現代有軌電車中壓網絡接線方案

何 斌

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司 武漢430063)

據資料顯示，有軌電車技術始于19世紀末，后來退出歷史舞臺，最近這二三十年，提升了技術含量、建造成本不到地鐵1/4的現代有軌電車再度回歸到公眾視野。它填補了地鐵網絡和公交汽車網絡之間的空白，能夠承擔大型城市主要干線之間的聯絡和過渡，解決了“最后1km”的難題。目前，國內多個城市正在積極建設和規劃現代有軌電車線路［1-3］，但與有軌電車供電系統相關的設計規范由于編寫年代較早，已不能完全指導現代有軌電車的建設，導致一些工程在技術論證階段難以抉擇或者盲目參考地鐵設計規范，造成建設標準較高，增加了工程投資和運營、維護成本等問題。

1 外部電源供電方式及電壓等級的選擇

對于類似地鐵、輕軌、有軌電車等軌道交通系統，其負荷呈長線型分布，相對較大且具有特殊性，供電方式主要有設置主變電所的集中供電方式、直接從城市

變電站引入中壓電源的分散供電方式以及這兩種供電方式結合的混合供電方式。集中供電方式需要引入較高電壓等級的電源以及設置將高壓電源降壓為中壓電源的主變電所，投資較高，1座主變電所投資通常可達1億元以上，這對于以投資小為優勢之一的現代有軌電車顯然不是最合理的供電方式［4-5］。而且，現代有軌電車無論是牽引負荷還是車站的動力照明負荷相對于地鐵、輕軌均要小很多，采用分散供電方式已完全可以滿足要求，因此，現代有軌電車選擇投資更省的分散供電方式更為合理。

關于外部電源的電壓等級，理論上應根據城市電網中壓網絡的電壓等級選擇，可采用35、20、10kV［6］。但20 kV電壓等級僅個別城市的個別區域存在，而35 kV供電網絡已面臨逐步取消，所以實際上目前以10kV電壓等級為主。這與GJ/T—1999《城市無軌電車和有軌電車供電系統》第3.1.4條“交流電源標稱電壓宜采用10kV”的規定也是一致的［7］。

2 對外部電源的可靠性要求

CJ/T1—1999《城市無軌電車和有軌電車供電系統》中對于外部電源的規定主要有第3.2.1條“系統應列為交流電源的一級或二級負荷”;第4.4.1條規定“電車整流站應有兩路交流進線電源，一路常用，一路保安備用。臨時電車整流站可用單路交流進線電源”［7］。

從以上規定來看，有軌電車交流電源可列為一級或二級負荷，正常情況下可以由一路電源供電，但應有備用電源。

GB 50052—2009《供配電系統設計規范》第3.0.2條對于一級負荷的電源要求為“一級負荷應由雙重電源供電，當一電源發生故障時，另一電源不應同時受到損壞”，第3.0.7條規定對于二級負荷的電源要求為“二級負荷的供電系統，宜由兩回線路供電。在負荷較小或地區供電條件困難時，二級負荷可由一回6 kV及以上專用的架空線路供電”［8］。

從以上規定可以看出，現代有軌電車的用電負荷如定義為一級負荷，則正常情況下應由兩路電源供電，且兩路電源互為備用;如定義為二級負荷，則正常情況下可由一回電源供電，但應同時有一路備用電源，即要滿足“有兩路電源，一路常用，一路備用”的要求。

負荷的分級是依據負荷的重要性來劃分的。停電后如果造成人員傷亡、重大經濟損失和公共場所秩序嚴重混亂的情況，其負荷就應該劃分為一級負荷。

現代有軌電車的實質就是有固定運行線路、享有一定優先權、清潔環保、具有較大運輸能力的公共交通系統，與傳統公交運輸在重要性上沒有本質的區別。因此，筆者認為，地面和高架段的現代有軌電車牽引負荷可以定位于二級負荷，在外部電源條件較好、經濟條件許可的情況下可按一級負荷考慮。但有地下線路時，地下段應定位于一級負荷。

3 中壓網絡接線方案

筆者根據現代有軌電車對供電可靠性的要求，以及軌道交通常用中壓網絡結構，結合現代有軌電車的特點提出了4種中壓供電方案進行分析、研究，分別為雙回路10kV電源直接供電方案、雙回路10kV電源+雙環網供電方案、單回路10kV電源+單環網供電方案以及雙回路10kV電源+單環網供電方案。

為了能夠更好地說明這4種中壓網絡接線形式的區別和特點，下面以1條15 km左右，設8座牽引變電所的線路為例進行說明。

3.1 雙回路10kV電源直接供電方案

雙回路10kV電源直接供電方案是指每座牽引變電所直接從附近的城市電網變電站引入2回路10kV電源向牽引變電所供電的形式［9］。每座牽引變電所引入的2回路10kV電源互為備用，牽引變電所間無環網聯絡，其接線網絡結構如圖1所示。

圖1 雙回路10kV電源直接供電方案接線形式

該接線形式的特點是引入的10kV電源較多，本例中需要引入16回10kV電源，占用電力系統10kV間隔資源及市政電力廊道較多。

3.2 雙回路10kV電源+雙環網供電方案

雙回路10kV電源+雙環網供電方案的接線形式是指在部分牽引變電所直接從城市電網變電站直接引入2回10kV電源供電，而沒有直接從城市電網的則采用雙環網從相鄰10kV電源的牽引變電所引入2回10kV電源，其網絡結構如圖2所示。該方案為國內城市軌道交通通常采用的雙環網方案，通過10kV環網將引入電源相互連接，形成備用。全線僅需要在3個牽引變電所引入6回10kV電源就可滿足供電要求。

圖2 雙回路10kV電源+雙環網供電方案的接線形式

該方案引入的電源數量較少，同時也可結合沿線外部電源情況，在距離電源點近的車站引入電源，所以外部電源工程量較小，但由于沿線敷設2回10kV環網電纜，投資較高。

3.3 單回路10kV電源+單環網供電方案

單回路10kV電源+單環網供電方案的接線形式是指在部分牽引變電所直接從城市電網變電站直接引入1回10kV電源供電，而沒有直接從城市電網引入的則采用單環網從相鄰10kV電源的牽引變電所引入1回10kV電源，通過10kV環網將引入電源相互連接，形成備用，其網絡結構如圖3所示。該接線形式全線僅需要在4個牽引變電所引入4回10kV電源就可滿足供電要求。

該接線方式任一變電所均有2回10kV電源，1回為主供電源，1回為備供電源。供電可靠性能夠滿足二級負荷的供電要求。

圖3 單回路10kV電源+單環網供電方案接線形式

這種接線形式變電所采用單母線接線，主接線簡單、設備較少，除了可突出體現現代有軌電車的投資優勢外，還可大大減少變電所的設備數量、減小變電所體量。這對于現代有軌電車提出的站臺簡易，特別要求設備用房盡量精簡，采用箱式變電所時體積盡量小的需求是十分吻合的［10］。

3.4 雙回路10kV電源+單環網供電方案

雙回路10kV電源+單環網供電方案的接線形式是指在部分牽引變電所直接從城市電網變電站引入兩回10kV電源供電，而沒有直接從城市電網引入的則采用單環網從相鄰10kV電源的牽引變電所引入1回10kV電源，也通過10kV環網將引入電源相互連接，形成備用，其網絡結構如圖4所示。該接線形式全線僅需要在3個牽引變電所引入6回10kV電源就可滿足供電要求。

圖4 雙回路10kV電源+單環網供電方案的接線形式

這種接線形式是根據沿線外部電源情況對單回路10kV電源+單環網供電方案的一種優化和適應性改變的接線形式。這種接線形式主要有2個優勢:

一是在每個電源點同時引入2回10kV電源，這樣可以減少引入電源點的數量。比如對于單回路10kV電源+單環網供電方案需要從4座地方110kV變電站引入電源，而該接線形式只需要從3座地方110kV變電站引入電源，對外部電源的條件要求低一些，可以更好地適應沿線的外部電源條件。

二是對于線路末端車站沒有電源點或者在局部地下區段的情況，引入雙電源可以在局部區段構成雙環網結構，可保證在1回10kV出現電源故障時，可以有另1回10kV備用電源，保證其供電的可靠性。

這種接線形式變電所的接線也相對簡單、設備也較少。同時，它還可以結合外部電源的情況靈活構造接線網絡，具有更好的適應性和靈活性，工程可實施性更高。

4 不同方案的特點及適用范圍

上述4種中壓網絡接線方案均可用于現代有軌電車，但方案各有特點，也因此具有不同的適用范圍，其經濟性、可靠性、工程投資和適用范圍等的對比分析見表1所示。

表1 中壓網絡接線方案綜合分析比較

從表1可以看出，雙回路10kV電源直接供電方案外部引入的電源工程量最大，雖然沒有環網工程，投資也最高。但該投資是以平均每處電源為2 km來計算的，如外電源距離更近，則投資可能會降低。因此，雙回路10kV電源直接供電方案只適用于外部電源點充足且距離較近的線路。

雙回路10kV電源+雙環網供電方案具有較高的投資，但因為其具有最高的供電可靠性，它適用于外部電源點少或距離較遠，供電可靠性要求較高的線路。比如地下段線路或車站規模較大的線路以及運量較大，對可靠性要求更高的線路。

單回路10kV電源+單環網供電方案具有最少的投資，最高的性價比。它適用于外部電源點少、供電可靠性要求不高、投資要求更省的線路。如全部為地面或高架線路，車站設置較為簡單、停運后不會造成較大影響的線路。在滿足供電可靠性的前提下，具有最好的經濟性和可實施性。

雙回路10kV電源+單環網供電方案投資也較低，它適用于外部電源點少、供電可靠性要求不高，且末端車站無電源點、投資要求更省的線路。這種接線形式是單回路10kV電源+單環網供電方案根據沿線外部電源情況的一種優化形式，它能更好地適應外部電源條件，具有更好的適應性和可實施性。

5 結語

現代有軌電車的外部電源供電方式宜采用分散供電方式，電源電壓等級根據外部電源確定，以10kV電壓等級為主。地面和高架段的現代有軌電車牽引負荷宜定位于二級負荷，在外部電源條件較好、經濟條件許可的情況下可按一級負荷考慮。但當有地下線路時，地下段應定位于一級負荷。中壓網絡接線方案提出的4種接線方案各具特點，適宜于不同條件的線路。在具體設計和實施時，應根據沿線的外部電源情況、本線的負荷需求，以及對供電安全和可靠性的要求進行綜合選擇確定。

［1］沈景炎.對現代有軌電車建設與發展的思考［J］.交通與運輸，2013(5):1-3.

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［3］姚之浩.國外有軌電車交通的發展與啟示［J］.上海城市規劃，2010(6):69-72.

［4］張海波.城市軌道交通供電系統中壓網絡的選擇［J］.城市軌道交通研究，2005(5):68-72.

［5］張永康.地鐵供電系統外部電源供電方式的分析與比較［J］.城市軌道交通研究，2005(6):80-83.

［6］GB 50157—2013地鐵設計規范［S］.北京:中國計劃出版社，2014:141.

［7］CJ/T 1—1999城市公共交通無軌電車和有軌電車供電系統［S］.北京:中國標準出版社，1999:315-316.

［8］GB 50052—2009供配電系統設計規范［S］.北京:中國計劃出版社，2010:4-5.

［9］劉家美.新型公共交通外部電源供電模式分析［J］.城市軌道交通研究，2013(3):9-11.

［10］許大光.現代有軌電車供電系統設計方案探討［J］.地下工程與隧道，2014(1):6-9.