城市軌道交通供電系統及電力技術分析

杜娟

摘 要：只有保障城市軌道交通供電系統的穩定性與可靠性才能夠保障城市軌道交通的正常運行。當前，城市軌道交通常用集中式供電、分散式供電與混合式供電等不同的方式，常用的電力技術有諧波分析與治理技術、無功功率補償技術與繼電保護技術等，需不斷提高技術水平。

關鍵詞：城市軌道交通;供電系統;電力技術

中圖分類號：U239.5 文獻標識碼：A

0 前言

城市軌道交通在人們的生活以及社會的發展中發揮著重要作用，而供電系統是城市軌道交通的關鍵動力，承擔著為軌道交通輸送電力的重任，影響著城市軌道交通的運行質量。同時，城市軌道交通越來越復雜，因此本文將對城市軌道交通供電系統與電力技術進行簡要分析，以期為城市軌道交通的發展提供幫助。

1 城市軌道交通概述及其供電系統構成

（1）城市軌道交通的概念。城市軌道交通指的是城市中使用車輛在固定導軌上運行且用于城市客運的交通系統[1]。城市軌道交通是以電能為主要動力，以輪軌運輸為主要運輸方式的公共交通，主要包括地鐵、輕軌以及現代有軌電車。

（2）城市軌道交通供電系統的構成。城市軌道交通是城市電網的關鍵用戶，通常是從城市電網直接獲取電能，其供電系統主要是由電源系統、牽引供電系統以及動力照明系統構成的。電源系統是城市軌道交通與城市電網之間的接口，可以將城市電網中的電能引入到供電系統中;牽引供電系統可以為車輛提供充足的電能，一般是由牽引變電所以及牽引網構成的;而動力照明系統可以為所有的地鐵用電負荷提供電能，例如計算機系統、信號系統、通信系統以及事故照明系統等一級負荷[2]。

2 城市軌道交通電源系統的供電方式

（1）集中式供電。城市軌道交通中的集中式供電指的就是根據城市軌道交通的用電容量以及線路長度沿著線路構建專用的主降壓變電所，從而為整個城市軌道交通線路供電的外部供電方式（如圖1所示）[3]。每一座主變電所都包括兩條獨立的進線電源，有利于增強供電的穩定性與可靠性。同時，可以根據城市軌道交通內部供電系統的電壓需求降低電壓。

集中式供電這種供電方式可以為城市軌道交通公司的運營管理工作提供便利，且所有的變電所都是由環網供電的，具有較強的可靠性。但是，集中式供電也有一定的弊端，即需構建獨立的主變電所，且主變電所需要配備大功率降壓變壓器，成本相對較高。當前，上海、廣州等城市采用的是集中式供電。

（2）分散式供電。城市軌道交通中的分散式供電指的是線路沿線分散從城市中壓網絡當中引入多路電源，直接為牽引變電所與降壓變電所供電，也可以通過電源開閉間接供電（如圖2所示）。

相比于集中式供電，分散式供電不需要構建單獨的主變電所，也不需要配備大功率降壓變壓器，成本較低。但是，電源是從城市中壓電網中引入的，所以供電質量會受到居民用電情況的影響，不太穩定，且會加大管理難度。同時，分散式供電與城市電網有密切聯系，運營管理難度較大，主要應用在北京地鐵、大連輕軌以及長春輕軌中。

（3）混合式供電。顧名思義，混合式供電就是集中式供電與分散式供電的結合，是以集中式供電為主、以分散式供電為輔的供電方式。相比于單獨的供電方式，混合式供電汲取了集中供電與分散式供電的優勢，可以滿足城市電網、城市未來規劃以及城市軌道交通的需求，具有較強的靈活性，且供電質量較好。當前，武漢與北京地鐵應用了這種供電方式。

在選擇供電方式時，需綜合考慮各種影響因素（如表1所示）。而無論應用哪種供電方式都應當保障牽引供電系統與動力照明系統的供電質量，且每一個變電所都應當具備兩條獨立的電源進線，當作備用。

3 牽引供電系統的構成

（1）牽引供電系統供電制式。一般情況下，城市軌道交通當中的牽引供電系統的供電制式主要包括直流制與交流制這兩種類型，而近年來也出現了雙制式供電系統，將直流制與交流制有機結合了起來。直流制是城市軌道交通牽引供電系統多用的供電制式，降壓整流機組可以將牽引變電所從中壓網絡中引入的電流改變為直流電，之后將直流電輸送到牽引網當中，從而為列車供電[4]。直流制供電可以有效滿足地鐵牽引電機的需求，將整流裝置設置在牽引變電所當中，從而減輕列車本身的重量。且直流制供電可以實現牽引網供電的連貫性，當出現故障時可以將雙邊供電切換為單邊供電或大雙邊供電，增強供電的可靠性。但是，直流制供電也并非全是優點，也存在線路損耗大、供電距離短、雜散電流危害以及再生能量反饋難等問題。

（2）牽引網的構成。牽引網是牽引供電系統的關鍵構成部分，主要是由饋電線、回流線、走行軌以及接觸網共同構成的，是列車受電的直接裝置。牽引網的安裝位置不同，所以可以將牽引網劃分為接觸軌與架空接觸網等類型。

4 城市軌道交通中的電力技術

（1）諧波分析及治理技術。城市軌道交通的供電系統當中存在大量的非線性負荷，例如熒光燈、牽引整流機組以及UPS電源等都屬于非線性負荷，會產生諧波，影響供電質量。同時，供電系統當中的諧波不僅會加大供電線路的損耗，導致電氣設備無法正常運行，也會干擾到通信系統的正常運行。而在直流制牽引供電系統當中，整流機組會產生大量的諧波。為此，可以通過加裝無源濾波器、加裝有源濾波器或增加整流裝置的脈波數等方式進行諧波治理，減少諧波對供電系統與供電質量的影響。

（2）無功功率補償技術。城市軌道交通供電系統中的動力照明系統當中應用了很多低壓用電設備，功率因數相對較低，這就會增加供電線路的損耗，導致變送配電設備出現嚴重的發熱情況，且會增加供電線路的無功電壓，這就會導致線路末端的電壓過低，也會導致電壓與電流之間產生較大的相位差，繼而產生嚴重的諧波分量，為此應當通過無功功率補償這一方法提高功率因數，減少影響。

（3）迷流腐蝕及防護技術。直流制供電方式采用了走行軌，將走行軌當作電流的回流線。但是，鋼軌對地并不是完全絕緣的，所以部分電流就會流入道床當中，經過鋼筋以及水管等金屬導線后會流回牽引變電所，這就形成了迷流[5]。而迷流會腐蝕軌道交通當中的金屬設備，損壞走行軌與地下金屬設備。為此，需要科學處理迷流并堅持防治與檢測相結合的原則。防治的主要目的是減少雜散電流值，主要措施包括加強走行軌對地的絕緣、在沿線設置迷流收集網以及排流柜等裝置，從而使迷流流回牽引變電所的負極。而檢測的主要目的是收集數據，可以通過專門的檢測系統對軌地阻抗與運輸結構的腐蝕電位進行檢測，從而為迷流腐蝕的防護與軌道的養護工作提供數據支持。

（4）繼電保護技術。繼電保護技術在城市軌道交通供電系統中發揮著重要作用，可以保護供電系統，當供電系統出現故障時可以及時報警并切除故障設備。例如，交流供電中以零序電流保護與有過負荷保護為主，主要應用在進線電纜單相接地故障、配電變壓器高壓側故障以及負荷過載運行中。而直流饋線保護以大電流脫扣保護、電流上升率與電流增量保護、接觸網熱過負荷保護、雙邊聯跳保護、過流保護以及自動重合閘為主。供電系統當中的繼電保護主要應用了縱聯差動保護措施，即利用通信信道將輸電線兩端的保護裝置縱向聯結起來，從而將兩端的電氣量傳輸到對端，并進行對比，從而判斷是否需要執行保護動作。

5 結語

城市軌道交通的供電系統主要是由牽引供電系統、電源系統以及動力照明系統共同構成的，其中電源系統的供電方式包括集中式供電、分散式供電以及混合式供電，常用的電力技術包括供電系統中的諧波分析與治理技術、無功功率補償技術、迷流腐蝕與防護技術以及繼電保護技術，優化供電方式、靈活運用電力技術有利于優化城市軌道交通的供電系統，保障城市軌道交通的穩定運行。

參考文獻：

[1]梁振剛.城市軌道交通牽引供電及電力技術分析[J].電子元器件與信息技術，2020（8）：111-112.

[2]趙曉莉，王露.城市軌道交通牽引供電系統及關鍵技術分析[J].今日自動化，2019（6）：2.

[3]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（21）：81.

[4]姜蘇春.城市軌道交通牽引供電及電力技術分析[J].商品與質量，2018（28）：137.

[5]孫良軍.城市軌道交通供電系統及電力技術分析[J].科學與信息化，2019（17）：147.