淺談城軌交通供電系統中外部電源的供電方式

劉 童 陳家莉

寧波市軌道交通集團有限公司運營分公司 浙江 寧波 315100

1 城軌交通供電系統

1.1 概況

地鐵作為目前常見的城市軌道交通類型，在運行時電力是驅使其快速運行的重要能源。加強供電系統運行管理，一方面，可以確保城市軌道交通運行時的穩定性；另一方面，能夠降低軌道交通運行安全問題發生幾率，為城市居民提供良好的出行環境。

1.1.1 供電系統基礎內容

軌道交通供電系統的組成相對復雜，系統組成包括變電站、升壓系統、牽引供電系統、降壓系統、接地系統等。同時在系統運行時也具備了以下特點：第一，系統整體體積較大，地鐵在運行過程中所需要的電力負荷較大，為確保系統供壓的安全性與穩定性，需要設置大功率變壓器、蓄電池、保護裝置等設施，這些設置單體體積較大，所組成的系統整體體積也處于較大狀態。第二，轉移難度大，系統體積較大的同時也具備了質量較高的特征，這樣在突發事故需要對其進行轉移時的難度較大，這也對前期選址、保護措施的擬定提出了高要求，以確保供電系統運行狀態的穩定性[1]。

1.1.2 變電方式與接地方式

從目前的使用情況來看，在地鐵供電系統的設計中，會為其配置單獨的主變電站，而地鐵的供電電壓為110KV/35KV，為確保變壓器運行時的安全性，會利用星形法和三角接法來進行處理，同時為了防止系統接地故障帶來的供電問題，變電器中還會增加繼電保護裝置，保護原理是利用中性點接地來降低接地故障帶來的危害性，確保故障發生后設備不會出現損壞。在對地鐵供電系統接地方式進行選擇時，需要考慮地鐵運行時存在電網制式和電壓等級差異，同時系統中電纜鋪設長度較大，運行電壓較大，所產生的接地電流處于較高狀態，在突發斷電事故時也將威脅到地鐵運行時的安全性。一般情況下，會設計兩路供電系統，在其中一路供電系統出現故障時，會及時切換到另一路供電系統繼續供電，以此來維持地鐵運行時的安全性。針對故障電流較大（在100—1000A）的情況，在接地方式的選擇中，會使用小電阻接地模式來維持穩定的接地狀態。

1.2 電源的組成

城市軌道交通供電系統的電能來源于國家電網，而國家電網的電能來源于各種發電廠。

1.2.1 牽引供電系統

它是城市軌道交通供電系統的核心，負責向軌道交通車輛提供電能，其主要作用是降壓，整流和傳輸電能。該系統主要包括牽引變電所，饋電線，接觸網（或者接觸軌）等。牽引變電所是牽引供電系統的心臟，它的主要作用是生產出滿足要求的電能，饋電線則負責把合格的電能輸送到軌道沿線的接觸網上；而接觸網則負責把電能不間斷地輸送到運行的車輛設備受電弓，接觸軌上等。而牽引變電所在運行中，可以把三相高壓交流電轉換為滿足地鐵正常運行所需的低壓直流電。隨后依托于饋電線可以將已經完成轉換的直流電輸送到接觸網當中，而列車則會以受流器與接觸網作為載體，成功接收電能并用于驅動列車運動。總結地鐵運行規律后發現，導致地鐵運行時使用較低電壓直流電的原因如下：（1）相比于交流供電，直流電供電過程中不會出現電抗壓降，所帶來電壓損失較低；（2）列車的運行功率相對較小，不需要為其提供較高電壓，較低電壓直流電便可滿足運行要求；（3）城市軌道交通服務于城市居民，運營線路穿過城市內的許多建筑群，若使用較高供電電壓，存在較大的安全隱患；（4）直流制供電的應用，更加契合列車的牽引特征[2]。

1.2.2 動力照明供電系統

該系統在運行時的主要功能，是為地鐵照明系統、動力設備提供電力支撐，包括區間照明、車站照明、風機運行、水泵運行等。該系統在應用中主要由降壓變電所、供配電線纜、動力照明系統、應急電源等內容構成。

（1） 降壓變電所

相比于列車運行時所需要的較高電壓，動力照明運行時的電壓需求較低，因此需要利用降壓變壓器（數量為兩臺）將電壓下調到系統運行所需電壓，以維持系統工作狀態的穩定性。而兩臺變壓器運行時的容量應滿足以下要求：在系統處于正常運行狀態時，降壓變電所中的兩臺變壓器保持同時運行的狀態，以此來分攤供電壓力，將負荷率控制在70%以內。如果其中某臺變壓器發生運行故障，那么此時系統會自動切除三類負荷，可以正常運行的變壓器只負責承擔一，二級負荷，維持系統運行的安全性。

（2） 動力照明

在系統運行期間，主要采用了放射供電模式，使用380/220V TN-S系統來提供電力保障，部分負荷則利用樹干供電模式，確保整個動力照明過程的穩定性。在一級負荷運行狀態下，需要配置雙回路電源和雙回路電纜來維持系統正常運行，一路出現故障時，另一路替換繼續供電，修復后切換為初始狀態；在二級負荷運行狀態下，需要配置雙回路電源和單回路電纜來維持系統正常運行；在三級負荷運行狀態下，需要配置單回路電源和單回路電纜來維持系統正常運行。

1.2.3 應急電源系統

除上述提到的內容外，在地鐵動力照明供電系統設計中，還需要預設應急電源系統，該系統主要由小型發電機，EPS電源，UPS電源等內容組成。

1.3 對電源的基本要求

地鐵在運行過程中，所需要的負荷較大，用電性質歸類為一級負荷。因此在對系統電源進行設計時應注意以下內容：（1）為確保系統運行狀態的穩定性，需要設置兩路供電電源，電源帶可以來源于同一個變電所或者不同的變電所；（2）兩路供電線路的容量需滿足一、二級負荷運行需求；（3）兩路電源使用時保持單獨運行狀態，某一路出現故障時自動切換到另一路繼續供電；（4）為了降低運營損耗，需采用集中式管理，即設置一個主供電變電所和若干個分散電源點，同時縮減距離地鐵線路的距離，減少電力運輸的損耗[3]。

1.4 供電系統設計的可靠性

1.4.1 供電系統的冗余設計

展開供電系統設計活動時，需要考慮到系統運行時可能存在的停運問題，依托此內容來完成系統冗余設計。此項設計的主要作用是在可以爭取更多的輕微故障檢修時間，使系統負荷較輕時可以順利完成狀態維護，減少輕微事故帶來的負面問題。在具體的設計中，冗余設計包含以下兩種形式：①備用冗余，系統設計了兩組運行設備，設備相互備用，某設備出現運營故障時，備用設備頂替故障設備繼續維持正常的工作狀態。②并列冗余，主要針對無法進行備用設計的系統，會根據設備運營時間、安全系數定期進行設備更換，以此來確保系統運行狀態的安全性與穩定性。

1.4.2 外部電源

在系統設計中，也需要做好外部電源的設計工作，為維持供電過程的穩定性，也會設置雙電源來為系統提供電力。在供電方式的選擇中，常見選擇方式如下：第一，專用線路供電，兩路電源均利用專用線路進行供電，這樣能夠有效提升系統運行狀態的安全性，減少不確定因素帶來的負面影響。第二，其中一路電源設計為專用線路，另一路電源設計為共享電路，雖然可以減少應用成本，但是抵御突發問題的應變能力較差，可靠性相對較低。

1.4.3 環網設備

除上述提到的設計內容外，在系統設計中還需要增加網設備，以維持系統的正常工作狀態。在具體的設計中會采用雙環網結構，借助環串的方式將變電所兩路進出線關聯在一起，以此來提高供電過程的穩定性。同時在設計中也需要做好開關、電纜等結構的布設，而容量方面的設計也需要綜合考量設備運行故障時另一路設備是否可以承擔所有負荷，以此來提高設計內容的合理性，提高環網設備工作狀態的穩定性。

1.5 供電系統結構的可靠性

1.5.1 電氣主接線的可靠性

在對系統結構可靠性進行分析時，需考慮主接線結構的穩定性。從實際應用情況來看，經常會使用內橋接線的方法進行組接，有時也會利用線路變壓器進行組接，前者的安全要求較高，在電源出現運行故障時，不會對整個系統運行產生影響，后者則是依靠單臺主變壓器來維持系統運行，要求相對較低，安全性相對較低。

具體選擇哪一類接線方法，需要綜合考慮設備運行要求、電力部門運行規范等內容，從而提高整個系統運行狀態的穩定性。

1.5.2 繼電保護配置的可靠性

在對系統結構可靠性進行分析時，也需要對繼電保護配置情況進行客觀評價，該裝置在使用中的主要功能，是對整個系統的運行過程進行保護，在系統運行出現過載電流、負荷過載等問題時，系統可以通過快速斷開、零序等方法來保護故障設備和相關聯系統，避免突發故障問題帶來的設備損壞問題。直流系統保護配置的過程比較復雜，其主要的 響應內容是在牽引網出現短路故障時啟動保護措施，減少過載電流對其他設備的損害。在具體的設計中，會在每座牽引所處增設泄露保護裝置，在發現問題時通過及時切斷連接來提升保護過程的及時性。

2 外部電源的系統供電方式

軌道交通從外部電源引入的形式上一般分為集中式供電，分散式供電和混合式供電三種模式。國內大部分采用集中式供電，一些城市采用分散式供電，部分線路采用混合式供電。

2.1 集中式供電

集中式供電是指軌道交通從城市電網引入較高電壓等級的電源（如110KV，220KV），經主變電站進行電壓轉換，將外部電源降壓（如35KV或10KV）后，由主變電站集中向牽引變電所和降壓變電所供電的外部電源引入模式。該模式引入電源電壓等級高，電源點供電能力較強，引入電源點較少，有利于管理。

集中供電方式的優點：

（1）供電可靠性高，受外界因素較小；（2）主變電所采用110/35KV有載自動調壓變壓器，并有專用供電回路，供電質量好；（3）地鐵供電可獨立進行調度和運營管理；（4）檢修維護工作相對獨立方便；（5）可提高地鐵供電的可靠性和靈活性；（6）牽引整流負荷對城市電網影響小。

集中供電方式的缺點：

（1）投資較大；（2）因同時受110KV和10KV電網故障的影響，故受外界因素影響較多；（3）10KV電網直接向一般用戶供電，引起的故障幾率較大，可靠性較低；（4）與城市電網的接口多，調度和運營管理環節增多，故障狀態的轉電不方便；（5）牽引整流機組產生的高次諧波直接進入10KV電網對其他用戶的影響較大。

2.2 分散式供電

分散式供電要求城市電網資源充足，安全運營水平高，供電可靠。

分散式供電的優點：

（1）投資較小；（2）便于城市電網進行統一規劃和管理。

分散式供電的缺點：

（1）與城市電網的接口多，調度和運營管理環節增多，故障狀態下的轉電不方便；（2）牽引整流機組產生的高次諧波直接進入10KV電網對其它用戶的影響較大；（3）要求城市電網的變電所應具有足夠的備用容量，以滿足地鐵牽引供電的要求，涉及較多110KV變電的增容改造，工程量較大。

表1 分散與集中的比較

2.3 混合式供電

是指將兩種供電方式結合起來，一般以集中式供電為主，個別地段引入城市電網電源作為集中式電源的補充，使供電系統更加完善和可靠。北京地鐵一線和環線，建設中的武漢軌道交通工程，青島地鐵南北線工程等即為混合式供電方案。它可以發揮分散式供電和集中式供電的優點，而又避免其缺點，是系統更加優化，有兩種模式：第一，集中式供電為主，分散式為輔；第二，分散式為主，集中式為輔[4]。

2.4 外部電源系統的供電方式選擇

對于某一城市究竟應采用那種供電方式，需要根據地鐵和城軌交通用電負荷并結合該城市電網的具體情況進行分析。若城市電力資源較豐富，沿地鐵和城軌交通線路的地區變電站較多且容量也足夠給地鐵和城軌交通供電，采用分散式供電節約建設資金。當城市電網介于兩者之間時，采用混合式供電方式，以此來提高整個系統運行狀態的穩定性與安全性。