基于城市軌道交通供電系統的設計及應用

黃志強

摘 要：軌道交通的建設成本較高，一旦設計完成，對其進行技術改造或升級將會是一項巨大的投入，因此在設計時就必須盡可能考慮到后期運行的各種因素，科學設計。供電系統是軌道交通的重要動力能源，需要充分結合軌道交通自身供電需求以及城市供電系統發展狀況。本文簡要介紹城市軌道交通供電系統的設計及應用。

關鍵詞：城市;軌道交通;供電系統;設計;應用

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.01.174

0 概述

軌道交通系統的穩定運行離不開一個可靠的電源供電系統，供電系統已經成為城市軌道交通運行的基本保障。軌道交通的電源分為兩部分，一部分是城市電網，城市電網向軌道交通系統提供的電源電壓等級較高，并不能直接提供給車輛。另一部分是軌道交通的內部電源，內部電源負責將城市電網中高電壓轉換為適合軌道交通車輛自身運行的電源電壓。在城市電網中，軌道交通的供電往往不會直接單獨建設電廠，而是從城市電網中獲取電能，可以把城市軌道交通看作城市電網的一個用戶。

1 供電系統的供電方式

不同于高鐵，城市軌道交通的供電大部分采用直流供電，內外電源之間高低電壓的轉換離不開變電所設施，通常軌道交通系統從城市電網獲取電力之后，會經過變電所一系列的降壓，將電網配電電壓由220kV等級降至35kV以匹配直流牽引變電所。軌道交通一般在城市內部或城市與城郊之間建設，因此，城市電網供電電源的設計需要結合軌道交通的投資預算、施工條件、工程方案以及運行方式進行綜合考慮。根據用電性質的不同，軌道交通供電系統可分為牽引車輛運行的牽引供電系統以及動力照明供電系統。

如上圖1所示，牽引供電系統主要由牽引變電所組成，變電所將三相高壓交流電轉換成低壓直流電，饋電想將直流電輸送至接觸網上。接觸網分為柔式接觸網和剛式接觸網兩種，車輛通過受流器與接觸網的直接接觸獲得電能。牽引變電所一般配置有兩套整流機組，設計時要考慮到后期運營時列車的運量，避免引起過負荷問題。

目前，采用跨坐式單軌的軌道交通利用接觸網供電技術成熟而且造價成本較低，但存在以下缺點：

（1）容易受到極端天氣的影響;（2）不方便軌道車輛的日常維修;（3）高架線外露不美觀;（4）對隧道的限界要求相對嚴格，在隧道內安裝在管片上，對結構有一定的損傷。

針對上述問題，某些地區軌道建設采用第三軌受流方式，地面段采用第三軌供電，但是存在著容易受到異物、積水等損壞，存在有覆蓋的盲區，安全性不高。而且三軌供電容易形成較多的斷電區，在地鐵車輛運行完畢的當天，需要等待幾個小時的電流放散，之后才可進入軌行區檢修，檢驗程序要復雜。

2 動力照明系統

動力照明系統則主要包括降壓變電所以及動力照明兩部分內容。降壓變電所在正常運行時，內部的變壓器組分列運行，在同步供電的情況下，負荷率一般要有30%的冗余，同時，要求降壓變電系統具備可靠的故障診斷能力，在某一臺變壓器發生故障時能夠自動切除三級負荷（往往采用單電源、單電纜，無自動切換及自恢復功能），同時其余正常工作的變壓器承擔系統內的一級負荷（雙電源、雙電纜，供電末端自動切換，來電時可自恢復）以及二級負荷（雙電源、單電纜）。在傳感技術以及智能化診斷技術日益成熟的今天，自診斷、自恢復等功能已經越來越多地運用到降壓變電所的設計中。

按照供電設施的分配形式及集中程度，城市電網對城市軌道交通供電可分為分散式供電、集中式供電以及混合式供電三種形式。

值得注意的是，集中式供電是由專用的主變電所集中為牽引變電所及降壓變電所供電的外部供電方式，每個主變電所有兩路獨立的進線電源。主變電所進線電壓一般為110kV，經降壓后變成35kV或10kV。牽引變電所、降壓變電所均有兩個獨立的引入電源。

3 供電系統的組成及結構

供電系統的最終使用的電源電壓通常是直流低壓，電壓范圍在10kV以下。不同的電壓等級，所使用的設備規格以及性能要求也不相同，按照國際標準要求，在35kV、10kV中壓等級設備在各種氣候條件下的結構性能相對低壓等級設備要高。但特殊用途的設備如接觸網、受流器等在抗疲勞強度、安全可靠性以及使用壽命方面必須達到規范要求。

主變電所從城市電網高壓交流電通過網絡分配給牽引供電系統或動力照明系統，此種形式往往是混合網絡架構所采用的。而主變電所的中壓電能通過兩個獨立的中壓網絡路徑分別向牽引供電系統以及動力照明系統供電，此種形式稱為獨立網絡架構。

4 城軌供電數據采集與監視控制系統

技術的進步促使軌道交通供電系統不斷走向完善，在現代軌道交通建設項目中，城軌供電數據采集與監視控制系統應用越來越廣泛。這一系統是以計算機為基礎的過程控制與調度自動化系統，能夠實現對現場運行的設備進行全方位的實時監控，綜合了數據采集、設備控制、參數調節與測量以及各種信號報警等功能于一體。

通過遙控功能實現對所控站點的全線停送電操作。控制中心對變電所量值遙測，采集進線、母線、饋線電壓/電流/有功電度/功率/變壓器溫度等信息的采集與處理。變電所的斷路器開關狀況通過網絡信號傳輸到控制中心的模擬顯示屏上。

5 總結

城軌交通的供電宜采用何種方式目前并無固定的答案，應該結合具體的線路工程條件進行綜合分析，以城市軌道交通的速度目標以及靈活多變的特點來看，未來一段時間內，混合式供電，接觸網和第三軌受流的技術仍然會有很大的市場應用。

參考文獻：

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