現代有軌電車工程電源設計方案

李 偉

（中鐵二院華東勘察設計有限責任公司，浙江 杭州 310004）

1 現代有軌電車工程電源系統

有軌電車是采用電力驅動并在軌道上行駛的輕型小編組軌道交通車輛。現代有軌電車系統作為城市軌道交通系統的一個分類，具有建設難度較低、安全系數高、建設成本較低、環保系數高、運量適中、敷設方式靈活以及運營靈活等特點。同時，它較傳統有軌電車進行了技術革新，包括低地板程度、無網供電技術、系統噪聲和載客量等，成為城市公共交通的重要組成部分。

1.1 現代有軌電車的發展趨勢

隨著國家經濟的飛速發展，城鎮化布局由傳統單中心城鎮化向多中心都市圈化發展，國內的新城區、經濟開發區的建設已經成為未來的發展方向。《國家新型城鎮化規劃（2014-2020年）》已經提出，“推進中心城區功能向1小時交通圈地區擴散，培育形成通勤高效、一體發展的都市圈”。在深圳、武漢、南京、上海、廣州以及蘇州等地已陸續開通了有軌電車線路，而正在建設和規劃中的有軌電車線路規模龐大。

1.2 與其他公共交通的比較

現代有軌電車更方便乘客的出行。與地鐵使用專屬路權不同，有軌電車與公交汽車等其他交通方式混合使用路權，有利于沿線商業的發展。表1為現代有軌電車與其他公共交通的比較。

可見，現代有軌電車在運能、能耗、環保、舒適性以及提升城市公交服務形象等方面，具有明顯優勢。

1.3 現代有軌電車低壓配電系統的構成

變電所電源系統、電源傳輸媒介（電纜等）、末端應用設備等構成了整個有軌電車低壓配電系統，通過放射式和樹干式相結合的配電方式，以變電所為中心，將電源輸送至用電設備的末端。電源系統是低壓配電系統的重要組成部分。電源系統設計是否合理、設備和施工質量是否合格、系統運行是否穩定，都會直接影響整個線網的運行安全和所有運營人員的人身安全。

1.4 現代有軌電車電源系統的特點

供電系統的外電源方案是有軌電車工程與城市電網連接的技術紐帶。供電系統負荷等級的選擇劃分是確定外電源方案的主要因素之一，應設置合理的供電方式。

有軌電車車站有別于城市地鐵車站常規的功能設備用房，車站設置比較簡易，占地規模小，用電負荷少且容量較小。車站僅設置結構簡單的擋雨棚，用電負荷僅有夜間路燈、車站照明、站牌照明、廣告照明和通信信號設備等幾種，總的電源容量較小，如圖1和圖2所示。

表1 現代有軌電車與其他公共交通的比較

圖1 有軌電車示意圖

圖2 有軌電車站臺

2 現代有軌電車工程電源系統方案

本文將結合合肥有軌電車工程可行性研究，探析現代有軌電車工程電源系統方案，主要從外部電源選擇和內部配電系統電源方案兩方面進行論述。車站及相鄰區間的動力照明負荷由車站變電所和箱式變電臺供電；車輛基地的動力照明負荷由車輛段牽混所或跟隨所供電。動力照明負荷應按變電所負荷分級的原則進行配電。動力照明配電系統采用三相四線制，系統電壓為AC220/380 V，接地型式采用TN-S或TNC-S系統。

2.1 外部電源供電方式的選擇

本工程電源供給對象主要分兩部分：一是供列車牽引用電，二是供末端負荷設備使用。牽引整流機組和配電變壓器分散設置在有軌電車線路沿線，負荷分布較均勻。對于此種負荷分布情況，常規可供選擇采用的供電方式分為3種，即集中、分散和混合供電方式。

集中供電方式與分散供電方式的比較見表2，混合供電方式的優缺點介于兩者之間。

混合供電方式是以集中供電為主、分散供電為輔的供電方式，是上述兩種供電方式的結合，其繼電保護和運營管理更顯復雜。目前，在國內暫無采用混合供電方式的工程實例。

依據《城市無軌電車和有軌電車供電系統》 CJ/T1—1999 3.1.4條規定，有軌電車交流電源標稱電壓宜采用10 kV；《城市有軌電車工程設計規范》（送審稿）中規定供電系統外部電源方案采用分散式供電，外部電源的電壓等級應根據城市電網中壓電壓等級選擇。

2.2 供電負荷分析

低壓配電系統將來自降壓變電所/變電臺的220/380 V電壓提供給沿線的動力、照明設備，具體根據用電設備的重要程度劃分為3類。

2.2.1 一級負荷

一級負荷：通信、信號（道岔轉折設備、段內微機連鎖）、道口信號設備、綜合監控、雨水、廢水泵、消防設備、應急照明以及變電所操作電源等。

供電要求：設置兩路獨立的0.4 kV回路，在末端設雙電源自動切換裝置，切換后供電。一級負荷中特別重要的負荷，除由雙電源供電外，還應增設后備電源，如信號、應急電源等。

表2 集中供電方式與分散供電方式的比較

表3 供電方案對比表

2.2.2 二級負荷

二級負荷：車站照明、地面區間照明、設備房屋照明、一般給水泵和垂直電梯。

供電要求：由一路獨立的0.4 kV回路供電，當供電系統一回電源失電時，應由另一回電源維持供電，緊急情況下可切除。

2.2.3 三級負荷

三級負荷：電熱設備、清潔設備、廣告照明和檢修電源等。

供電要求：由一路0.4 kV回路供電，當供電系統一回電源失電時，應自動將其從電網中切除。

2.3 正線車站電源方案

正線車站供電方式分為集中式供電、分散式供電和混合式供電3種方案。供電方案的選擇應結合沿線城市電網的分布、供電可靠性、運營管理以及投資等多方面因素綜合考慮。

2.3.1 方案一：集中式供電

本工程全線設有10 kV環網電源，根據全線車站型式和用電負荷分布情況，每個車站分別設置箱式變電臺或在設置有牽引所的車站與其合建為牽引降壓混合變電所，利用沿線設置的10 kV環網接入電源。

優點：電源可靠性高，線路故障率低，受地方電源影響較小，同時與城市電網接口少，調度方便，運營管理容易。

缺點：每座車站均設置10 kV進線的箱式變電臺或降壓所部分，投資較高。

2.3.2 方案二：分散式供電

本工程全線大部分穿越的是中心城區，沿線的10 kV及0.4 kV市政電源較多。根據以上情況，考慮每個車站分別就近引接沿線的市政10 kV電源或0.4 kV電源，由分散引入的城市低壓電源直接為車站供電。

優點：沿線市政電源較豐富，電源接取較為方便，投資相對較小。

缺點：電源的可靠性相對較低，且與城市電網接口多，調度復雜，管理工作量大，排除故障時操作程序較復雜。

2.3.3 方案三：集中與分散式供電相結合

本工程全線設有10 kV環網電源，且全線大部分穿越的是中心城區，沿線的市政電源也較為豐富。在設有牽引變電所或設有道岔配線、平交道口等有一級負荷的車站設置降壓所（與牽引所合建）或箱式變電臺，電源取自沿線10 kV環網。其余車站一般負荷由沿線就近引接0.4 kV市政電源。

優點：由于車站重要負荷電源引自10 kV環網，供電可靠性相對較高，線路故障率較低。

缺點：由于全線一級負荷的電源點較多，10 kV環網的電源引接點仍然較多，投資相對較高；同時存在與城市電網的多個接口，調度較復雜，管理工作量較大。

2.4 車站供電方案比選

車站供電方案對比情況，如表3所示。

根據表3，考慮本工程的車站型式、行車配線及以后的運行管理方式等情況，綜合運營管理、供電可靠性和投資等因素，暫考慮推薦采用集中式供電方式。

2.5 車站集中式供電方案

（1）結合牽引變電所布點方案，在設有牽引變電所的車站設置降壓變電所合建牽混所，提供變電所所用電、通信、信號、車站及相鄰區間負荷用電。

（2）在設置有一級負荷的車站分別從兩段環網上分別引接10 kV電源，并分別設置一座10/0.4 kV箱式變電臺，其中一座為信號設備主用電源，另一座為車站和相鄰區間其他負荷及信號備用電源供電。

（3）普通車站從一段環網上引接10 kV電源，設置一座10/0.4 kV箱式變電臺為車站及相鄰區間負荷供電。

（4）每座箱式變電臺10 kV側均采用單母線接線方式，母線上設置一進一出一饋線回路，配電變壓器采用D,Yn11的接線組別。

3 車輛段（停車場）電源方案

根據車輛基地規模和用電要求，車輛基地設置降壓變電所（或合建牽混所）及跟隨式降壓變電所，設置原則如下。

（1）根據車站、車輛段規模的大小和設備負荷分布情況，降壓變電所、箱式變電臺應設置在負荷中心。

（2）當車站、車輛段內同時設有牽引變電所時，將牽引變電所和降壓變電所合建為牽引降壓混合變電所。

（3）降壓變電所、跟隨所均按無人值班方式設計。

（4）可結合沿線道路照明電源，實現資源共享。

（5）箱式變電臺采用戶外緊湊型成套裝置，箱式變電臺盡可能與沿線綠化相結合，并優先選用埋地式成套裝置。

4 結 論

綜上所述，現代有軌電車電源系統較為復雜，既要考慮外部電源的供電方式、變電所或箱式變電臺的位置，又要綜合考慮用電負荷特點和分布情況，才能確保整個線網的運行安全和運營人員的人身安全。