城市軌道交通供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法

王小峰

0 引言

國(guó)內(nèi)城市軌道交通建設(shè)目前已進(jìn)入了大規(guī)模高速度發(fā)展期，現(xiàn)有30多個(gè)城市正在建設(shè)或籌建規(guī)劃城市軌道交通工程，北京、上海、廣州等特大城市的軌道交通已步入網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展時(shí)代。城市軌道交通供電系統(tǒng)簡(jiǎn)稱城軌供電系統(tǒng)，是城市軌道交通運(yùn)營(yíng)的動(dòng)力源泉，它擔(dān)負(fù)著為機(jī)車和各種運(yùn)營(yíng)設(shè)備提供電能的重要任務(wù)，其科學(xué)性、安全性和可靠性直接影響到城市軌道交通的安全運(yùn)營(yíng)與服務(wù)水平。因此，在項(xiàng)目的前期設(shè)計(jì)階段需給予重點(diǎn)關(guān)注。筆者有幸參與了相關(guān)城市軌道交通工程的前期研究、總體設(shè)計(jì)和供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)等工作，根據(jù)城市軌道交通項(xiàng)目前期研究階段的特點(diǎn)，通過總結(jié)和歸納，提出了一套適用于城市軌道交通供電系統(tǒng)簡(jiǎn)單而有效的設(shè)計(jì)思路與設(shè)計(jì)方法。

1 城軌供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)基本任務(wù)和前期條件

1.1 城軌供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)基本任務(wù)

按照現(xiàn)代項(xiàng)目管理理論及我國(guó)目前建設(shè)程序，城市軌道交通項(xiàng)目可以分成項(xiàng)目前期階段、規(guī)劃實(shí)施階段、投入運(yùn)營(yíng)階段。項(xiàng)目前期階段又包括：城市軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃、預(yù)可行性研究（項(xiàng)目建議書）、可行性研究。城市軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃應(yīng)根據(jù)城市發(fā)展要求和財(cái)力情況，明確遠(yuǎn)期目標(biāo)和近期建設(shè)任務(wù)以及相應(yīng)的資金籌措方案。供電系統(tǒng)預(yù)可行性研究階段的主要任務(wù)是：①初步調(diào)查城市電網(wǎng)及外電源引入情況；②初步確定供電系統(tǒng)方案；③配合車輛選型，初步確定牽引供電制式；④框算供電系統(tǒng)的工程投資，其投資估算精度控制在供電系統(tǒng)的分部分項(xiàng)工程投資的±20%以內(nèi)即可。供電系統(tǒng)可行性研究階段的主要任務(wù)是：①確定外部電源方案；②確定城軌供電系統(tǒng)方案；③確定牽引供電方案；④PSCADA和ISCS的關(guān)系的界定；⑤確定雜散電流腐蝕防護(hù)及綜合接地方案。工程可行性研究階段一般只需給出主變電所、供電系統(tǒng)（電纜工程）、牽引變電所、降壓變電所、接觸網(wǎng)、雜散電流防護(hù)及綜合接地等工程的基本數(shù)量，能夠基本確定供電系統(tǒng)項(xiàng)目的投資估算即可，誤差控制在初步設(shè)計(jì)的10%左右。

1.2 供電系統(tǒng)前期階段的設(shè)計(jì)條件

供電系統(tǒng)專業(yè)在前期設(shè)計(jì)階段需要線路、行車、車輛等專業(yè)提供的基礎(chǔ)資料作為供電系統(tǒng)開展系統(tǒng)設(shè)計(jì)的前提和基本條件，具體要求見表1。

2 城軌供電系統(tǒng)用電負(fù)荷的估算

城市軌道交通用電負(fù)荷由為列車供電的牽引負(fù)荷和為車站、區(qū)間、車輛段、控制中心等其他建筑物所需要的動(dòng)力照明負(fù)荷組成。

表1 供電系統(tǒng)前期階段的設(shè)計(jì)條件表

2.1 牽引負(fù)荷的年用電量估算

列車牽引負(fù)荷與車輛選型和系統(tǒng)設(shè)計(jì)運(yùn)輸能力相關(guān)，在前期階段，可采用平均運(yùn)量法估算牽引負(fù)荷的年用電量Wq。

式中，?A為列車年平均單位能耗，kW · h/t · km；G為單列機(jī)車的總重，t；N為日發(fā)車對(duì)數(shù)；T為年運(yùn)行時(shí)間，365天/年；L為機(jī)車運(yùn)行里程，km。

針對(duì)不同線路，?A應(yīng)根據(jù)列車情況取不同數(shù)值，它應(yīng)包括列車的牽引用電及輔助設(shè)備用電等。在設(shè)計(jì)新線的前期階段，?A可參考既有線路運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)測(cè)試積累得來的數(shù)據(jù)，一般取值為 0.04～0.065 kW·h/t·km。

2.2 動(dòng)力照明負(fù)荷的年用電量估算

車站的低壓負(fù)荷主要分為動(dòng)力負(fù)荷和照明負(fù)荷2大類。動(dòng)力負(fù)荷主要包括通信、信號(hào)、綜合監(jiān)控、屏蔽門、AFC、通風(fēng)空調(diào)、給排水、扶梯/電梯、維修電源等。照明負(fù)荷分為車站公共區(qū)照明和附屬用房照明2部分，公共區(qū)的照明在設(shè)計(jì)上一般根據(jù)運(yùn)營(yíng)的高峰時(shí)段和非高峰時(shí)段選擇開啟燈具的數(shù)量，附屬用房中的辦公管理房間照明在工作時(shí)段全部開啟，設(shè)備房間的照明平時(shí)不開啟，在人員巡視和檢修時(shí)全部開啟。在前期階段，各專業(yè)的電源需求都是按其最大運(yùn)行狀態(tài)提的，實(shí)際運(yùn)行時(shí)，很難達(dá)到滿載，而且各設(shè)備的啟動(dòng)時(shí)間和運(yùn)行是錯(cuò)開的。因此，需要根據(jù)設(shè)備工況模式給出一個(gè)較為合理的需要系數(shù)，估算出全線動(dòng)力照明負(fù)荷的年需用用電量Wd，科學(xué)選擇配電變壓器容量。

式中，Pam為全線動(dòng)力照明負(fù)荷最大平均需用功率，kW；td為日運(yùn)營(yíng)時(shí)間，h；tn為夜間停運(yùn)時(shí)間，h；T為年運(yùn)行時(shí)間，365天/年。

3 供電系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

3.1 外部電源方案的形式

城市軌道交通作為城網(wǎng)的特殊用戶，一條線的用電范圍多為10～40 km，其高峰小時(shí)需用功率一般為（6～10）×104kW，且呈線狀分布。對(duì)于具體工程，究竟是采用何種形式的外部電源方案，應(yīng)在計(jì)算確定用電負(fù)荷的基礎(chǔ)上，根據(jù)該城市軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃、城網(wǎng)構(gòu)成特點(diǎn)、工程實(shí)際情況等不同角度，通過經(jīng)濟(jì)技術(shù)綜合比選確定本工程外電源方案是采用集中供電方式還是分散供電方式。2種供電方式的優(yōu)缺點(diǎn)如表2。

3.2 確定外部電源方案的技術(shù)路線

不論集中供電方式還是分散供電方式，外部電源的落實(shí)、主變電所（開閉所）的規(guī)劃設(shè)置、供電分區(qū)的劃分等都是前期階段供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作的重點(diǎn)和難點(diǎn)，也是開展后期設(shè)計(jì)工作的基礎(chǔ)。該階段工作需要與市規(guī)劃部門及市供電局充分溝通協(xié)調(diào)，以達(dá)成共識(shí)。

3.3 中壓網(wǎng)絡(luò)方案

所謂中壓網(wǎng)絡(luò)，就是通過中壓電纜，縱向把上級(jí)主變電所和下級(jí)牽引變電所、降壓變電所連接起來，橫向把全線的各個(gè)牽引變電所、降壓變電所等聯(lián)系起來，起分配和傳輸電能的作用。電壓等級(jí)和構(gòu)成形式是中壓網(wǎng)絡(luò)的2大屬性。國(guó)內(nèi)城市軌道交通中壓網(wǎng)絡(luò)一般為10，20和35（33）kV等3種電壓等級(jí)，具體采用哪種電壓等級(jí)，要結(jié)合外電源系統(tǒng)方案、線路走向、站點(diǎn)設(shè)置、設(shè)備供應(yīng)情況等諸多因素進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜合比較，合理選擇適合工程實(shí)際的電壓等級(jí)。

表2 2種供電方式比較表

根據(jù)《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50157-2003）第14.1.11款的要求，國(guó)內(nèi)城市軌道交通中壓網(wǎng)絡(luò)的主接線方案一般多采用雙環(huán)網(wǎng)方案。中壓網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成及供電分區(qū)的劃分位置需滿足《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》第14.1.12款的要求，并考慮與運(yùn)行交路的結(jié)合，合理均衡系統(tǒng)潮流分布，最大限度地滿足車輛的運(yùn)行，不因網(wǎng)絡(luò)局部故障而造成全線車輛停運(yùn)，確保供電系統(tǒng)安全、可靠地運(yùn)行。

3.4 牽引網(wǎng)系統(tǒng)方案

在前期研究階段，牽引供電系統(tǒng)方案需要明確牽引供電制式、牽引網(wǎng)形式、牽引變電所設(shè)置方案。

《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50157-2003）中明確規(guī)定，國(guó)內(nèi)城市軌道交通的供電制式為DC 750 V和DC 1 500 V，受流方式為第三軌方式和架空接觸網(wǎng)方式。其中：DC 1 500 V電壓較多的應(yīng)用于架空接觸網(wǎng)，如上海軌道交通一、二號(hào)線，廣州軌道交通一、二號(hào)線，南京軌道交通一號(hào)線一期工程等；DC 750 V電壓較多的應(yīng)用于接觸軌，北京軌道交通多采用該方式。此外，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，接觸軌開始推廣采用鋼鋁復(fù)合導(dǎo)電軌技術(shù)，并開始采用DC 1 500 V電壓等級(jí)，如已經(jīng)試運(yùn)行開通的廣州地鐵四號(hào)線及在建的深圳3號(hào)線。表3給出了各種牽引供電制式的比較。

3.5 牽引變電所設(shè)置的基本原則

牽引變電所的設(shè)置取決于牽引網(wǎng)電壓等級(jí)、牽引網(wǎng)電壓損失；同時(shí)應(yīng)充分考慮雜散電流腐蝕防護(hù)、線路能耗、電纜敷設(shè)、土建造價(jià)及運(yùn)營(yíng)管理等方面，統(tǒng)籌設(shè)計(jì)。

在正常和故障運(yùn)營(yíng)模式下，牽引網(wǎng)的電壓波動(dòng)范圍和軌電位必須滿足《城市軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)》（GB/T 10411-2005）第 4.4款和第 7.4.2款的要求；牽引網(wǎng)電壓損失包括牽引網(wǎng)平均電壓損失、最大電壓損失。其中，牽引網(wǎng)最大電壓損失值是影響牽引變電所設(shè)置數(shù)量的關(guān)鍵因素，平均電壓損失值對(duì)牽引網(wǎng)能耗影響較大。

表3 牽引供電制式比較表

直流牽引供電系統(tǒng)電壓水平的詳細(xì)計(jì)算需結(jié)合列車運(yùn)行圖，建立等效的時(shí)變等效電路模型，通過軟件進(jìn)行仿真計(jì)算。牽引網(wǎng)最大電壓損失發(fā)生在機(jī)車啟動(dòng)瞬間，因此在前期研究階段，可以通過簡(jiǎn)單實(shí)用的經(jīng)驗(yàn)公式，粗略計(jì)算牽引網(wǎng)的電壓水平和鋼軌電位，初步判斷牽引變電所設(shè)置方案的可行性。

（1）單邊饋電時(shí)最大瞬時(shí)電壓損失?udqmax。

（2）雙邊饋電時(shí)最大瞬時(shí)電壓損失?usqmax。

式中，Iqmax為列車最大啟動(dòng)電流，A；L為雙邊供電距離，km；r為牽引網(wǎng)單位電阻，?/km；m為區(qū)間平均列車數(shù)。

（3）鋼軌電位?uz。

式中，RZ為走行軌阻抗，?；RJ為接觸軌阻抗，?；?u為牽引網(wǎng)電壓損失，V。

4 結(jié)論及建議

通過對(duì)城市軌道交通項(xiàng)目供電系統(tǒng)前期研究階段的基本任務(wù)的理解和分析，結(jié)合以往供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，提出一套適用于城市軌道交通供電系統(tǒng)簡(jiǎn)單而有效的設(shè)計(jì)思路和設(shè)計(jì)方法，實(shí)踐證明，該方法簡(jiǎn)單有效，能夠滿足供電系統(tǒng)前期研究階段工程設(shè)計(jì)的需要。

[1]何宗華.城市輕軌交通工程設(shè)計(jì)指南[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1993.

[2]黃德勝.地鐵供電估算[J].都市快軌交通，2007，20，（6）.

[3]GB 50157-2003 地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2003.

[4]GB /T 10411-2005 城市軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2005.

[5]寧波市軌道交通二號(hào)線一期工程可行性研究報(bào)告.上海市隧道工程軌道交通設(shè)計(jì)研究院，2008.