城市軌道交通交流牽引供電系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

楊廣德

（天津鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津 300143）

0 引言

隨著經(jīng)濟和科技發(fā)展，交通運輸領(lǐng)域也表現(xiàn)出快速發(fā)展趨勢，很多一二線城市紛紛建設(shè)輕軌、地鐵等，其中，城軌供電問題成為一個難題。城軌系統(tǒng)電源來自于城軌交流牽引供電系統(tǒng)。為了緩解城軌供電壓力，本文對供電系統(tǒng)進行分析，對其設(shè)計模式進行創(chuàng)新，希望可以供應(yīng)更多電力。

1 城軌交流牽引供電系統(tǒng)接觸網(wǎng)電壓等級確定

該系統(tǒng)進行供電是建立在35 kV 電纜和接觸網(wǎng)基礎(chǔ)上實現(xiàn)的，屬于工頻單相交流供電模式。一般來說，過去城軌供電系統(tǒng)的接觸網(wǎng)電壓是1500 V 或者750 V。由于該系統(tǒng)是在過去系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進行創(chuàng)新的供電模式，因此需要對電壓等級因素進行調(diào)整。下面介紹如何確定該系統(tǒng)的接觸網(wǎng)電壓等級。

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

從整體上說，該系統(tǒng)主要包括主變電所、單向組合式同相補償裝置（MTT 和NCD）、供電電纜和回流電纜（與接觸網(wǎng)平行或敷設(shè)在電纜溝中），以及單項牽引變壓器TT（間隔一定距離，不同繞組與不同設(shè)備并接）等。供電電纜之后的部分組成電纜牽引網(wǎng)，負責(zé)對輸入電壓進行等級變換，并為列車提供電能。

1.2 設(shè)計條件

過去的城軌牽引供電系統(tǒng)采用雙邊供電模式，支持列車在軌道的任意一邊行進時，同時從兩側(cè)牽引變電所獲得電能。如果末端供電單位出現(xiàn)問題，才會使用單邊供電方式；如果中間的供電單位退出，此時由兩邊的點位供電，實行的是大雙邊供電模式。在這個過程中，電壓損失主要是由于機車取流大小、位置、布設(shè)點位等因素導(dǎo)致。如果是雙邊供電模式，最大的損失出現(xiàn)在饋電區(qū)中點，但是按照規(guī)定，系統(tǒng)運行時產(chǎn)生的最大電壓損失不能超過限值。因此，設(shè)計要保證在開展大雙邊供電時，最大電壓損失低于限值，這樣才能保證系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。

該系統(tǒng)設(shè)計時也應(yīng)如此，如果有中間點位退出，需要安排兩側(cè)的點位進行供電，并且列車的正常運行和高峰最大客流運輸能力不受阻礙。

1.3 主要考慮因素

對于電壓等級的確定，主要需要考慮的因素有：①交流電壓峰值是有效值的倍；②城軌地下線路的隧道凈空及絕緣空間有限；③無車載變壓器帶來的電壓情況；④接觸網(wǎng)供電能力盡量高，使得損失盡量小。

在對其進行論證時，需要考慮4 方面因素，接觸網(wǎng)的空間結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)當(dāng)盡量簡潔，有利于輕型懸掛；鋼軌電位，需要盡量滿足EN 50122—1 的規(guī)定或者易于管理和控制；系統(tǒng)電壓的損失計算方法適用性強，系統(tǒng)在采取某電壓等級后，應(yīng)當(dāng)使用當(dāng)前普遍使用的計算方法進行電壓損失的計算和工程設(shè)計；電壓水平需滿足出行高峰時正常運行產(chǎn)生的最低電壓要求。

2 城軌交流牽引供電系統(tǒng)分析

當(dāng)前廣泛應(yīng)用的系統(tǒng)類型是AC 25 kV、DC 1500 V 兩種。隨著技術(shù)進步，也出現(xiàn)將這兩種方式結(jié)合到一起的形式，即雙制式。該系統(tǒng)的應(yīng)用目的是為城軌上的列車進行供電，保證列車穩(wěn)定運行，具體的供電方式是借助牽引網(wǎng)傳輸電流。也就是說，整個系統(tǒng)相當(dāng)于電力傳輸模式、電壓和系統(tǒng)類型的匯總。該系統(tǒng)直接影響城軌安全運行，因此其系統(tǒng)設(shè)計和分析等備受關(guān)注。下面簡單介紹其核心技術(shù)。

2.1 供電方式

（1）直流制。變電所、牽引網(wǎng)、接觸網(wǎng)一般使用DC 1500 V的供電方式。該方式下的牽引網(wǎng)選擇雙邊供電，若其中某個牽引所出現(xiàn)問題，就轉(zhuǎn)變成大雙邊供電，這樣可以跨區(qū)域供電。同時，在該方式下一般會安排雜散電流保護機制，主要是因為該模式下可將電能順利分流，并實現(xiàn)長距離輸送。但因為變電模式影響，使其可供電距離較短，因此可能增加一些設(shè)備的建設(shè)和配置，增加成本。此外，該方式下的電能傳輸速率較低，優(yōu)勢不明顯。

（2）交流制。該方式下的系統(tǒng)使用25 kV 交流電。在該方式下，變電所配置兩部變壓器，一般選擇雙繞組的單相變壓，因此這些設(shè)備組成三角形結(jié)構(gòu)，有一側(cè)角存在開口。因為需要依靠變電所實現(xiàn)降壓要求，所以在終端進行降壓之外，在各個線路區(qū)間內(nèi)也有設(shè)置的加壓系統(tǒng)，主要提供照明電力。但實際運行期間，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)運行對于設(shè)備的耐磨損要求較高，主要是因為該系統(tǒng)長時間處于動態(tài)取流狀態(tài)，接觸壓力極大，設(shè)備磨損度較高。

2.2 電纜牽引網(wǎng)

一般城軌交通牽引供電系統(tǒng)是由DC 1500 V 供電，在某些條件下?lián)Q成750 V。但是經(jīng)過實踐發(fā)現(xiàn)，如果使用交流電實施供電，輕軌和地鐵的牽引網(wǎng)應(yīng)設(shè)計上下行兩條線路，采取并行模式，配置一條備用線路，在設(shè)計時備用線路也同樣工作。這樣兩條線路互相作為對方的備用線路，可以大大提高系統(tǒng)運行的可靠性。

2.3 牽引網(wǎng)分段供電與保護

城軌交通中的電纜牽引網(wǎng)較多，例如，可支持長距離傳輸、可輸送電能大等，應(yīng)用十分廣泛。但是如果選擇上下行并行線路的設(shè)計方式，會增加系統(tǒng)的架設(shè)成本，而且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，一旦其中一環(huán)出現(xiàn)故障，很容易引起其他環(huán)節(jié)也出現(xiàn)故障。基于此，選擇分段供電模式，劃分區(qū)段進行供電。設(shè)計時，也可以根據(jù)要求一起或分段設(shè)計。因此，一般情況下，為方便進行施工，是在變壓器處進行統(tǒng)一分段，然后在其他區(qū)間線路中進行分開分段。通過這種方式和設(shè)計，可以避免某段出現(xiàn)問題后影響到其他段，分段實施保護，從而提升系統(tǒng)運行的可靠性，減少出現(xiàn)故障的風(fēng)險。

2.4 主變電所供電方案

這方面，對于設(shè)備數(shù)量和安裝位置有較大要求，而且設(shè)計方案對于實際供電有一定影響。一般具備單線、雙線和多線的供電方案，并適應(yīng)各自的設(shè)備安裝要求。

3 某市城軌二號線交流供電方案設(shè)計及造價分析

3.1 某市城軌二號線概況

某市城軌二號線共經(jīng)過4 個市區(qū)，5 條街道，然后到達終點。線路全長30.5 km，高架段7.1 k m，地下段22.1 km，過渡段1.3 km。線路上共有車站15 座（地下13 座，高架2 座），有換乘站5 座，平均站間距1.96 km，最大站間距4.02 km，最小站間距0.73 km。車輛基地按照一段一場的原則布置。

3.2 供電方案

考慮這個線路的列車密度較大，實施6 kV 接觸網(wǎng)電壓等級之后，城軌交流牽引供電系統(tǒng)主變電所的單臂最長供電距離可以達到30 km，兩側(cè)供電可達到60 km。因此，考慮在線路中間設(shè)置一個主變電所，可以滿足供電。

在正常工況下，牽引變電所的設(shè)計間距可以達到10 km，但最大不能超過12 km。間距越大，產(chǎn)生的區(qū)間中點電壓損失越大，鋼軌電位越高，故盡量避免間距過長，盡量實現(xiàn)均勻分布。因此，應(yīng)用牽引供電系統(tǒng)時，對本線路的牽引變電所間距設(shè)計是4～6 km，具體間距聯(lián)系站點實際進行。

3.3 方案對比

（1）方案一。2700 MV·A 條件，1 所單主變電所，3 條進線路線，單相變壓器接線，主變壓器容量為（2×40）MV·A，同相補償裝置容量無，供電可靠性高，三相電壓不平衡度滿足國際標(biāo)準(zhǔn)，占地少，擴展性較好。

（2）方案二。2700 MV·A 條件，2 所兩主變電所，（2+1）條進線路線，單相變壓器接線，主變壓器容量為（2×40+40）MV·A，同相補償裝置容量無，供電可靠性極高，三相電壓不平衡度滿足國際標(biāo)準(zhǔn)，占地多，擴展性好。

（3）方案三。1000 MV·A 條件，1 所單主變電所，3 條進線路線，單相組合式變壓器接線，主變壓器容量為（2×31.5）MV·A，同相補償裝置容量為（2×12.5）MV·A，供電可靠性高，三相電壓不平衡度滿足國際標(biāo)準(zhǔn)，占地少，擴展性較好。

（4）方案四。1000 MV·A 條件，2 所兩主變電所，（2+1）條進線路線，單相組合式變壓器接線，主變壓器容量為（2×31.5+31.5）MV·A，同相補償裝置容量為（2×12.5+12.5）MV·A，供電可靠性極高，三相電壓不平衡度滿足國際標(biāo)準(zhǔn)，占地多，擴展性好。

綜合來看，無論是什么樣的兆伏安條件，單主變電所的方案相比2 所兩主變電所方案，在占地和系統(tǒng)總造價方面具備較大優(yōu)勢，但擴展性和供電可靠性方面存在一定弱勢。綜合考慮地區(qū)二號線路需求，本線路推薦選擇方案二。

4 結(jié)語

城市軌道交通交流牽引供電系統(tǒng)是當(dāng)前建設(shè)城軌應(yīng)用的新型供電系統(tǒng)，具有一些特殊優(yōu)勢。本文主要論述其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和運行原理，說明其關(guān)鍵技術(shù)，可以供技術(shù)人員針對城軌線路的特殊性，進行合理選擇和設(shè)計建設(shè)方案。