黃帝陵觀光小火車供電系統設計

張明銳 吳嚴嚴 曾國鋒 王國強

(1.同濟大學電子與信息工程學院，201804，上海；2.同濟大學磁浮交通工程技術研究中心，201804，上海//第一作者，教授)

目前，陜西省黃陵縣黃帝陵景區的公交運輸能力已不能滿足需求，為此，相關管理部門決定建設1套觀光小火車交通系統(以下簡為“觀光線”)，以提供輕便快捷的客運服務，又能為游客提供一個舒適的觀光平臺[1]。由于跨坐式單軌的造價和運營費用低、對環境影響小,其維護簡單，且能適應小半徑曲線、大坡度的特殊環境[2]，故觀光線選擇了跨坐式單軌型式。考慮到系統的供電安全性和黃帝陵景區的美觀性要求，跨坐式單軌系統采用接觸軌供電方式。本文結合黃帝陵的線路工程特點，參考地鐵和有軌電車的設計經驗，對觀光線供電系統的設計方案進行總結。

1 線路概況

黃帝陵觀光線沿沮河在河道中行走。線路兩端為燈泡線，單線全長10.8 km(見圖1)。其中,并線段(即雙線上下行運行段)長約5.0 km。線路設車站2座(即起點的游客中心站和終點的黃帝陵站)，維修基地1座(位于游客中心站)，并將控制中心與維修基地合建。基地內設3股軌道，可同時停放3列車。正線最小曲線半徑為35 m，不設緩和曲線，線路最大縱坡不超過40‰，最小豎曲線半徑為200 m，列車最高行駛速度為35 km/h。

2 外部電源及中壓網絡設計

2.1 外部電源方案

由于集中式供電與外界接口少，供電能力強，能滿足大容量用電的需求。故本工程采用集中式供電方式。考慮到牽引負荷的重要性及供電的安全可靠性，外部電源擬采用2路獨立的10 kV電源進線，分別引至游客中心站和黃帝陵站，用10 kV環網電纜將全線貫通，中間利用環網聯絡開關分段。當1路電源退出運行時，其環網聯絡開關閉合，由另1路電源支援供電。

但受黃陵縣的電源條件限制，僅游客中心站具備電源引入條件。因此，只在游客中心站引入1路10 kV電源，并在黃帝陵站預留電源引入接口，以待后期電源條件具備時引入第2路電源。

2.2 中壓網絡

對于10 kV中壓環網，通常有單環網或雙環網兩種結構。由于觀光線供電系統的結構較為簡單，可靠性要求也遠低于其他城市軌道交通，故中壓網絡采用接線簡單、投資成本較低的單環網。供電系統如圖2所示。

圖1 黃帝陵小火車工程線路圖

圖2 黃帝陵觀光線供電系統簡圖

2.3 線路電壓降計算

黃帝陵觀光線工程的10 kV環網電纜選用FZ-ZR-YJV22-10-3×400，其單位電阻及單位電抗分別為r=0.047 Ω/km，x=0.085 2 Ω/km。各區段電纜長度見圖2。

線路電壓降由該段線路上的變電所容量及電纜阻抗共同決定：

(1)

式中：

Δu——線路電壓降；

U——線路額定電壓；

P——線路輸送的有功功率；

Q——線路輸送的無功功率；

R——線路電阻；

X——線路電抗。

變電所容量S(牽引變電所與自用變電所容量之和)為：1#、4#變電所均為1 565 kVA，2#、3#變電所均為1 100 kVA。

取功率因數cosφ=0.85，P=Scosφ，Q=Ssinφ。則可得線路電壓降：

Δu=Δu1+Δu2+Δu3+Δu4=132 V

(2)

根據GB/T 12325《電能質量 供電電壓允許偏差》，10 kV及以下三相供電的用戶受電端供電電壓允許偏差為額定電壓的±7%。由式(2)計算結果可知，在初期1路電源供電時，10 kV線路電壓降可以滿足要求。

3 直流牽引供電系統設計

3.1 接觸軌選型

接觸軌的常用類型有C型軌、工字軌和安全滑觸線三種。安全滑觸線成本相對較低，延展性好，適宜小半徑線路，且不需要單獨安裝安全防護罩。安全滑觸線主要材質有低碳鋼和鋼鋁復合材料。其中,鋼鋁復合材料重量輕、便于安裝,單位電阻低，電能損耗小,維護工作量小，運營成本低[3]。所以觀光線選擇鋼鋁復合的安全滑觸線。安全滑觸線的安裝如圖3所示。

圖3 安全滑觸線安裝示意圖

3.2 牽引變電所位置及容量

根據地鐵和有軌電車建設的相關經驗，對于DC 750 V供電系統，變電所間距宜設置為1.5～2.0 km[4]。由于本觀光線所用車輛傳動系統的額定電壓為DC 630 V，直流牽引供電系統的牽引電壓也為DC 630 V，故變電所間距需更小。

線路從起點(游客中心站)至終點(黃帝陵站)的單程長度約5 km，應設置4個牽引降壓混合變電所。由于沿途為河道，可利用空間小，因而2#、3#變電所設置為箱式變電所。變電所位置見表1。

表1 變電所位置

通過對接觸軌電壓波動的仿真計算來驗證變電所的分布是否合理。當正常雙邊供電時，仿真計算結果如表2所示。

表2 牽引供電計算(正常供電時)

當任一牽引變電所解列時，計算結果如表3所示。

表3 牽引供電計算(1個牽引變電所解列時)

觀光線車輛對供電電壓的要求較高，為DC 630 V×(1±10%)，即要求任一點接觸軌電壓為567～693 V。由表3～4可知:正常供電時，牽引電壓滿足要求;當任意1個牽引變電所解列時，直流壓降明顯加大，按照遠期發車間隔運行時，壓降已經超過10%。抬高牽引變電所饋出電壓可以補償部分接觸軌電壓降，但當車輛制動時，又有過電壓的問題。因此，在任意1個變電所故障情況下，建議適當加大列車行車間隔。

根據列車編組、發車間隔、供電軌參數及牽引變電所間距等參數，利用PSSC2016V1.0.Net軟件，對牽引變電所峰值功率進行仿真計算。依據計算結果，并考慮一定的裕量，線路兩端的1#、4#牽引變電所容量取1 250 kVA，2#、3#牽引變電所容量取1 000 kVA。

3.3 安全滑觸線分段

觀光線全線設置4個變電所。每個變電所出口處的安全滑觸線設置電分段，以保證供電的可靠性和靈活性。正常運行時，正線區段采用雙邊供電。對于維修基地區域，其單開道岔與燈泡線的交界處、單開道岔、三開道岔及股道之間也設置了電分段，由1#變電所供電。全線的電分段如圖4所示。

圖4 安全滑觸線分段圖

4 低壓配電系統容量選取

觀光線的低壓負荷由變電所的10 kV/0.4 kV降壓變電所供給380/220 V電源。按照觀光線的運營和檢修需要，配置了不同容量的低壓負荷[5-6]。為保證功率因數，在低壓母線上，集中配置電容補償裝置。以1#變電所為例，配電系統配置有125 kVar的電容補償柜，其他負荷功率見表4。

表4 變電所負荷功率需求

根據線路工程特點，引入需要系數Kd=0.8，同時系數KP=0.95、KQ=0.97。經計算可得，配電變電所的安裝容量為256 kVA。參照10 kV級的配電變標準容量，在滿足變壓器容量大于負荷計算容量的條件下，1#配電變電所容量選取315 kVA。

同理可得,2#、3#變電所的配電變電所容量選為100 kVA，4#變電所的配電變電所容量選為315 kVA。

5 防雷與接地系統設計

對于10 kV交流系統，觀光線變電所在進線側安裝避雷器；對于直流系統，在正、負極母線及正、負極間安裝避雷器；對于低壓配電系統，在0.4 kV交流母線側安裝避雷器。

變電所采用綜合接地系統。設備接地、防雷接地和電力監控系統接地共用接地裝置。從而形成綜合接地網，接地電阻不大于1 Ω。在變電所基礎上設置接地母排，變電所內各種接地均從該母排引接。變電所四周設置室外接地網，通過扁鋼與室內接地母排連接。安全滑觸線接地線與線路軌道梁的綜合接地網連接。變電所綜合接地網如圖5所示。

圖5中,垂直接地極采用10根直徑50 mm、長2.5 m的銅管布置在變電所周圍(距變電所外墻不小于1.5 m)。室外水平接地極采用50 mm×5 mm的銅帶將這10根銅管串接起來。水平接地體采用50 mm×5 mm的熱鍍鋅扁鋼。三者組成復合接地極，其頂端埋深0.7 m。復合接地極的接地電阻計算式為：

圖5 綜合接地平面圖

(3)

或者

(4)

式中：

R——復合接地極電阻值，Ω；

ρ——土壤電阻率，Ωm；

r——面積為A的圓半徑，m；

l——接地網中水平、垂直導體的總長度，m；

A——大于100 m2的、以水平接地極為主且邊緣閉合的接地網面積，m2。

黃陵縣絕大部分被黃土覆蓋，是黃土地貌發育最典型的地區之一。其土壤電阻率ρ參考值見表5。

表5 黃土土壤電阻率參照表

觀光線中：A≈260 m2，r≈9.2 m，l≈140 m。當取ρ=200 Ωm時，求得接地電阻R=6.087 Ω；當取ρ=30 Ωm時，R=0.913 Ω。當ρ過大，接地要求不滿足時，可采用導電劑降低土壤電阻率。

6 結語

本文總結了黃帝陵觀光線供電系統的設計方案，并通過對關鍵參數的計算驗證了方案的可行性。在電源條件受限時，通過供電距離和系統容量的優化選取，1路外部電源基本可滿足運營需求。景區觀光線采用安全滑觸線和箱式變電所,在景觀協調和空間利用方面有較好的優勢。對于沒有成熟標準的觀光線供電系統設計，建議參考地鐵等相似性較高的供電系統設計標準。