現代有軌電車中壓環網供電方式的研究

潘天晟

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現代有軌電車中壓環網供電方式的研究

潘天晟

（中交機電工程局有限公司，北京 100088）

現代有軌電車具有施工周期短、投資總額低、見效快的特點，但隨著有軌電車工程的建設，其供電系統的投資依然十分高昂，在設計方案上也不盡相同。本文針對現代有軌電車供電系統設計規范上的空白，從現代有軌電車的特點出發，對現代有軌電車的供電系統設計方案進行了分析。旨在通過與城市軌道交通的對比分析，借鑒其他行業類似供電設計方案的成熟經驗，建議外部電源采用10kV分散式供電，中壓環網采用單環網形式，并建議環網開關采用負荷開關環網柜替代斷路器柜，以達到既滿足各機電設備的用電需求，同時又能合理節約投資的效果。

現代有軌電車；供電系統；負荷等級；外部電源；中壓環網；環網開關

現代有軌電車在城市交通中扮演著重要的角色，對發展交通、緩解城市擁堵具有重要的意義。在交通越來越便捷的時代，現代有軌電車的功能也日益得到彰顯，它既作為城市骨干交通模式，承擔大量的公共交通客流；又在城市經濟活動密集的中心區域，提供便利的交通服務；同時它又作為快速軌道交通在城市特殊地區的延伸或加密。這些功能讓有軌電車受到越來越多的青睞，也讓它的建設如火如荼。

新建現代有軌電車的技術標準較高，使其造價不菲。與原先有軌電車的低成本、高效率的優勢相左，在推廣建設中易收到制約。

在國內現代有軌電車的供電系統設計中，尚未形成統一的設計標準，各家設計院對所執行的標準規范不同，導致供電系統的投資差異較大，同時供電系統在整個現代有軌電車的工程總投資中占比較高（約占10%～15%）。倘若可以借鑒城市軌道交通工程的相關設計經驗，結合有軌電車的特點，確定技術經濟合理的供電系統方案，是值得每一名設計人員思考的。

1 現代有軌電車的負荷等級確定

對于供電系統來說，確定所供電負載的負荷等級，是重要的環節，決定了供電系統外部電源的引接方式、系統接線和系統運行方式[1]。

1.1 現代有軌電車的運營特點

現代有軌電車作為一種城市中運量交通工具，通常基于城市既有現狀進行規劃和建設，通常來說，其高峰客流斷面最大為7000人次/h，相較于地鐵的30000人次/h而言，有軌電車不屬于城市中的大運量交通工具。因此，即使由于城市電網的因素，中斷運營時，其對公眾的出行影響也并非是決定性的，對城市的整體運行也并非是沖擊性的。可以通過應急預案，組織相應的接駁公交等手段，對有軌電車的客流進行疏解。

此外，現代有軌電車大都采用100%低地板或70%低地板車輛，車輛地板距離地面不高，不需要設置高站臺乘降乘客。因此，即使在車輛遇到停電的狀況時，也可以在第一時間組織乘客有序疏散。而空載狀態下的車輛，也可以通過救援車輛牽引的方式，撤離路口等重要交通路段，避免對城市地面交通造成影響。

1.2 負荷等級的確定

參照GB 50052《供配電系統設計規范》中的相關要求，對一級負荷的定義，主要是根據其失去供電后，是否會造成人員傷亡、經濟上的重大損失、重大政治影響或公共場所的秩序混亂。根據現代有軌電車的運營特點，現代有軌電車的牽引負荷可以確定為二級負荷較為適宜。

2 外部電源引接方案

現代有軌電車的外部電源一般引接自城市電網，大多采用10kV或35kV的電壓等級向現代有軌電車的中壓環網供電[2]。具體采用何種電壓等級，應根據線路情況、供電范圍、供電能力、外部電源分布狀況來進行綜合分析，詳見表1。

表1 10kV與35kV外電源電壓等級對比表

通過對比可以發現，10kV作為外部電源對現代有軌電車供電系統的適應性較好，技術經濟指標優于35kV電源。

伴隨國家電網和南方電網逐步推行20kV電壓等級的要求，不少南方城市已開始在城市電網中采用20kV電壓。在已采用20kV電壓等級的城市中建設有軌電車時，宜優先考慮采用20kV電源作為外部電源，并采用20kV中壓環網，以減少遠期對中壓環網系統進行更新改造，造成不必要的投資浪費。

3 現代有軌電車的中壓環網方案

在現代有軌電車的中壓環網設計方案中，通常有單環網和雙環網兩種結構形式。單環網具有環網電纜數量少、變電所主接線簡單、高壓開關設備少、變電所占地少、投資節省、繼電保護方案簡單，但可靠性不如雙環網的特點；雙環網具有較高的可靠性，但網電纜數量多、變電所主接線形式較復雜、高壓開關設備數量較多、占地面積較大、投資較多和繼電保護方案較復雜的特點[3]。

通過對現代有軌電車的運營特點和機電設備系統的負荷等級劃分，對中壓環網的結構宜滿足-1原則校驗供電可靠性。其校驗成果見表2。

表2 中壓環網N-1校驗方案表

綜上所述，現代有軌電車的中壓環網，應根據電源分布情況，合理確定每處電源的供電范圍，合理劃分供電分區。各供電分區間設置互相支援的環網聯絡開關。正常運行時，各環網聯絡開關打開，在故障狀態下，閉合環網聯絡開關，實現支援供 電[4-5]。中壓環網采用單環網接線即可。

4 一種新型中壓環網供電模式的探討

4.1 環網開關選型分析

現在，國內現代有軌電車的中壓環網供電模式，仍然沿襲城市軌道交通的中壓環網供電模式，即每處電源點向沿線路兩側的方向供電，相鄰電源的供電分界一般在兩個電源間。在中壓環網開關的選擇上，仍然以斷路器作為環網開關。

在城市軌道交通中采用斷路器作為環網開關：①因為斷路器可以迅速切除故障線路，縮小停電范圍，保障系統可靠運行；②通過定值，解決環網內多臺斷路器的保護配合問題。

在現代有軌電車工程中，由于有軌電車不新建電源系統，其中壓環網直接引接自城市電網。因此，在保護配合上，需參考城市電網的保護定值和動作實現。

在華東地區，通過對10kV系統的接入設計工作，發現大部分城市電網的10kV出線均采用電流速斷作為一段保護。其整定值一般包含動作時限和動作電流值。華東地區電網10kV出線保護定值見表3。

表3 中壓環網N-1校驗方案表

若電源側的電流速斷動作時限為0s時，由于環網電纜短路或變電所10kV母線短路等情況下，其故障電流可達到2～15kA。此時，無論中壓環網采用何種保護配置，都無法躲過上一級斷路器的動 作[6]。即便采用光差保護，也無法保障在電源側斷路器動作前，可靠切除故障。

若電源側的電流速斷動作時限為0.2～0.5s。可在中壓環網內部增加一級極差，來切除故障。但此時中壓環網內部可以耐受短時的故障電流，只需通過電源引入變電所的出線斷路器切除故障即可。

綜上所述，中壓環網中的環網開關并非必須采用斷路器。

4.2 采用負荷開關環網柜做環網開關的可行性

在國鐵較大的貨場、編組站等車站中，鐵路電力系統通常采用站內環網供電的方式，在環網開關的選擇上，通常選用SF6絕緣的負荷開關柜做環網柜[7]，變壓器側通常采用負荷開關加熔斷器的保護方案。

隨著制造工藝的不斷成熟，產品可靠性的不斷上升，近年來，不僅僅是鐵路行業，就連電力行業也在推廣采用將10kV SF6絕緣的負荷開關柜做環網柜的方案。這種環網柜其額定電流一般都可達到630A或1250A，短時耐受電流可達20kA（3s）。同時，由于采用SF6絕緣，使得柜體緊湊，免于維護，還可采用電動操作的特點。SF6絕緣的負荷開關柜其造價僅為一臺斷路器柜的1/2。

在電氣功能上，SF6絕緣的負荷開關柜足以滿足現代有軌電車的中壓環網運行要求。在體積上，得益于緊湊的柜體結構，使其占地面積更小，在用地緊張的城市中，有更好的適應性。在工程造價上，SF6絕緣的負荷開關柜更為經濟。

4.3 工程應用案例

鞍山有軌電車千山線項目全長約23km，沿線共設置12座車站，車輛采用鎳碳電容電池儲能的現代有軌電車。

本線供電系統采用分散式供電方式，全線分3處，共引進6回10kV電源，中壓網絡采用雙環網接線。在各電源引接站設置10kV開閉所；在各車站設置降壓變電所。中壓環網接線形式如圖1所示。

在本工程中，由于車輛儲能能力較強，僅需在首尾車站設置牽引充電設施，因此僅在首尾車站和車輛段內設置了牽引變電所，各牽引變電所與10kV開閉所合建。10kV開閉所采用斷路器作為開關；沿線各降壓所采用SF6絕緣的負荷開關作為環網開關。

圖1 中壓環網接線形式圖

采用此方案后，在保證系統安全可靠運行的同時，中壓環網的運行方式得到了簡化，優化了繼電保護設置方案。同時，對比各站設置10kV斷路器作為環網開關的方案，累積節約投資550萬元。取得了良好的工程經濟效益。

5 結論

1）現代有軌電車的牽引負荷的負荷等級宜為二級負荷，其余各機電設備的負荷等級應參照相關設計規范進行劃分。

2）現代有軌電車的外部電源一般應采用10kV電壓等級，中壓環網采用單環網結構，可以考慮采用SF6絕緣的負荷開關柜代替斷路器柜作為環網開關。

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[7] 蔡樹立. 智能型環網柜測控保護終端的研究開發[D]. 武漢: 華中科技大學, 2003.

Research on power supply mode of medium voltage ring in modern tram

Pan Tiansheng

(CCCC Mechanical & Electrical Engineering Company Ltd, Beijing 100088)

Modern trams have the characteristics of short construction period, low total investment and quick performance. However, with the construction of tram project, the investment of power supply system is still very high, and the design scheme is not the same. In this paper, according to the characteristics of modern trams, the design scheme of power supply system of modern tram is analyzed. Based on the comparative analysis of urban rail transit, this paper draws on the mature experience of similar power supply design in other industries. This paper recommends that the external power supply using 10kV decentralized power supply, medium voltage ring network with a single ring network form, and suggests that the ring switch using load switch ring network cabinet instead of circuit breaker cabinet, to meet the electrical and mechanical equipment requirements and save the effect of investment.

modern tram; power supply system; load level; external power supply; medium voltage ring network; ring switch

2018-06-04

潘天晟（1986-），男，上海人，本科，工程師，主要從事鐵路、城市軌道交通的牽引供變電設計工作。