青島城陽區現代有軌電車示范線供電方案

王凱建

（北京城建設計發展集團股份有限公司，北京 100061）

有軌電車誕生于1881年的德國，距今已有130多年的歷史，經歷了誕生、發展、衰退再到復興的 4個階段。現代有軌電車的復興，得益于其本身技術的革新，與傳統有軌電車相比，它具有高運量、快速、美觀、節能、人性化等多個優點。現代有軌電車的復興始于20世紀80年代的歐美發達國家，目前我國多個城市已開通或正在建設、規劃現代有軌電車，主要包括上海、蘇州、北京、深圳、沈陽、廣州等。

在此背景下，依托青島市本土城市軌道交通產業化優勢，城陽區率先建成的現代有軌電車示范線工程為青島市乃至山東省第1條有軌電車線路，采用四方股份公司研制的 3模塊100%低地板車輛，具有較好的產業示范作用。

1 國內現代有軌電車供電方式

目前國內外較為成熟的現代有軌電車供電方式主要分為4種：架空接觸網供電、超級電容供電、APS地面供電、電磁吸附式地面供電。其中APS地面供電和電磁吸附式地面供電均為地面分段供電方式，分別為不同的制造商提出的供電方式。

1.1 架空接觸網

架空接觸網為傳統供電制式，可靠性高，技術成熟，道路適應性好，全天候運行能力強，但是對景觀、線路上方凈空等影響較大。根據結構形式不同，架空接觸網可分為柔性懸掛架空接觸網和剛性懸掛架空接觸網，現代有軌電車一般以地面線路為主，選用的接觸網懸掛方式多為柔性懸掛。

1.2 超級電容供電

超級電容具有功率密度高、充放電速度快、循環壽命長、性能穩定等優點，可在有軌電車車輛上設置超級電容裝置作為儲能裝置。在線路適當位置（一般結合車站）設置充電裝置，通過車頂受電弓為超級電容快速充電。超級電容在充電時進行快速儲能，在車輛運行時放電，為車輛提供動力。

1.3 APS地面供電

APS地面供電系統采用阿爾斯通的地面分段供電方式。系統由深埋于地下的多個電源箱、分段接觸軌、車載集電靴、天線等組成。其工作原理可看作將普通地鐵第三軌供電分成若干相互絕緣的導電軌，安裝于走行軌之間。在沿街路段敷設常規的接觸軌很危險，APS地面供電方式則消除了這一危險，當車輛通過時，通過感應裝置使特定某段接觸軌帶電用于給車輛供電，該通電的軌段位于車體下方并被車體包圍，從而避免人員觸及發生觸電危險[1]。

1.4 電磁吸附式地面供電

電磁吸附式地面供電系統采用安塞爾多的地面分段供電方式。該供電方式由車載受流器與埋于軌道中的供電裝置構成，二者通過磁力相互作用，使得車輛通過某段軌道時，該軌道與電源正極導通，車輛駛離該處軌道時，軌道與安全負極導通，保證無車時的供電安全[2]。

1.5 不同供電方式比較

從景觀、工程適應性、技術成熟度、設備供貨周期、造價、國產化等方面，在系統制式為鋼輪鋼軌現代有軌電車的前提下，對不同供電制式進行綜合比選，如表1所示。

表1 不同供電方式優缺點比較Tab. 1 Comparison among several types of power supply modes

APS地面供電和電磁吸附式供電均受車輛形式制約，不適用于城陽現代有軌電車示范線工程。綜合考慮車輛選型、沿線道路情況及景觀需求等因素，經比選后確定城陽有軌電車示范線采用成熟可靠的架空接觸網供電方式。

2 城陽有軌電車牽引供電系統設置方案

現代有軌電車與傳統有軌電車相比具有很大的不同，早期發布的針對城市有軌電車/無軌電車的規范已不能完全適用于現代有軌電車的建設，因此在建設中多參考中大運量城市軌道交通的設計標準進行簡化設計，不能完全匹配現代有軌電車的特點。下面針對青島城陽區現代有軌電車制式特點，對其供電系統關鍵點進行分析。

2.1 負荷等級及中壓網絡設置

2.1.1 負荷等級的確定

根據供配電系統設計規范（GB 50052—2009）規定，確定一級負荷的主要因素是在中斷供電后，造成人身傷亡、經濟上的重大損失或公共場所秩序嚴重混亂[3]。參照城市無軌電車和有軌電車供電系統規范（CJ/T 1—1999），有軌電車的供電負荷等級應被列為交流電源的一級或二級負荷[4]。負荷等級的確定需要根據各工程的具體條件進行分析。

1）系統運能

現代有軌電車運輸能力介于輕軌及公共汽車之間。一般雙鉸接列車單向運能為0.6萬～0.7萬人次/h，一定情況下，可以實現更長組合模塊列車運營，單向運能可達到1.5萬人次/h，運輸能力更為突出[5]。

城陽有軌電車示范線初近遠期均采用3模塊編組，遠期最小行車間隔為 3 min，最大客流斷面為0.58萬人次/h，系統運能為0.61萬人次/h[6]。整體來看，當該工程由于停電造成運行停止時，對公眾出行的影響并非是決定性的，對城市交通的整體運行也并非是沖擊性的。

2）系統制式

本工程車輛采用中車四方股份生產的100% 低地板有軌電車，車門踏板距離地面高度為 345 mm，方便乘客上下車；線路沿道路中間敷設，且均為非封閉區域；同時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，可以在區間或車站立即疏散乘客。在空載狀態下救援車輛時，如果車輛喪失動力，可以采用人員推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。

因此，鑒于本工程低地板的優勢及非封閉線路運行的特點，可保證車輛失去動力停車時快速疏散乘客，不會對城市交通造成較大影響。

3）城市電網條件

近些年，遠程高壓輸變電及地方光伏、風力發電設施的發展使青島市電網的電源點數量大大增加，這就保證了在部分輸電線路電源點故障退出時，系統仍然具備足夠的能力保障城市用電，大大提高了青島市電網的可靠性。青島城市電網共有 500 kV變電站 4座、火力發電廠2座及大型風力發電廠7座，500 kV、220 kV及110 kV電壓級成環，配電電壓級以35 kV及10 kV為主，城區公用變電站全部達到“N–1”準則要求，電網建設較為完善，具有較高的可靠性。因此，示范線即使按照二級負荷配電，在城網變電站一路電源失去時，通過聯絡開關的投切或調整運行方式也可以保證示范線不會中斷運行。

從城市電源引入來看，一級負荷需要雙電源雙回線路配電，其設備投資較高且占用較為緊張的城市電力管廊資源；同時，一級負荷電源需要繳納高可靠性供電費（山東省規定10 kV架空線高可靠性供電費按160元/kVA進行征收，電纜線路按架空線路的1.5倍征收），而二級負荷不需征收高可靠性供電費。城陽有軌電車示范線報裝容量為 6 625 kVA，若按一級負荷供電，需要多繳納106萬元高可靠性供電費。

4）小結

鑒于城陽現代有軌電車示范線的低運量、開放線路、低地板等特點，將其定義為二級負荷是合適的。中斷供電后，區間列車停運并就地迅速疏散，不會造成人身傷亡、經濟上的重大損失或公共場所秩序嚴重混亂。城陽有軌電車示范線共設置兩處10 kV電源引入點，分別自城網110/10 kV文陽路變電站、田村變電站各引入一個10 kV電源。兩座地區變電站均為兩臺主變接線，10 kV側設置母線聯絡開關，具有較高的供電可靠性。

2.1.2 中壓網絡接線形式

目前現代有軌電車中壓網絡接線方案主要有10 kV電源直供方案（各變電所間無聯絡）、雙回路10 kV電源+雙環網供電方案、單回路10 kV電源+單環網供電方案、雙回路10 kV電源+單環網供電方案[7]。4種方案各具特點，適用于不同條件的線路，在工程實施時可結合具體情況選擇最合理的供電方案。

無論是一級負荷還是二級負荷，應選擇與之相匹配的中壓網絡接線方式，才能使其外電源方案的合理性得到最大限度的發揮。根據城陽有軌電車示范線負荷等級及特點，本工程采用了單環網接線方式，每個供電分區引入1個外電源，相鄰外電源之間設置應急聯絡開關，詳見圖 1。外電源進線開關采用斷路器保護，環網聯絡開關采用負荷開關。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。由于采用單環網接線方式，本工程2個外電源引入點分別位于線路末端，確保了單環網的完整性與供電的可靠性。

圖1 城陽有軌電車示范線中壓網絡接線圖Fig. 1 Single-line diagram of a medium voltage network

2.2 直流牽引供電主接線

直流牽引供電主接線方案的選擇主要考慮滿足系統可靠性、靈活性及經濟性3方面因素。目前采用的主接線方案有單機組單母線、雙機組單母線、雙機組雙母線，選用的形式需要結合工程的具體需求進行比選確定[8]。

1）方案1——單機組單母線方案

方案1主接線采用單機組單母線系統方案，設1套牽引整流機組及工作母線。進線采用直流快速斷路器，并設置兩路直流饋出線為牽引網供電。線路大小里程側的上下行牽引網采用并饋供電，變電所出口處設置電分段，并以縱向電動隔離開關進行連接。接線方式見圖 2。優點：一次和二次接線都很簡單，與雙機組方案相比基本可減少一半的設備，投資少；調度和運營維護方便。缺點：沒有備用開關，任一饋出開關故障時需要進行大雙邊供電。

圖2 單機組單母線方案Fig. 2 Single-bus configuration with a single transformer-rectifier unit

2）方案2——雙機組單母線方案

方案2主接線采用雙機組單母線系統方案，設2套牽引整流機組及工作母線。兩路進線采用直流快速斷路器，并設置四路直流饋出線為牽引網供電。上行和下行同一饋電區電分段處設有縱向電動隔離開關。接線方式見圖3。優點：單母線系統接線比雙母線系統簡單，和雙母線形式相比，節省1條備用母線、1臺備用開關和4臺電動隔離開關，投資少。缺點：投資較高，沒有備用開關，任一饋出開關故障時需要進行大雙邊供電。

圖3 雙機組單母線方案Fig. 3 Single-bus configuration with double transformer-rectifier units

3）方案3——雙機組雙母線方案

方案3主接線為雙機組雙母線系統方案，設2套牽引整流機組、工作母線和備用母線。兩路進線采用直流快速斷路器，并設置四路直流饋出線為牽引網供電，工作母線和備用母線之間設直流備用開關。上行和下行同一饋電區電分段處設有縱向電動隔離開關。接線方式見圖 4。優點：工作母線和備用母線間的備用開關，可以代替四路饋線開關中的任何一個，具備饋出開關的所有功能，屬于熱備用的直流饋出開關，具有很高的可靠性。缺點：設備接線復雜、投資高；保護配置和運行方式都比較復雜，對運營調度和檢修維護要求高。

圖4 雙機組雙母線方案Fig. 4 Double-bus configuration with double transformer-rectifier units

4）小結

對于上述3種直流牽引供電主接線方案，從可靠性、靈活性、經濟性及二次接線的復雜性等幾個方面進行比較，詳見表2。

表2 直流牽引主接線優缺點比較Tab. 2 Comparison among the DC traction system wiring

3個接線方案均可以滿足城陽有軌電車示范線工程的需求。從可靠性上來說，目前軌道交通用直流斷路器技術已經非常成熟，在很大程度上提升了主接線的可靠性；無論哪種接線形式，通過閉合縱聯開關由相鄰所實施大雙邊供電均能滿足有軌電車的運行需求。從靈活性上來說，靈活性越大也就意味著操作越復雜，對運營調度人員要求也越高；在3個方案均可以滿足系統運行要求的前提下，優先考慮接線簡單的單機組單母線方案，更適用于示范線工程簡單、快捷、運維便利的特點。從經濟性上來看，方案1最為簡單、節省設備，其經濟性也最好；同時，接觸網上下行采用并聯形式，進一步簡化了系統接線，投資約為雙機組單母線方案的一半，雙機組雙母線方案投資最高。

城陽現代有軌電車示范線工程的運輸能力介于輕軌及公共汽車之間，在城市公共交通中承擔的運量并不突出，僅作為環保、便捷的一種公共交通形式而存在。因此，其直流牽引供電主接線方案以簡單、經濟、可靠為主，并具備一定的靈活性，單機組單母線接線形式為首選。

2.3 牽引變電所間距控制

牽引變電所的布點應考慮牽引網電壓等級、牽引網電壓損失、雜散電流腐蝕防護、鋼軌電位，此外還要考慮牽引網能耗、土建造價及運營維護管理的便利性等因素。中大運量城市軌道交通線路為全封閉線路，且雜散電流防護條件較好、運營維護管理要求高，因此牽引變電所布點首先考慮牽引網電壓損失、鋼軌電位、土建和設備投資以及運營維護的便利性等，兼顧雜散電流防護等其他因素。而有軌電車為開放式線路，走行軌敷設在硬化路面或綠化帶，其雜散電流腐蝕防護及鋼軌電位的防護都比較困難，因此應從根本上降低雜散電流泄漏量及鋼軌電位，即在牽引變電所布點時這兩個因素需要重點考慮。

因此，國內有軌電車有關規范規定“市內軌道上任何兩點間的平均電壓降不應超過2.5 V；市內任何一段軌道上的平均電壓降，每100 m線路不應超過0.35 V；郊區軌道網絡上任意兩點間的平均電壓降、每公里線路不得超過2 V”。在城陽有軌電車示范線設計中，按滿足鋼軌電壓降條件進行計算，確定合理的牽引變電所間距。

其中：U為牽引網系統電壓，0.75 kV；W為每千米年牽引能耗，kWh，根據平均運量法進行計算為6.56×105kWh；I為年平均電流，A。

從上述公式可以算得，城陽有軌電車平均電流 I為99.8A。

其中：Um為牽引區段內任意兩點之間最大電壓降，V；R為鋼軌單位電阻，Ω，采用50 kg/m鋼軌單位電阻為0.02 Ω/km；L為任意兩點間距離，km。

根據規范要求Um應小于2 V，從上述公式可以算得，L不大于1.4 km方能滿足此要求。此時牽引變電所間距D = 2L = 2.8 km。

其中：Ue為每千米平均電壓降，V。

根據規范要求Ue應小于2 V，從上述公式可以算得，L不大于2.0 km方能滿足此要求。此時牽引變電所間距D = 2L = 4.0 km。

上述兩者取較小值，即牽引變電所間距應按不大于2.8 km進行控制，市區內可適當放寬間距。除此之外，示范線工程在變電所選址時還綜合考慮牽引網網壓、土建選址條件、進出線路由、運營維護等多方面因素，確定牽引變電所布點方案，最大牽引變電所間距為2.4 km。

由于各工程車輛選型、車輛單位能耗、列車編組、行車計劃等參數各不相同，從考慮雜散電流腐蝕防護的角度出發，現代有軌電車牽引變電所間距建議為2～3 km。

2.4 接觸網線索優化

現代有軌電車主要設置在市區內或開發區的街道，沿線對景觀要求較高。若采用架空接觸網供電制式，應盡量簡化接觸網的架空線索，以降低對周邊景觀的影響。目前國內已建成的有軌電車線路采用架空接觸網時均設置了架空地線，并抬高兼做避雷線。對國內軌道交通線路架空接觸網遭雷擊情況進行調研發現，由于受周邊建（構）筑物的遮擋，地面線鮮有出現接觸網遭雷擊的情況；而部分高架線路由于架設高度比較高、周邊比較空曠，出現了雷擊現象。但雷擊并不僅僅作用在架空地線上，同樣出現了直接作用在接觸線上的情況。由此可見，即使設置架空地線，也不能實現直擊雷的完全防護。

城陽有軌電車示范線位于青島市城陽區，青島市雷暴日為22.4 d/a，屬于少雷區[9]。同時線路主要位于城陽區春陽路上，沿線多為高大建筑物，道路兩旁設置有路燈，對于防直擊雷可以起到一定的作用。經多次論證后，確定示范線不設置架空地線，以減少架空接觸網線索，同時采用雙重絕緣措施（絕緣定位管+絕緣腕臂）解決污穢條件下的爬電及閃絡問題[10]。取消架空地線后，架空線索僅余上、下行各一根接觸線，其景觀效果較好，詳見圖5、圖6。

圖5 城陽有軌電車示范線架空接觸網雙絕緣結構Fig. 5 Double insulation structure of the overhead contact wire

圖6 城陽有軌電車示范線架空接觸網（無架空地線）Fig. 6 Overhead contact wire without the overhead earth wire

3 結語

與公交及傳統有軌電車相比，現代有軌電車具有高運量、快速、美觀、節能、人性化的特點，在城市公共交通中具有一定的地位；但其運量低于中大運量城市軌道交通。因此，在現代有軌電車設計及建設中，不應生搬硬套中大運量城市軌道交通線路的供電模式及技術標準，應根據其線路定位及制式特點確定合理的牽引供電方案。同時，系統方案的設置應在滿足安全可靠的條件下，力求做到簡單適用、節能環保、運維便捷。