膠輪有軌電車交通的供電研究

■ 王彥利

0 引言

膠輪有軌電車交通的車輛采用橡膠輪胎實現行駛和導向，主要用于小運量和短距離的公共交通，一般采用高架方式敷設，具有安全可靠、便捷高效、經濟實用、環境友好、建設成本低、建設周期短、運營維護方便等優點，在我國大、中、小城市獲得廣泛認可。

膠輪有軌電車采用車載動力電池儲能供電，在車場、終點車站和存車線等場所充電，其牽引供電需求與當前地鐵、輕軌和有軌電車不同。膠輪有軌電車交通的高架車站結構輕盈、小巧，用電設備少、負荷容量低，停電影響較小，其低壓配電需求與當前地鐵、輕軌和有軌電車等也存在較大差異。膠輪有軌電車交通供電系統是關乎運營安全性、可靠性、高效性和經濟性的重要系統，難以照搬當前地鐵、輕軌和有軌電車的標準規范和技術方案，需要基于負荷特點和供電需求進行量身定做的系統研究，提出安全可靠、技術可行、經濟實用、運營方便的技術方案。

1 電力負荷及供電要求

1.1 車站低壓負荷

膠輪有軌電車交通的車站規模較小，長度一般為30～40 m，寬度約14 m，用電負荷的數量少、容量小。車站的重要負荷主要包括通信信號系統、綜合監控系統、自動售檢票系統、站臺門、電梯、應急疏散設施、降壓變電所用電和照明設備，這些負荷若中斷供電，可能產生人員安全問題或影響正常交通秩序，需要保證供電的可靠性。對于重要負荷中與安全生產相關的負荷，應由2路電源供電，或者設置電池儲能裝置，作為低壓備用電源[1]。

車站的一般負荷主要包括廣告設施和清掃設備等，停電影響不大，當系統故障時可以停止供電。

1.2 車場低壓負荷

膠輪有軌電車交通采用狀態檢修的理念，車場規模較小，檢修設備的規格和數量也相應較少，用電負荷數量和容量都較小。車場的重要負荷主要包括通信信號系統、綜合監控系統、降壓變電所用電和照明設備，以及弱電機房空調和降壓變電所風機等，這些負荷都是交通系統正常運行的保證，需要較高的可靠性。對于重要負荷中與安全生產相關的負荷，應由2路電源供電。

車場的一般負荷主要包括生活設施和清掃設備等，停電影響不大，在正常情況下應保證可靠供電，當1路電源退出時可以中斷供電。

1.3 列車充電負荷

膠輪有軌電車交通的列車充電容量為150～200 kW，充電時間1．5～2．0 h。列車充電負荷是交通系統正常運行的重要保證，需要較高的可靠性。

工程中一般在車場、首發車站、終點車站和存車線車站設置充電裝置，充電裝置的低壓電源就近引自降壓變電所，每套充電裝置的容量應滿足1列車的充電需要，同一車站或車場的充電裝置之間應能夠相互支援。

為了提高車場內列車充電的可靠性和靈活性，充電裝置應分別接在降壓變電所的不同低壓母線上。如需要提高始發車站、終點車站和存車線車站的充電可靠性，全線可以配置1臺移動應急充電車。

2 電源選擇

膠輪有軌電車交通的普通車站負荷約為50 kVA，設置充電裝置的車站負荷為200～400 kVA，車場負荷為2×（800～1 250 kVA），線路全長10 km時的全線負荷約為5 000 kVA。

單個車站的電力負荷約為50 kVA，如果就近引入交流0．4 kV電源，在供電可靠性、工程成本、實施可行性和維護方便性等方面均不合理，工程建設時除非迫不得已，均不應采用，對于全線車站和車場更不能推廣。

為了保證供電可靠性和經濟性，膠輪有軌電車交通的供電應充分依靠電力系統，不應建設主變電所和開閉所，進線電源應選用當地電力系統的配電電壓，交流10、20、35 kV均合理可行，全線引入不少于2路的中壓電源，設置內部中壓供電網絡，實現全線的供電[2]。

膠輪有軌電車交通工程與地鐵或輕軌換乘或鄰近時，也可從地鐵或輕軌的供電系統引入交流10、20、35 kV電源。

3 供電網絡

地鐵和輕軌工程供電系統的中壓供電網絡一般選擇雙環網形式。有軌電車工程供電系統的中壓供電網絡部分選擇雙環網形式，部分選擇單環網形式。

以全長約10 km的膠輪有軌電車交通工程為例，其雙環網供電網絡方案見圖1，單環網供電網絡方案見圖2，2種供電網絡方案的技術經濟性比較見表1。

從表1分析可見，單環網供電形式滿足工程的可靠性要求，在工程投資、運營成本、工程管理和運營管理方面均具有顯著優勢。另外，膠輪有軌電車交通系統的車輛采用電力電池儲能供電，故障列車能夠依靠其他列車推行到車站，而且區間設有便捷、安全的疏散平臺，有條件適當降低對供電可靠性的要求。因此，選擇單環網供電方式是合理的。

圖1 雙環網供電網絡

圖2 單環網供電網絡

表1 雙環網供電與單環網供電的技術經濟比較

4 降壓變電所

4.1 車站降壓變電所

每座車站均設置1座降壓變電所，從供電網絡引入2路中壓電源，當1路電源退出時，另1路電源不應同時受到損壞。考慮膠輪有軌電車交通的客流量較小，行車故障對城市整體交通的影響不大，而且電力系統的可靠性日益提高，車站低壓供電的可靠性適度即可。為了簡化系統、降低工程投資、減少運營維護工作，中壓和低壓側均采用單母線接線。為了保證車站部分重要負荷2路電源的需要，降壓變電所設置1套動力電池儲能電源裝置。

車站需要向列車充電時，在降壓變電所內設置充電裝置，充電裝置的電源引自降壓變電所的低壓母線。車站降壓變電所的主接線見圖3。

4.2 車場降壓變電所

膠輪有軌電車交通的車場規模不大，但是擔負著全線控制指揮、列車充電、運行維護等重要職能，而且工作人員眾多，供電可靠性要求更高、用電容量更大。車場需要設置降壓變電所，供電網絡引入2路中壓電源，正常時2路電源同時供電，1路電源退出時另1路電源支援供電。為了提高供電的可靠性和靈活性，中壓和低壓側均采用單母線分段接線。

車場需要向列車充電時，在降壓變電所內設置充電裝置，不同充電裝置的電源應分別引自降壓變電所的不同低壓母線。車場降壓變電所的主接線見圖4。

圖3 車站降壓變電所主接線

圖4 車場降壓變電所主接線

5 列車充電裝置

列車充電裝置從降壓變電所引入交流0．4 kV電源，輸出直流640 V充電電源，通過列車車載取流器向動力電池充電。充電裝置應滿足列車2 h內充滿電能的容量要求，為了減少工程投資和設備占地面積，充電裝置應具備向多列膠輪有軌電車順序充電的能力。

5.1 變流器

變流器是實現交直流電能變換的電力電子設備，輸入交流0．4 kV電源，輸出直流充電電源，輸出的充電電流和充電電壓均可以按照動力電池的充電特性控制。變流器應采用金屬封閉柜式結構，布置在車站或車場的降壓變電所設備房內。

5.2 授流器

授流器是充電裝置與車輛間實現電流傳導的接口部件，車輛上分別設置正極和負極取流器，對應車外同時設置正極和負極授流器。授流器必須滿足車輛充電時電流（正常和故障）的通流和電壓（正常和故障）耐受要求，還必須耐受環境中可能出現風、雨、雪、冰、異物等的影響。在技術和經濟條件允許時，授流器應優先考慮安裝在車輛頂部，并應參照車輛受電弓和集電靴的標準進行全套試驗檢驗。

6 綜合接地

膠輪有軌電車交通工程中，在車站、車場和區間的有限空間內，乘客與運營管理人員同在，強電設備與弱電設備并存，設備系統之間管線聯系緊密、電磁關系復雜，不同系統不能實現分別獨立接地，必須采用綜合接地方式[3-4]。

膠輪有軌電車交通工程采用綜合接地方式，要求將全線車站、區間和車場的接地進行可靠的金屬連接，使整個系統構成整體連通的綜合接地系統，全線的所有強電設備、弱電設備、人員安全和防雷接地均與綜合接地系統合理、可靠地連接。

6.1 車站接地

車站綜合接地系統需要同時滿足強電設備、弱電設備、防雷和人員安全的接地需要。強電設備的接地要求接地電阻不應大于2 000/I（I為系統單相接地的短路電流，kA）。弱電設備接地時，接地電阻宜適當減小，且接地引出點與強電系統接地引出點及防雷接地引出點之間的距離不小于15 m。防雷接地中要求接地裝置的沖擊電阻小于4 Ω。人員安全接地的主要要求是保證接觸電位和跨步電位小于人體耐受水平，同時合理實現等電位連接。

因此，每座車站應設置1個綜合接地網。綜合接地網可以利用建筑結構鋼筋作為自然接地體，也可以另外增設與自然接地體可靠連接的人工接地體，接地電阻一般不應大于1 Ω，強電系統接地引出點與防雷接地引出點之間的距離不應小于15 m，同時核算接觸電位和跨步電位滿足要求，在人員密集的積水場所設置等電位連接。

為了有效降低全線各車站的接地電阻數值，提高全線供電系統機電保護的可靠性、選擇性和靈敏性，應將全線車站、車場的接地裝置用金屬導體可靠連接。

6.2 車場接地

車場綜合接地系統的技術條件與車站基本相同，制式接地網占地面積允許更大一些，其工程方案與車站相同。

6.3 區間接地

區間的主要設施包括軌道梁、疏散平臺、強電環網電纜、弱電環網電纜和通信天線。軌道梁和疏散平臺均為金屬材料或混凝土構成，不需要考慮接地等安全問題。強電環網電纜和弱電環網電纜均設有金屬鎧裝層，金屬鎧裝層應在車站與綜合接地網可靠連接。通信天線等弱電設備的外殼需要就近可靠接地。

為此，膠輪有軌電車交通工程應在沿區間橋梁設置接地導體，用于沿線弱電設備的接地，接地導體的兩端均應在車站與綜合接地網可靠連接。

7 結論

（1）膠輪有軌電車交通的供電系統應接線簡單，達到合理的可靠性水平，嚴格控制工程投資，減少運營維護工作量。

（2）供電系統的電源應優先選用當地電力系統常用的中壓電源，設置覆蓋全線的中壓供電網絡，中壓供電網絡應采用單環網方式。

（3）每座車站均應設置降壓變電所，中壓側和低壓側均采用單母線接線，向重要負荷和一般負荷供電，為提高相關安全負荷的供電可靠性，變電所內可設置動力電池儲能的備用電源。車場均應設置降壓變電所，中壓側和低壓側應采用單母線分段接線，保證列車充電裝置和控制中心的雙電源可靠供電。

（4）供電系統的充電裝置應安全、可靠，為了節約工程建設成本，變流器應具備向多列列車充電的靈活供電方式，授流器應適應各種充電工況和自然環境的條件，并謹慎選擇列車下部的地面授流形式。

（5）膠輪有軌電車交通的每座車站均設置綜合接地網，車場設置綜合接地網，區間設置貫通接地導體，利用區間貫通接地導體和強弱電電纜金屬鎧裝層將全部接地網連通，構成全線綜合接地系統。