城市軌道交通供電系統及電力技術分析

宗玉博

【摘 要】城市軌道交通供電系統的穩定性和可靠性是城市軌道交通正常有效運行的重要保障，該文介紹了城市軌道交通供電系統的組成、結構及各技術在地鐵中的應用，并對供電系統中的電力技術進行了分析，提出了解決問題的方法。

【關鍵詞】城市軌道交通；供電系統；牽引變電；電力技術

供電系統是城市軌道交通的動力源泉，負責線路電能的供應和傳輸，關系到整個城市軌道交通運行的質量和效率。隨著城市軌道交通網絡越來越發達，運營線路越來越長，對城市軌道交通供電系統可靠性提出了更高的要求，因此研究并探討其供電系統結構及電力技術分析就具有重要的現實意義。

1 城市軌道交通交流牽引供電系統概述

列車在運行時候的動力來自于牽引電機，牽引電機有兩種，分別是直流牽引電機和交流牽引電機，列車目前采用交流牽引電機的數量越來越多，主要是交流牽引電機的功率承受能力高于直流牽引電機，直流牽引電機具有換向環等機械結構，而交流牽引電機沒有，所以交流牽引電機能夠在更高的轉速下面工作，因此目前軌道交通列車上的直流牽引電機也越來越快的被交流牽引電機鎖取代。

交流牽引供電系統鏈接方式為單向鏈接，它具有兩臺變壓器，變壓方式為雙繞組單向變壓，它的外部結構看起來像是一個開口的三角形，電網的兩端分別是高低電壓，低壓的一端接地，高壓的一端是電網的接入端，其他的端口與牽引電機的母線連接，供電系統的終端是需要降壓的，所以加了降壓系統，但是其他地方，比如照明用電需要偏高一點的電壓，所以也就采用了增壓系統，這樣方便其他用電器正常工作。但是交流牽引供電系統長時間需要處于取流的狀態，也就導致了牽引供電系統的接觸結構的長期摩擦，需要非常耐磨的材料才能滿足這種要求。

2 電源系統供電方式

城市軌道交通的線路相對較長，供電范圍較廣，呈線性分布，根據各地城市電網的發達程度以及線路實際情況，大多采用集中式供電、分散式供電和混合式供電3種供電方式。

2.1 集中式供電

所謂集中式供電，就是沿著城市軌道交通線路，根據用電容量和線路的長度，建立專用的主降壓變電所為整條線路供電的外部供電方式。每座主變電所設立兩路獨立的AC110kV進線電源，保證供電的可靠性，然后將電壓降壓為城市軌道交通內部供電系統所需的電壓等級（一般為AC35kV或AC10kV）。

集中式供電有利于城軌交通公司的運營與管理，各變電所由環網供電，可靠性較高。但是需要建立單獨的主變電所，并且主變電所需配備2臺大功率降壓變壓器，投資成本較高。集中式供電系統相對獨立性較強，自成系統，目前國內外包括上海、廣州、南京、香港、德黑蘭等地均采用這種供電方式。

2.2 分散式供電

所謂分散式供電，就是線路沿線分散從城市中壓網絡引入多路電源，直接或通過電源開閉所間接地為牽引變電所和降壓變電所供電的外部供電方式。分散式供電不需要建立主變電所，投資成本相對較低，但是由于直接從城市電網中壓引入，供電質量會被周圍居民用電影響，供電質量的穩定性較低，也不方便管理。分散式供電與城市電網關系緊密，運營管理相對復雜，最早應用于北京地鐵1、2號線，目前長春輕軌、大連輕軌、北京地鐵4、5、9等線均在使用。

2.3 混合式供電

混合式供電是前兩種供電方式的結合，以集中式供電為主，個別地段引入城市電網中壓作為補充的供電方式。混合式供電是一種介于集中式供電和分散式供電之間的組合供電方式，根據城市電網現狀和未來規劃以及城市軌道交通供電系統的需要，吸收了前兩種供電方式的各自優點，供電方案更為靈活，供電質量較為可靠。

目前武漢軌道交通一期工程采用了以集中式供電為主的混合式供電方案，北京地鐵10號線二期工程采用的是以分散式為主的混合式供電方案。無論哪種供電方式都要保證牽引供電系統和動力照明系統的供電可靠性，各變電所都應有兩路獨立的電源進線，互為備用。

圖1 城市軌道交通供電系統

3城市軌道軌道交通供電系統相關技術的探討

3.1 供電系統中諧波分析及治理

在城市軌道交通供電系統中由于存在非線性負荷，如牽引整流機組、熒光燈和UPS電源等，會產生大量的諧波，降低電能質量。供電網絡中的諧波不僅會對供電線路產生附加損耗，影響系統中電氣設備的正常運行，還會對通信系統產生干擾。在直流制牽引供電系統中，整流機組是產生諧波的主要原因。限制諧波的方法有增加整流裝置的脈波數，加裝無源或有源濾波器等措施。

3.2 供電系統中無功功率補償

城市軌道交通中的動力照明系統中包含了大量的低壓用電設備，功率因數較低。系統中功率因素過低，會使供電線路中損耗增加，導致變送配電設備發熱嚴重；還會增加供電線路的無功電壓降，導致線路末端端電壓過低，甚至會導致電壓和電流相位差變大，產生較為嚴重的諧波分量。因此應該進行無功功率補償來提高系統的功率因因數。

3.3 供電系統繼電保護技術

在城市軌道交通供電系統中，繼電保護技術可以對供電的運行起到重要的保護作用，當故障發生時可以快速有效地切除故障設備或進行報警。對于交流供電部分，主要有過負荷保護和零序電流保護，分別應用于負荷過載運行和配電變壓器高壓側和進線電纜單相接地故障。對于直流饋線保護，主要有大電流脫扣保護、電流上升率和電流增量保護、過流保護、雙邊聯跳保護、接觸網熱過負荷保護和自動重合閘等。供電系統繼電保護中可以將靈敏性和速動性較高的縱聯差動保護措施作為主保護，即用通信信道將輸電線兩端的保護裝置縱向聯結，將兩端的電氣量傳送到對端，通過比較后進行判斷是否執行保護動作。

結語

城市軌道交通為人們提供便利的同時，也提出了如何完善城市軌道交通供電系統，如何保證供電系統高效、安全、穩定的運行等難題。該文對城市軌道交通供電系統進行了詳細的介紹，并且就供電系統中的關鍵電力技術進行了分析，這對于城市軌道交通供電系統的改進和優化有著重要的意義，也值得人們對其展開更為深入細致的研究。

參考文獻：

[1] 劉源，程沖.淺析城市軌道交通供電系統的供電方式[J].中國科技投資，2018（11）：185.

[2] 羅益.城市軌道交通牽引供電及電力技術分析[J].科技經濟導刊，2018，26（21）：81.

（作者單位：中鐵第四勘察設計院集團有限公司）