比亞迪膠輪有軌電車供電方案研究

王志宏

摘? ?要：本文介紹了小運量軌道交通制式比亞迪膠輪有軌電車的供電特點，深入分析了傳統軌道交通常用的各種供電方式。結合膠輪有軌電車小運量、動力電池牽引供電等特性，對膠輪有軌電車用電負荷、中壓電源的環網形式、變電所的電氣接線、變電所設備選型、平面布置及系統接地方式等項目進行了深入研究，在保證合理的可靠性基礎上，盡可能選取系統簡單、建設費用少、運營成本低的供電方案。為我國小運量軌道交通制式供電方案的選擇提供了參考。

關鍵詞：比亞迪? 膠輪有軌電車? 供電方案? 中壓網絡? 變電所

中圖分類號：F407? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2019）07（a）-0114-04

1? 工作背景

我國現有城市軌道交通系統常用供電方式主要有集中式供電、分散式供電和混合式供電三種，中壓供電網絡主要有雙環網和單環網形式。地鐵、有軌電車和跨座式單軌等大、中運量軌道交通多采用集中式雙環網供電方式。

比亞迪膠輪有軌電車作為一種小運量的新型軌道交通制式，全程采用動力電池牽引供電，僅在綜合車場、停車線和存車線設置充電裝置。正線各車站設置降壓變電所，為動力照明、通信信號、FAS、BAS、站臺門、AFC、變電設備自用電源、檢修電源及電梯等電力設備提供低壓電源。車站的用電設備較少，且低壓用電負荷的容量較低，牽引供電和低壓配電的需求和目前地鐵、跨座式單軌等交通制式完全不同。

現膠輪有軌電車交通工程項目設計中，設計院仍沿用地鐵和單軌等傳統軌道交通供電方案，供電系統設計冗余大、造價高，不適合膠輪有軌電車等小運量軌道交通制式，迫切需要開展膠輪有軌電車供電方案的研究。

2? 研究目的

對各種傳統供電方案進行深入研究，結合膠輪有軌電車小運量、動力電池牽引供電等特性，在保證合理的供電可靠性基礎上，盡可能選取系統簡單、建設費用少、運營成本低、技術可行、經濟實用的供電方案。作為膠輪有軌電車交通工程的標準化設計，用于項目的初步設計和施工圖設計等。

3? 研究內容

研究內容主要包括用電負荷分析、電源選擇、中壓電源的環網供電形式、變電所的電氣主接線、變電所設備選型、設備平面布置及系統接地方式等。

4? 技術現狀

4.1? 傳統供電方式

國內外傳統軌道交通采用的供電方式主要有集中式供電、分散式供電和混合式供電。（1）集中式供電，是在城市軌道交通沿線，建設專用的主變電所，進線一般為110kV，降壓至35kV或10kV，供給牽引變電所和降壓變電所。集中式供電有利于軌道交通供電系統形成獨立體系，方便于管理和運營。目前，上海地鐵、廣州地鐵、深圳地鐵、南京地鐵、香港地鐵、德黑蘭地鐵等普遍使用集中式雙環網供電方式。（2）分散式供電，是在軌道交通沿線引入城市電網中多路電源形成供電系統，一般采用的電壓等級為中壓10kV（或20kV/35kV）。目前，國內北京地鐵5號線、大連輕軌、沈陽地鐵、北京八通線、北京城鐵、長春地鐵等軌道交通采用的是分散式雙環網供電。（3）混合式供電，即結合集中式和分散式供電，一般由集中式供電為主，特殊區段引入城市電網中壓電源作為補充。青島地鐵南北線、武漢軌道交通、北京地鐵一線和環線等軌道交通使用的是混合式雙環網供電。

4.2? 城市電網

國家能源局、中國電力企業聯合會發布的《2017年全國電力可靠性年度報告》顯示，南方電網公司供電可靠率為99.818%，中壓用戶平均停電時間（中壓）15.96h/戶，佛山、中山、珠海、深圳等地方供電局供電可靠性超過99.99%，用戶年平均停電時間僅5min，達到世界一流水平[1]。

4.3? 膠輪有軌電車用電負荷

比亞迪膠輪有軌電車全程采用動力電池牽引供電，車站降壓變電所僅為動力照明、通信信號、FAS、BAS、站臺門、AFC、應急疏散設施、變電設備自用電源、檢修電源、電梯及廣告設施等電力設備提供低壓電源。綜合車場用電負荷除了動力照明、通信信號、通風空調、綜合監控及變電所所用電外，還有停車庫、檢修庫、洗車庫、綜合樓控制中心及列車電池充電等，其中，通信信號、控制中心及列車電池充電等都是膠輪有軌電車正常運行的保障，必須要有較高的可靠性。對于此類直接關系行車安全的低壓負荷，按規范要求應該由兩路低壓電源同時供電[2]。

比亞迪膠輪有軌電車交通工程一般在綜合車場、停車線和故障存車線設置充電裝置，充電裝置電源一般由就近變電所引入交流380V，每套充電裝置的容量為150kW，滿足一列車的充電需求。膠輪有軌電車車輛的充電負荷作為整個系統正常運行的最重要保障，必須要具備較高的可靠性。因此，為了確保列車充電系統的可靠性，可以在綜合車場等設置充電裝置的變電所采用雙變壓器，低壓0.4kV母線使用單母線分段方式。

5? 電源選擇

由上述技術現狀可知，現有城市電網可靠性較高，故障處理時間較短。為了保證膠輪有軌電車供電系統的可靠性、適用性和經濟性，其供電系統應充分考慮依托城市電網，采用分散式供電，不設置主變電所。進線電源應結合城市整體規劃和電力系統近遠期規劃，從就近電力系統引入交流10kV、20kV或35kV電源，或與地鐵、單軌等交通換乘時，直接從地鐵或單軌的供電系統引入交流中壓電源。全線應引入至少兩路相互獨立的外部電源，設置內部中壓供電網絡，實現全線單環網供電。

0.4kV作為城市低壓配電電壓，電源點多但可靠性較低，并且其實施可行性和維護便利性均較差，如非迫不得已不應采用。35kV電壓等級適合于大容量負荷集中場所，常用于地鐵中壓網絡，且國家電網正逐步取消35kV電壓等級。20kV輸電容量和傳輸距離較10kV更好，但目前設備技術成熟度較低、選擇性較少。10kV作為現階段城市中壓配電網核心，輸電容量、傳輸距離和投資適中，電源點豐富。因此，膠輪有軌電車交通工程項目應優先考慮從城市電網引入10kV電源。

6? 供電網絡

我國供電系統常用的中壓網絡一般有單環網和雙環網兩種，地鐵、輕軌和有軌電車等多采用雙環網形式?？紤]到中壓環網開關柜和變壓器技術成熟、故障率低，膠輪有軌電車交通工程可選用的變電所接線方案有單環網單變壓器、單環網雙變壓器和雙環網三種。單環網中壓供電網絡示意圖見圖1，雙環網中壓供電網絡示意圖見圖2。

從供電可靠性、經濟性、運營成本、設備數量、建設工期、運營維護及風險點等方面對三種中壓環網方案進行對比分析，見表1。

綜上所述，城市電網可靠性高;膠輪有軌電車交通工程車站動力負荷小;10kV開關柜采用安全可靠的GIS設備，母線故障率非常低;變壓器技術成熟，可靠性高;單環網供電形式滿足膠輪有軌電車工程可靠性要求，在工程投資、施工難度、運營成本和工程管理方面均具有顯著優勢。另外，膠輪有軌電車交通系統的車輛采用動力電池儲能供電，故障列車能夠依靠其他列車推行到車站，而且區間設有便捷、安全的疏散平臺，有條件適當降低對供電可靠性的要求[2]。因此，比亞迪膠輪有軌電車交通工程推薦采用單環網單變壓器供電方案。同時，為了進一步提高膠輪有軌電車信號系統和充電裝置的可靠性，信號集中站和綜合車場可考慮采用單環網雙變壓器供電方式。

7? 變電所

7.1 接線形式

7.1.1 車站變電所

每座車站設置一座降壓變電所，從兩端車站變電所分別就近引入兩路相互獨立的中壓電源，通過中壓環網實現全線所有變電所單環網供電。當一路電源退出運行時，另一路電源不應同時受到損壞，可通過聯絡開關繼續對全線供電?？紤]到膠輪有軌電車軌道交通一般承載的客流量不大，運營故障對整個城市交通系統產生的影響較小，車站供電系統的冗余設置適度即可。為了保證影響行車的通信信號、站臺門、綜合監控等重要負荷的供電需求，變電所內應設置一套電池儲能的綜合UPS系統。

車站變電所的接線參見“圖3車站變電所主接線”。

7.1.2 綜合車場變電所

相比于地鐵等傳統軌道交通系統，膠輪有軌電車交通的綜合車場規模較小，但同樣具備全線調度控制、列車充電和運行維護等重要功能，因此，綜合車場供電可靠性要求同樣較高、用電容量較大。為了提高綜合車場變電所供電系統的可靠性，變電所可設置兩臺降壓變壓器，低壓母線使用單母線分段方式。當一臺變壓器故障退出運行的情況下，可通過閉合低壓400V母線聯絡開關，實現低壓母線支援供電。

綜合車場變電所的接線參見“圖4? 綜合車場變電所主接線”。

7.2 設備選型

變電所的主要設備包括交流中壓開關柜、交流低壓開關柜、動力變壓器、充電裝置和所用電電源裝置，設備選型與系統的可靠性、運營方便性、可維修性和工程投資等均有直接影響。根據當前國內電氣設備的整體技術水平、可靠性指標、設備價格、設備外形尺寸等參數，提出設備選型如下：

（1）交流中壓開關柜（12kV、24kV或40.5kV）選用氣體絕緣或固體絕緣固定式開關柜。

（2）交流低壓開關柜選用空氣絕緣固定式開關柜。

（3）動力變壓器選用環氧樹脂澆筑干式變壓器。

（4）直流充電裝置選用模塊并聯金屬鎧裝結構變流器。

（5）所用電電源裝置選用金屬外殼固定式開關柜。

7.3 設備房平面布置

7.3.1 通道尺寸

根據《20kV及以下變電所設計規范》（GB 50053）和《低壓配電設計規范》（GB 50054-2011）的規定，變電所內高、低壓設備柜前、柜后最小檢修寬度見表2。同時國標規定“固定式開關柜為靠墻布置時，柜后與墻凈距應大于50mm，側面與墻凈距宜大于200mm”[3-4]。

7.3.2 設備布置

在工程實踐中，車站的建筑面積受到多方限制，需要盡可能減小變電所設備房的尺寸。根據調研的設備技術現狀，提出變電所設備平面布置建議，見圖5、圖6和圖7。

圖中，G為交流中壓開關柜，TM為變壓器，A為交流低壓開關柜，DYP為所用電電源交流柜，XDC為所用電電源直流柜。

8? 系統接地

膠輪有軌電車交通的綜合車場、車站和區間有很多弱電和強電設備，各設備間管線聯系較多，電磁關系也較復雜。為了保障運營人員和乘客的人身安全，綜合車場、車站和區間的各設備系統不能獨立接地，應采用綜合接地系統。

膠輪有軌電車交通工程采用綜合接地方式，要求將全線的車站、區間和綜合車場的接地進行可靠的金屬連接，使整個系統構成整體連通的綜合接地系統，全線的所有強電設備、弱電設備、人員安全和防雷的接地均與綜合接地系統合理、可靠連接[2]。

9? 研究結論

（1）膠輪有軌電車交通工程供電系統的中壓電源應當優先考慮當地電力系統核心中壓電源，全線所有變電所設置中壓單環網供電網絡。

（2）車站和綜合車場均應設置變電所，車站變電所設置一臺降壓變壓器，中壓母線和低壓母線均采用單母線方式，綜合車場和信號集中站可設置兩臺變壓器，中壓母線采用單母線方式，低壓母線采用單母線分段方式。

（3）變電所的交流12kV開關柜選用630A的氣體絕緣或固體絕緣環網柜，交流0.4kV開關柜選用固定式開關柜，變壓器選用200kVA干式變壓器。

（4）在綜合車場集中設置車輛充電裝置，總容量按車輛輪流充電考慮。

（5）車站、區間和綜合車場均應設置綜合接地網，全線接地網電氣連通[2]。

參考文獻

[1] 王小峰.城軌交通外部電源方案分析[J].現代城市軌道交通，2010（4）：40-42，55，89.

[2] 孫章，蒲琪.城市軌道交通概論[M].北京：人民交通出版社，2010.

[3] GB 50157-2003 地鐵設計規范[M].北京：中國計劃出版社，2003.

[4] 孔凡國，魏盼盼，林品武.城市軌道交通供電方案的研究[J].機械工程與自動化，2014（5）：225-226.