備有：主變壓器25000KVA兩臺（含變壓器中性點設備），110kV全封閉GIS（含套管）兩套，35kv配電裝置SF6開關柜13套（含母聯一套），160KVA站用干式變壓器兩臺，接地變壓器兩套。

3.1.2 交流供電系統主變電所

一條線路的情形下，新型交流供電系統主變電所可以建設于線路中間位置，也可建設于線路的任意一端，這取決于線路長度及負載客流密度。主變采用單相牽引變壓器MTT和負序補償裝置NCD組合進行供電，以方便對負序進行集中地治理，負序補償裝置由高壓匹配變壓器HMT、交直交變流器ADA、牽引匹配變壓器TMT等構成。

雖然交流供電系統主變電所比直流供電系統主變電所多一套負序補償裝置，但前者所使用較為便宜的單相牽引變壓器作為主變，所以主所造價幾乎相等。但是交流供電系統電壓降較小，可供電距離較長，所以可以選擇兩條，甚至三條線路共用一個主變電所。除單個占地面積較大，采用三臺單相主變壓器以外，不會增加太多設備與投資。相比直流供電系統三條線路，一般6座主所，交流供電系統投資較少，經濟性較好。

3.2 中壓環網與電纜牽引網

3.2.1 直流供電系統中壓環網

一號線現有直流供電系統的中壓環網電纜是由三根單芯電纜組成AC35kV供電環網，且牽引和動力照明共用。全長18.5km的一號線一期工程線路，使用3M牌單芯電纜（型號WDZA-FS-YJY63-26/35kV）共計202.293km（含控制中心電纜線路），電纜中間接頭（型號QT111-7684K）共計180個。

3.2.2 交流供電系統

交流供電系統將中壓環網分為電力牽引網與動力照明環網分開設置，其電纜牽引網使用雙芯電纜，但是雙芯電纜無備用，正常工作概率為99.244%至99.885%，為提高可靠性，采用一根電纜備用，形成電纜50%備用方式，正常工作概率可提升為99.994%至99.999%。對應雙芯電纜可改為選用三芯電纜，其中一芯供電，一芯回流、一芯備用。這樣可以不單獨制造雙芯電纜，減小電纜使用，節省費用。

為了使動力照明網與電力牽引網互不干擾，加設專用的動力照明網，用較小容量35KV三芯電纜即可。

對比一號線既有工程，交流供電系統牽引網所用三芯電纜共48.726km，動力照明環網（含控制中心電纜線路）用三芯電纜62.561km，由此可見電纜使用長度大大減少，但交流所用為三相電纜，且多一組安裝費用，電纜方面交流供電系統經濟性優勢不明顯。

4 其他經濟性對比

4.1 地下車車站建設對比

直流供電系統地下車站乘車層端門外設備器室布置（一號線無再生制動設備）如下圖所示：

乘車層端門外依次設置0.4kV開關柜室、35kV開關柜室、控制室、整流機組室，牽引變壓器和上網隔離開關室，動力照明的降壓變壓器設置于上層進站層。員工值守點位于0.4kV開關柜室。

新型交流供電系統只有牽引變，不需要建設如此規模的地下車站，無整流機組，所以可以節省上圖整流機組室，但走行軌出站有交叉渡線，地下車站建設開挖不會減少，但空余面積可減小混凝土工程，或用作它途，條件允許還可以將動力照明降壓變設置于本層。

4.2 運營公司檢修

直流供電系統設備繁多，而修制的制定又基本固定，這就導致有很多需要檢修的設備，運營公司將大量招檢修工才能滿足檢修需求。而交流供電系統可減少需減少設備，如交流供電系統沒有24脈整流機組，可省去整流機組的維護及保護校驗，甚至減少用工數量，進而減少運營公司的運營成本。

【參考文獻】

【1】陳非.社區巴士運行特征分析與優化對策[J].公路交通科技（應用技術版），2012（08）：56.