淺談城軌交通供電系統(tǒng)中外部電源的供電方式

劉 童 陳家莉

寧波市軌道交通集團(tuán)有限公司運營分公司 浙江 寧波 315100

1 城軌交通供電系統(tǒng)

1.1 概況

地鐵作為目前常見的城市軌道交通類型，在運行時電力是驅(qū)使其快速運行的重要能源。加強(qiáng)供電系統(tǒng)運行管理，一方面，可以確保城市軌道交通運行時的穩(wěn)定性；另一方面，能夠降低軌道交通運行安全問題發(fā)生幾率，為城市居民提供良好的出行環(huán)境。

1.1.1 供電系統(tǒng)基礎(chǔ)內(nèi)容

軌道交通供電系統(tǒng)的組成相對復(fù)雜，系統(tǒng)組成包括變電站、升壓系統(tǒng)、牽引供電系統(tǒng)、降壓系統(tǒng)、接地系統(tǒng)等。同時在系統(tǒng)運行時也具備了以下特點：第一，系統(tǒng)整體體積較大，地鐵在運行過程中所需要的電力負(fù)荷較大，為確保系統(tǒng)供壓的安全性與穩(wěn)定性，需要設(shè)置大功率變壓器、蓄電池、保護(hù)裝置等設(shè)施，這些設(shè)置單體體積較大，所組成的系統(tǒng)整體體積也處于較大狀態(tài)。第二，轉(zhuǎn)移難度大，系統(tǒng)體積較大的同時也具備了質(zhì)量較高的特征，這樣在突發(fā)事故需要對其進(jìn)行轉(zhuǎn)移時的難度較大，這也對前期選址、保護(hù)措施的擬定提出了高要求，以確保供電系統(tǒng)運行狀態(tài)的穩(wěn)定性[1]。

1.1.2 變電方式與接地方式

從目前的使用情況來看，在地鐵供電系統(tǒng)的設(shè)計中，會為其配置單獨的主變電站，而地鐵的供電電壓為110KV/35KV，為確保變壓器運行時的安全性，會利用星形法和三角接法來進(jìn)行處理，同時為了防止系統(tǒng)接地故障帶來的供電問題，變電器中還會增加繼電保護(hù)裝置，保護(hù)原理是利用中性點接地來降低接地故障帶來的危害性，確保故障發(fā)生后設(shè)備不會出現(xiàn)損壞。在對地鐵供電系統(tǒng)接地方式進(jìn)行選擇時，需要考慮地鐵運行時存在電網(wǎng)制式和電壓等級差異，同時系統(tǒng)中電纜鋪設(shè)長度較大，運行電壓較大，所產(chǎn)生的接地電流處于較高狀態(tài)，在突發(fā)斷電事故時也將威脅到地鐵運行時的安全性。一般情況下，會設(shè)計兩路供電系統(tǒng)，在其中一路供電系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，會及時切換到另一路供電系統(tǒng)繼續(xù)供電，以此來維持地鐵運行時的安全性。針對故障電流較大（在100—1000A）的情況，在接地方式的選擇中，會使用小電阻接地模式來維持穩(wěn)定的接地狀態(tài)。

1.2 電源的組成

城市軌道交通供電系統(tǒng)的電能來源于國家電網(wǎng)，而國家電網(wǎng)的電能來源于各種發(fā)電廠。

1.2.1 牽引供電系統(tǒng)

它是城市軌道交通供電系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)向軌道交通車輛提供電能，其主要作用是降壓，整流和傳輸電能。該系統(tǒng)主要包括牽引變電所，饋電線，接觸網(wǎng)（或者接觸軌）等。牽引變電所是牽引供電系統(tǒng)的心臟，它的主要作用是生產(chǎn)出滿足要求的電能，饋電線則負(fù)責(zé)把合格的電能輸送到軌道沿線的接觸網(wǎng)上；而接觸網(wǎng)則負(fù)責(zé)把電能不間斷地輸送到運行的車輛設(shè)備受電弓，接觸軌上等。而牽引變電所在運行中，可以把三相高壓交流電轉(zhuǎn)換為滿足地鐵正常運行所需的低壓直流電。隨后依托于饋電線可以將已經(jīng)完成轉(zhuǎn)換的直流電輸送到接觸網(wǎng)當(dāng)中，而列車則會以受流器與接觸網(wǎng)作為載體，成功接收電能并用于驅(qū)動列車運動。總結(jié)地鐵運行規(guī)律后發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致地鐵運行時使用較低電壓直流電的原因如下：（1）相比于交流供電，直流電供電過程中不會出現(xiàn)電抗壓降，所帶來電壓損失較低；（2）列車的運行功率相對較小，不需要為其提供較高電壓，較低電壓直流電便可滿足運行要求；（3）城市軌道交通服務(wù)于城市居民，運營線路穿過城市內(nèi)的許多建筑群，若使用較高供電電壓，存在較大的安全隱患；（4）直流制供電的應(yīng)用，更加契合列車的牽引特征[2]。

1.2.2 動力照明供電系統(tǒng)

該系統(tǒng)在運行時的主要功能，是為地鐵照明系統(tǒng)、動力設(shè)備提供電力支撐，包括區(qū)間照明、車站照明、風(fēng)機(jī)運行、水泵運行等。該系統(tǒng)在應(yīng)用中主要由降壓變電所、供配電線纜、動力照明系統(tǒng)、應(yīng)急電源等內(nèi)容構(gòu)成。

（1） 降壓變電所

相比于列車運行時所需要的較高電壓，動力照明運行時的電壓需求較低，因此需要利用降壓變壓器（數(shù)量為兩臺）將電壓下調(diào)到系統(tǒng)運行所需電壓，以維持系統(tǒng)工作狀態(tài)的穩(wěn)定性。而兩臺變壓器運行時的容量應(yīng)滿足以下要求：在系統(tǒng)處于正常運行狀態(tài)時，降壓變電所中的兩臺變壓器保持同時運行的狀態(tài)，以此來分?jǐn)偣╇妷毫Γ瑢⒇?fù)荷率控制在70%以內(nèi)。如果其中某臺變壓器發(fā)生運行故障，那么此時系統(tǒng)會自動切除三類負(fù)荷，可以正常運行的變壓器只負(fù)責(zé)承擔(dān)一，二級負(fù)荷，維持系統(tǒng)運行的安全性。

（2） 動力照明

在系統(tǒng)運行期間，主要采用了放射供電模式，使用380/220V TN-S系統(tǒng)來提供電力保障，部分負(fù)荷則利用樹干供電模式，確保整個動力照明過程的穩(wěn)定性。在一級負(fù)荷運行狀態(tài)下，需要配置雙回路電源和雙回路電纜來維持系統(tǒng)正常運行，一路出現(xiàn)故障時，另一路替換繼續(xù)供電，修復(fù)后切換為初始狀態(tài)；在二級負(fù)荷運行狀態(tài)下，需要配置雙回路電源和單回路電纜來維持系統(tǒng)正常運行；在三級負(fù)荷運行狀態(tài)下，需要配置單回路電源和單回路電纜來維持系統(tǒng)正常運行。

1.2.3 應(yīng)急電源系統(tǒng)

除上述提到的內(nèi)容外，在地鐵動力照明供電系統(tǒng)設(shè)計中，還需要預(yù)設(shè)應(yīng)急電源系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由小型發(fā)電機(jī)，EPS電源，UPS電源等內(nèi)容組成。

1.3 對電源的基本要求

地鐵在運行過程中，所需要的負(fù)荷較大，用電性質(zhì)歸類為一級負(fù)荷。因此在對系統(tǒng)電源進(jìn)行設(shè)計時應(yīng)注意以下內(nèi)容：（1）為確保系統(tǒng)運行狀態(tài)的穩(wěn)定性，需要設(shè)置兩路供電電源，電源帶可以來源于同一個變電所或者不同的變電所；（2）兩路供電線路的容量需滿足一、二級負(fù)荷運行需求；（3）兩路電源使用時保持單獨運行狀態(tài)，某一路出現(xiàn)故障時自動切換到另一路繼續(xù)供電；（4）為了降低運營損耗，需采用集中式管理，即設(shè)置一個主供電變電所和若干個分散電源點，同時縮減距離地鐵線路的距離，減少電力運輸?shù)膿p耗[3]。

1.4 供電系統(tǒng)設(shè)計的可靠性

1.4.1 供電系統(tǒng)的冗余設(shè)計

展開供電系統(tǒng)設(shè)計活動時，需要考慮到系統(tǒng)運行時可能存在的停運問題，依托此內(nèi)容來完成系統(tǒng)冗余設(shè)計。此項設(shè)計的主要作用是在可以爭取更多的輕微故障檢修時間，使系統(tǒng)負(fù)荷較輕時可以順利完成狀態(tài)維護(hù)，減少輕微事故帶來的負(fù)面問題。在具體的設(shè)計中，冗余設(shè)計包含以下兩種形式：①備用冗余，系統(tǒng)設(shè)計了兩組運行設(shè)備，設(shè)備相互備用，某設(shè)備出現(xiàn)運營故障時，備用設(shè)備頂替故障設(shè)備繼續(xù)維持正常的工作狀態(tài)。②并列冗余，主要針對無法進(jìn)行備用設(shè)計的系統(tǒng)，會根據(jù)設(shè)備運營時間、安全系數(shù)定期進(jìn)行設(shè)備更換，以此來確保系統(tǒng)運行狀態(tài)的安全性與穩(wěn)定性。

1.4.2 外部電源

在系統(tǒng)設(shè)計中，也需要做好外部電源的設(shè)計工作，為維持供電過程的穩(wěn)定性，也會設(shè)置雙電源來為系統(tǒng)提供電力。在供電方式的選擇中，常見選擇方式如下：第一，專用線路供電，兩路電源均利用專用線路進(jìn)行供電，這樣能夠有效提升系統(tǒng)運行狀態(tài)的安全性，減少不確定因素帶來的負(fù)面影響。第二，其中一路電源設(shè)計為專用線路，另一路電源設(shè)計為共享電路，雖然可以減少應(yīng)用成本，但是抵御突發(fā)問題的應(yīng)變能力較差，可靠性相對較低。

1.4.3 環(huán)網(wǎng)設(shè)備

除上述提到的設(shè)計內(nèi)容外，在系統(tǒng)設(shè)計中還需要增加網(wǎng)設(shè)備，以維持系統(tǒng)的正常工作狀態(tài)。在具體的設(shè)計中會采用雙環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，借助環(huán)串的方式將變電所兩路進(jìn)出線關(guān)聯(lián)在一起，以此來提高供電過程的穩(wěn)定性。同時在設(shè)計中也需要做好開關(guān)、電纜等結(jié)構(gòu)的布設(shè)，而容量方面的設(shè)計也需要綜合考量設(shè)備運行故障時另一路設(shè)備是否可以承擔(dān)所有負(fù)荷，以此來提高設(shè)計內(nèi)容的合理性，提高環(huán)網(wǎng)設(shè)備工作狀態(tài)的穩(wěn)定性。

1.5 供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的可靠性

1.5.1 電氣主接線的可靠性

在對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可靠性進(jìn)行分析時，需考慮主接線結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。從實際應(yīng)用情況來看，經(jīng)常會使用內(nèi)橋接線的方法進(jìn)行組接，有時也會利用線路變壓器進(jìn)行組接，前者的安全要求較高，在電源出現(xiàn)運行故障時，不會對整個系統(tǒng)運行產(chǎn)生影響，后者則是依靠單臺主變壓器來維持系統(tǒng)運行，要求相對較低，安全性相對較低。

具體選擇哪一類接線方法，需要綜合考慮設(shè)備運行要求、電力部門運行規(guī)范等內(nèi)容，從而提高整個系統(tǒng)運行狀態(tài)的穩(wěn)定性。

1.5.2 繼電保護(hù)配置的可靠性

在對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可靠性進(jìn)行分析時，也需要對繼電保護(hù)配置情況進(jìn)行客觀評價，該裝置在使用中的主要功能，是對整個系統(tǒng)的運行過程進(jìn)行保護(hù)，在系統(tǒng)運行出現(xiàn)過載電流、負(fù)荷過載等問題時，系統(tǒng)可以通過快速斷開、零序等方法來保護(hù)故障設(shè)備和相關(guān)聯(lián)系統(tǒng)，避免突發(fā)故障問題帶來的設(shè)備損壞問題。直流系統(tǒng)保護(hù)配置的過程比較復(fù)雜，其主要的 響應(yīng)內(nèi)容是在牽引網(wǎng)出現(xiàn)短路故障時啟動保護(hù)措施，減少過載電流對其他設(shè)備的損害。在具體的設(shè)計中，會在每座牽引所處增設(shè)泄露保護(hù)裝置，在發(fā)現(xiàn)問題時通過及時切斷連接來提升保護(hù)過程的及時性。

2 外部電源的系統(tǒng)供電方式

軌道交通從外部電源引入的形式上一般分為集中式供電，分散式供電和混合式供電三種模式。國內(nèi)大部分采用集中式供電，一些城市采用分散式供電，部分線路采用混合式供電。

2.1 集中式供電

集中式供電是指軌道交通從城市電網(wǎng)引入較高電壓等級的電源（如110KV，220KV），經(jīng)主變電站進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換，將外部電源降壓（如35KV或10KV）后，由主變電站集中向牽引變電所和降壓變電所供電的外部電源引入模式。該模式引入電源電壓等級高，電源點供電能力較強(qiáng)，引入電源點較少，有利于管理。

集中供電方式的優(yōu)點：

（1）供電可靠性高，受外界因素較小；（2）主變電所采用110/35KV有載自動調(diào)壓變壓器，并有專用供電回路，供電質(zhì)量好；（3）地鐵供電可獨立進(jìn)行調(diào)度和運營管理；（4）檢修維護(hù)工作相對獨立方便；（5）可提高地鐵供電的可靠性和靈活性；（6）牽引整流負(fù)荷對城市電網(wǎng)影響小。

集中供電方式的缺點：

（1）投資較大；（2）因同時受110KV和10KV電網(wǎng)故障的影響，故受外界因素影響較多；（3）10KV電網(wǎng)直接向一般用戶供電，引起的故障幾率較大，可靠性較低；（4）與城市電網(wǎng)的接口多，調(diào)度和運營管理環(huán)節(jié)增多，故障狀態(tài)的轉(zhuǎn)電不方便；（5）牽引整流機(jī)組產(chǎn)生的高次諧波直接進(jìn)入10KV電網(wǎng)對其他用戶的影響較大。

2.2 分散式供電

分散式供電要求城市電網(wǎng)資源充足，安全運營水平高，供電可靠。

分散式供電的優(yōu)點：

（1）投資較小；（2）便于城市電網(wǎng)進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃和管理。

分散式供電的缺點：

（1）與城市電網(wǎng)的接口多，調(diào)度和運營管理環(huán)節(jié)增多，故障狀態(tài)下的轉(zhuǎn)電不方便；（2）牽引整流機(jī)組產(chǎn)生的高次諧波直接進(jìn)入10KV電網(wǎng)對其它用戶的影響較大；（3）要求城市電網(wǎng)的變電所應(yīng)具有足夠的備用容量，以滿足地鐵牽引供電的要求，涉及較多110KV變電的增容改造，工程量較大。

表1 分散與集中的比較

2.3 混合式供電

是指將兩種供電方式結(jié)合起來，一般以集中式供電為主，個別地段引入城市電網(wǎng)電源作為集中式電源的補(bǔ)充，使供電系統(tǒng)更加完善和可靠。北京地鐵一線和環(huán)線，建設(shè)中的武漢軌道交通工程，青島地鐵南北線工程等即為混合式供電方案。它可以發(fā)揮分散式供電和集中式供電的優(yōu)點，而又避免其缺點，是系統(tǒng)更加優(yōu)化，有兩種模式：第一，集中式供電為主，分散式為輔；第二，分散式為主，集中式為輔[4]。

2.4 外部電源系統(tǒng)的供電方式選擇

對于某一城市究竟應(yīng)采用那種供電方式，需要根據(jù)地鐵和城軌交通用電負(fù)荷并結(jié)合該城市電網(wǎng)的具體情況進(jìn)行分析。若城市電力資源較豐富，沿地鐵和城軌交通線路的地區(qū)變電站較多且容量也足夠給地鐵和城軌交通供電，采用分散式供電節(jié)約建設(shè)資金。當(dāng)城市電網(wǎng)介于兩者之間時，采用混合式供電方式，以此來提高整個系統(tǒng)運行狀態(tài)的穩(wěn)定性與安全性。