基于城市軌道交通供電系統(tǒng)的設(shè)計及應(yīng)用

黃志強(qiáng)

摘 要：軌道交通的建設(shè)成本較高，一旦設(shè)計完成，對其進(jìn)行技術(shù)改造或升級將會是一項巨大的投入，因此在設(shè)計時就必須盡可能考慮到后期運(yùn)行的各種因素，科學(xué)設(shè)計。供電系統(tǒng)是軌道交通的重要動力能源，需要充分結(jié)合軌道交通自身供電需求以及城市供電系統(tǒng)發(fā)展?fàn)顩r。本文簡要介紹城市軌道交通供電系統(tǒng)的設(shè)計及應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：城市;軌道交通;供電系統(tǒng);設(shè)計;應(yīng)用

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

0 概述

軌道交通系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行離不開一個可靠的電源供電系統(tǒng)，供電系統(tǒng)已經(jīng)成為城市軌道交通運(yùn)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(wǎng)，城市電網(wǎng)向軌道交通系統(tǒng)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(nèi)部電源，內(nèi)部電源負(fù)責(zé)將城市電網(wǎng)中高電壓轉(zhuǎn)換為適合軌道交通車輛自身運(yùn)行的電源電壓。在城市電網(wǎng)中，軌道交通的供電往往不會直接單獨(dú)建設(shè)電廠，而是從城市電網(wǎng)中獲取電能，可以把城市軌道交通看作城市電網(wǎng)的一個用戶。

1 供電系統(tǒng)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(nèi)外電源之間高低電壓的轉(zhuǎn)換離不開變電所設(shè)施，通常軌道交通系統(tǒng)從城市電網(wǎng)獲取電力之后，會經(jīng)過變電所一系列的降壓，將電網(wǎng)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(nèi)部或城市與城郊之間建設(shè)，因此，城市電網(wǎng)供電電源的設(shè)計需要結(jié)合軌道交通的投資預(yù)算、施工條件、工程方案以及運(yùn)行方式進(jìn)行綜合考慮。根據(jù)用電性質(zhì)的不同，軌道交通供電系統(tǒng)可分為牽引車輛運(yùn)行的牽引供電系統(tǒng)以及動力照明供電系統(tǒng)。

如上圖1所示，牽引供電系統(tǒng)主要由牽引變電所組成，變電所將三相高壓交流電轉(zhuǎn)換成低壓直流電，饋電想將直流電輸送至接觸網(wǎng)上。接觸網(wǎng)分為柔式接觸網(wǎng)和剛式接觸網(wǎng)兩種，車輛通過受流器與接觸網(wǎng)的直接接觸獲得電能。牽引變電所一般配置有兩套整流機(jī)組，設(shè)計時要考慮到后期運(yùn)營時列車的運(yùn)量，避免引起過負(fù)荷問題。

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

（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(yán)格，在隧道內(nèi)安裝在管片上，對結(jié)構(gòu)有一定的損傷。

針對上述問題，某些地區(qū)軌道建設(shè)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(qū)，安全性不高。而且三軌供電容易形成較多的斷電區(qū)，在地鐵車輛運(yùn)行完畢的當(dāng)天，需要等待幾個小時的電流放散，之后才可進(jìn)入軌行區(qū)檢修，檢驗程序要復(fù)雜。

2 動力照明系統(tǒng)

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

按照供電設(shè)施的分配形式及集中程度，城市電網(wǎng)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(dú)立的進(jìn)線電源。主變電所進(jìn)線電壓一般為110kV，經(jīng)降壓后變成35kV或10kV。牽引變電所、降壓變電所均有兩個獨(dú)立的引入電源。

3 供電系統(tǒng)的組成及結(jié)構(gòu)

供電系統(tǒng)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(shè)備規(guī)格以及性能要求也不相同，按照國際標(biāo)準(zhǔn)要求，在35kV、10kV中壓等級設(shè)備在各種氣候條件下的結(jié)構(gòu)性能相對低壓等級設(shè)備要高。但特殊用途的設(shè)備如接觸網(wǎng)、受流器等在抗疲勞強(qiáng)度、安全可靠性以及使用壽命方面必須達(dá)到規(guī)范要求。

主變電所從城市電網(wǎng)高壓交流電通過網(wǎng)絡(luò)分配給牽引供電系統(tǒng)或動力照明系統(tǒng)，此種形式往往是混合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)所采用的。而主變電所的中壓電能通過兩個獨(dú)立的中壓網(wǎng)絡(luò)路徑分別向牽引供電系統(tǒng)以及動力照明系統(tǒng)供電，此種形式稱為獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

4 城軌供電數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)

技術(shù)的進(jìn)步促使軌道交通供電系統(tǒng)不斷走向完善，在現(xiàn)代軌道交通建設(shè)項目中，城軌供電數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)應(yīng)用越來越廣泛。這一系統(tǒng)是以計算機(jī)為基礎(chǔ)的過程控制與調(diào)度自動化系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對現(xiàn)場運(yùn)行的設(shè)備進(jìn)行全方位的實時監(jiān)控，綜合了數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制、參數(shù)調(diào)節(jié)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(xiàn)對所控站點(diǎn)的全線停送電操作?？刂浦行膶ψ冸娝恐颠b測，采集進(jìn)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(guān)狀況通過網(wǎng)絡(luò)信號傳輸?shù)娇刂浦行牡哪M顯示屏上。

5 總結(jié)

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

參考文獻(xiàn)：

[1]董朝德.電氣化鐵道接觸網(wǎng)發(fā)展研究[J].交通科學(xué)與工程，2011，（85）：160-161.

[2]于萬聚.高速電氣化鐵路供電設(shè)計[J].城市公共交通，2017（56）：116-117.