比亞迪膠輪有軌電車供電方案研究

王志宏

摘? ?要：本文介紹了小運(yùn)量軌道交通制式比亞迪膠輪有軌電車的供電特點(diǎn)，深入分析了傳統(tǒng)軌道交通常用的各種供電方式。結(jié)合膠輪有軌電車小運(yùn)量、動(dòng)力電池牽引供電等特性，對(duì)膠輪有軌電車用電負(fù)荷、中壓電源的環(huán)網(wǎng)形式、變電所的電氣接線、變電所設(shè)備選型、平面布置及系統(tǒng)接地方式等項(xiàng)目進(jìn)行了深入研究，在保證合理的可靠性基礎(chǔ)上，盡可能選取系統(tǒng)簡(jiǎn)單、建設(shè)費(fèi)用少、運(yùn)營(yíng)成本低的供電方案。為我國(guó)小運(yùn)量軌道交通制式供電方案的選擇提供了參考。

關(guān)鍵詞：比亞迪? 膠輪有軌電車? 供電方案? 中壓網(wǎng)絡(luò)? 變電所

中圖分類號(hào)：F407? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-098X（2019）07（a）-0114-04

1? 工作背景

我國(guó)現(xiàn)有城市軌道交通系統(tǒng)常用供電方式主要有集中式供電、分散式供電和混合式供電三種，中壓供電網(wǎng)絡(luò)主要有雙環(huán)網(wǎng)和單環(huán)網(wǎng)形式。地鐵、有軌電車和跨座式單軌等大、中運(yùn)量軌道交通多采用集中式雙環(huán)網(wǎng)供電方式。

比亞迪膠輪有軌電車作為一種小運(yùn)量的新型軌道交通制式，全程采用動(dòng)力電池牽引供電，僅在綜合車場(chǎng)、停車線和存車線設(shè)置充電裝置。正線各車站設(shè)置降壓變電所，為動(dòng)力照明、通信信號(hào)、FAS、BAS、站臺(tái)門、AFC、變電設(shè)備自用電源、檢修電源及電梯等電力設(shè)備提供低壓電源。車站的用電設(shè)備較少，且低壓用電負(fù)荷的容量較低，牽引供電和低壓配電的需求和目前地鐵、跨座式單軌等交通制式完全不同。

現(xiàn)膠輪有軌電車交通工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)院仍沿用地鐵和單軌等傳統(tǒng)軌道交通供電方案，供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)冗余大、造價(jià)高，不適合膠輪有軌電車等小運(yùn)量軌道交通制式，迫切需要開展膠輪有軌電車供電方案的研究。

2? 研究目的

對(duì)各種傳統(tǒng)供電方案進(jìn)行深入研究，結(jié)合膠輪有軌電車小運(yùn)量、動(dòng)力電池牽引供電等特性，在保證合理的供電可靠性基礎(chǔ)上，盡可能選取系統(tǒng)簡(jiǎn)單、建設(shè)費(fèi)用少、運(yùn)營(yíng)成本低、技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的供電方案。作為膠輪有軌電車交通工程的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，用于項(xiàng)目的初步設(shè)計(jì)和施工圖設(shè)計(jì)等。

3? 研究?jī)?nèi)容

研究?jī)?nèi)容主要包括用電負(fù)荷分析、電源選擇、中壓電源的環(huán)網(wǎng)供電形式、變電所的電氣主接線、變電所設(shè)備選型、設(shè)備平面布置及系統(tǒng)接地方式等。

4? 技術(shù)現(xiàn)狀

4.1? 傳統(tǒng)供電方式

國(guó)內(nèi)外傳統(tǒng)軌道交通采用的供電方式主要有集中式供電、分散式供電和混合式供電。（1）集中式供電，是在城市軌道交通沿線，建設(shè)專用的主變電所，進(jìn)線一般為110kV，降壓至35kV或10kV，供給牽引變電所和降壓變電所。集中式供電有利于軌道交通供電系統(tǒng)形成獨(dú)立體系，方便于管理和運(yùn)營(yíng)。目前，上海地鐵、廣州地鐵、深圳地鐵、南京地鐵、香港地鐵、德黑蘭地鐵等普遍使用集中式雙環(huán)網(wǎng)供電方式。（2）分散式供電，是在軌道交通沿線引入城市電網(wǎng)中多路電源形成供電系統(tǒng)，一般采用的電壓等級(jí)為中壓10kV（或20kV/35kV）。目前，國(guó)內(nèi)北京地鐵5號(hào)線、大連輕軌、沈陽(yáng)地鐵、北京八通線、北京城鐵、長(zhǎng)春地鐵等軌道交通采用的是分散式雙環(huán)網(wǎng)供電。（3）混合式供電，即結(jié)合集中式和分散式供電，一般由集中式供電為主，特殊區(qū)段引入城市電網(wǎng)中壓電源作為補(bǔ)充。青島地鐵南北線、武漢軌道交通、北京地鐵一線和環(huán)線等軌道交通使用的是混合式雙環(huán)網(wǎng)供電。

4.2? 城市電網(wǎng)

國(guó)家能源局、中國(guó)電力企業(yè)聯(lián)合會(huì)發(fā)布的《2017年全國(guó)電力可靠性年度報(bào)告》顯示，南方電網(wǎng)公司供電可靠率為99.818%，中壓用戶平均停電時(shí)間（中壓）15.96h/戶，佛山、中山、珠海、深圳等地方供電局供電可靠性超過99.99%，用戶年平均停電時(shí)間僅5min，達(dá)到世界一流水平[1]。

4.3? 膠輪有軌電車用電負(fù)荷

比亞迪膠輪有軌電車全程采用動(dòng)力電池牽引供電，車站降壓變電所僅為動(dòng)力照明、通信信號(hào)、FAS、BAS、站臺(tái)門、AFC、應(yīng)急疏散設(shè)施、變電設(shè)備自用電源、檢修電源、電梯及廣告設(shè)施等電力設(shè)備提供低壓電源。綜合車場(chǎng)用電負(fù)荷除了動(dòng)力照明、通信信號(hào)、通風(fēng)空調(diào)、綜合監(jiān)控及變電所所用電外，還有停車庫(kù)、檢修庫(kù)、洗車庫(kù)、綜合樓控制中心及列車電池充電等，其中，通信信號(hào)、控制中心及列車電池充電等都是膠輪有軌電車正常運(yùn)行的保障，必須要有較高的可靠性。對(duì)于此類直接關(guān)系行車安全的低壓負(fù)荷，按規(guī)范要求應(yīng)該由兩路低壓電源同時(shí)供電[2]。

比亞迪膠輪有軌電車交通工程一般在綜合車場(chǎng)、停車線和故障存車線設(shè)置充電裝置，充電裝置電源一般由就近變電所引入交流380V，每套充電裝置的容量為150kW，滿足一列車的充電需求。膠輪有軌電車車輛的充電負(fù)荷作為整個(gè)系統(tǒng)正常運(yùn)行的最重要保障，必須要具備較高的可靠性。因此，為了確保列車充電系統(tǒng)的可靠性，可以在綜合車場(chǎng)等設(shè)置充電裝置的變電所采用雙變壓器，低壓0.4kV母線使用單母線分段方式。

5? 電源選擇

由上述技術(shù)現(xiàn)狀可知，現(xiàn)有城市電網(wǎng)可靠性較高，故障處理時(shí)間較短。為了保證膠輪有軌電車供電系統(tǒng)的可靠性、適用性和經(jīng)濟(jì)性，其供電系統(tǒng)應(yīng)充分考慮依托城市電網(wǎng)，采用分散式供電，不設(shè)置主變電所。進(jìn)線電源應(yīng)結(jié)合城市整體規(guī)劃和電力系統(tǒng)近遠(yuǎn)期規(guī)劃，從就近電力系統(tǒng)引入交流10kV、20kV或35kV電源，或與地鐵、單軌等交通換乘時(shí)，直接從地鐵或單軌的供電系統(tǒng)引入交流中壓電源。全線應(yīng)引入至少兩路相互獨(dú)立的外部電源，設(shè)置內(nèi)部中壓供電網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)全線單環(huán)網(wǎng)供電。

0.4kV作為城市低壓配電電壓，電源點(diǎn)多但可靠性較低，并且其實(shí)施可行性和維護(hù)便利性均較差，如非迫不得已不應(yīng)采用。35kV電壓等級(jí)適合于大容量負(fù)荷集中場(chǎng)所，常用于地鐵中壓網(wǎng)絡(luò)，且國(guó)家電網(wǎng)正逐步取消35kV電壓等級(jí)。20kV輸電容量和傳輸距離較10kV更好，但目前設(shè)備技術(shù)成熟度較低、選擇性較少。10kV作為現(xiàn)階段城市中壓配電網(wǎng)核心，輸電容量、傳輸距離和投資適中，電源點(diǎn)豐富。因此，膠輪有軌電車交通工程項(xiàng)目應(yīng)優(yōu)先考慮從城市電網(wǎng)引入10kV電源。

6? 供電網(wǎng)絡(luò)

我國(guó)供電系統(tǒng)常用的中壓網(wǎng)絡(luò)一般有單環(huán)網(wǎng)和雙環(huán)網(wǎng)兩種，地鐵、輕軌和有軌電車等多采用雙環(huán)網(wǎng)形式。考慮到中壓環(huán)網(wǎng)開關(guān)柜和變壓器技術(shù)成熟、故障率低，膠輪有軌電車交通工程可選用的變電所接線方案有單環(huán)網(wǎng)單變壓器、單環(huán)網(wǎng)雙變壓器和雙環(huán)網(wǎng)三種。單環(huán)網(wǎng)中壓供電網(wǎng)絡(luò)示意圖見圖1，雙環(huán)網(wǎng)中壓供電網(wǎng)絡(luò)示意圖見圖2。

從供電可靠性、經(jīng)濟(jì)性、運(yùn)營(yíng)成本、設(shè)備數(shù)量、建設(shè)工期、運(yùn)營(yíng)維護(hù)及風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)等方面對(duì)三種中壓環(huán)網(wǎng)方案進(jìn)行對(duì)比分析，見表1。

綜上所述，城市電網(wǎng)可靠性高;膠輪有軌電車交通工程車站動(dòng)力負(fù)荷小;10kV開關(guān)柜采用安全可靠的GIS設(shè)備，母線故障率非常低;變壓器技術(shù)成熟，可靠性高;單環(huán)網(wǎng)供電形式滿足膠輪有軌電車工程可靠性要求，在工程投資、施工難度、運(yùn)營(yíng)成本和工程管理方面均具有顯著優(yōu)勢(shì)。另外，膠輪有軌電車交通系統(tǒng)的車輛采用動(dòng)力電池儲(chǔ)能供電，故障列車能夠依靠其他列車推行到車站，而且區(qū)間設(shè)有便捷、安全的疏散平臺(tái)，有條件適當(dāng)降低對(duì)供電可靠性的要求[2]。因此，比亞迪膠輪有軌電車交通工程推薦采用單環(huán)網(wǎng)單變壓器供電方案。同時(shí)，為了進(jìn)一步提高膠輪有軌電車信號(hào)系統(tǒng)和充電裝置的可靠性，信號(hào)集中站和綜合車場(chǎng)可考慮采用單環(huán)網(wǎng)雙變壓器供電方式。

7? 變電所

7.1 接線形式

7.1.1 車站變電所

每座車站設(shè)置一座降壓變電所，從兩端車站變電所分別就近引入兩路相互獨(dú)立的中壓電源，通過中壓環(huán)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)全線所有變電所單環(huán)網(wǎng)供電。當(dāng)一路電源退出運(yùn)行時(shí)，另一路電源不應(yīng)同時(shí)受到損壞，可通過聯(lián)絡(luò)開關(guān)繼續(xù)對(duì)全線供電?？紤]到膠輪有軌電車軌道交通一般承載的客流量不大，運(yùn)營(yíng)故障對(duì)整個(gè)城市交通系統(tǒng)產(chǎn)生的影響較小，車站供電系統(tǒng)的冗余設(shè)置適度即可。為了保證影響行車的通信信號(hào)、站臺(tái)門、綜合監(jiān)控等重要負(fù)荷的供電需求，變電所內(nèi)應(yīng)設(shè)置一套電池儲(chǔ)能的綜合UPS系統(tǒng)。

車站變電所的接線參見“圖3車站變電所主接線”。

7.1.2 綜合車場(chǎng)變電所

相比于地鐵等傳統(tǒng)軌道交通系統(tǒng)，膠輪有軌電車交通的綜合車場(chǎng)規(guī)模較小，但同樣具備全線調(diào)度控制、列車充電和運(yùn)行維護(hù)等重要功能，因此，綜合車場(chǎng)供電可靠性要求同樣較高、用電容量較大。為了提高綜合車場(chǎng)變電所供電系統(tǒng)的可靠性，變電所可設(shè)置兩臺(tái)降壓變壓器，低壓母線使用單母線分段方式。當(dāng)一臺(tái)變壓器故障退出運(yùn)行的情況下，可通過閉合低壓400V母線聯(lián)絡(luò)開關(guān)，實(shí)現(xiàn)低壓母線支援供電。

綜合車場(chǎng)變電所的接線參見“圖4? 綜合車場(chǎng)變電所主接線”。

7.2 設(shè)備選型

變電所的主要設(shè)備包括交流中壓開關(guān)柜、交流低壓開關(guān)柜、動(dòng)力變壓器、充電裝置和所用電電源裝置，設(shè)備選型與系統(tǒng)的可靠性、運(yùn)營(yíng)方便性、可維修性和工程投資等均有直接影響。根據(jù)當(dāng)前國(guó)內(nèi)電氣設(shè)備的整體技術(shù)水平、可靠性指標(biāo)、設(shè)備價(jià)格、設(shè)備外形尺寸等參數(shù)，提出設(shè)備選型如下：

（1）交流中壓開關(guān)柜（12kV、24kV或40.5kV）選用氣體絕緣或固體絕緣固定式開關(guān)柜。

（2）交流低壓開關(guān)柜選用空氣絕緣固定式開關(guān)柜。

（3）動(dòng)力變壓器選用環(huán)氧樹脂澆筑干式變壓器。

（4）直流充電裝置選用模塊并聯(lián)金屬鎧裝結(jié)構(gòu)變流器。

（5）所用電電源裝置選用金屬外殼固定式開關(guān)柜。

7.3 設(shè)備房平面布置

7.3.1 通道尺寸

根據(jù)《20kV及以下變電所設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50053）和《低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50054-2011）的規(guī)定，變電所內(nèi)高、低壓設(shè)備柜前、柜后最小檢修寬度見表2。同時(shí)國(guó)標(biāo)規(guī)定“固定式開關(guān)柜為靠墻布置時(shí)，柜后與墻凈距應(yīng)大于50mm，側(cè)面與墻凈距宜大于200mm”[3-4]。

7.3.2 設(shè)備布置

在工程實(shí)踐中，車站的建筑面積受到多方限制，需要盡可能減小變電所設(shè)備房的尺寸。根據(jù)調(diào)研的設(shè)備技術(shù)現(xiàn)狀，提出變電所設(shè)備平面布置建議，見圖5、圖6和圖7。

圖中，G為交流中壓開關(guān)柜，TM為變壓器，A為交流低壓開關(guān)柜，DYP為所用電電源交流柜，XDC為所用電電源直流柜。

8? 系統(tǒng)接地

膠輪有軌電車交通的綜合車場(chǎng)、車站和區(qū)間有很多弱電和強(qiáng)電設(shè)備，各設(shè)備間管線聯(lián)系較多，電磁關(guān)系也較復(fù)雜。為了保障運(yùn)營(yíng)人員和乘客的人身安全，綜合車場(chǎng)、車站和區(qū)間的各設(shè)備系統(tǒng)不能獨(dú)立接地，應(yīng)采用綜合接地系統(tǒng)。

膠輪有軌電車交通工程采用綜合接地方式，要求將全線的車站、區(qū)間和綜合車場(chǎng)的接地進(jìn)行可靠的金屬連接，使整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成整體連通的綜合接地系統(tǒng)，全線的所有強(qiáng)電設(shè)備、弱電設(shè)備、人員安全和防雷的接地均與綜合接地系統(tǒng)合理、可靠連接[2]。

9? 研究結(jié)論

（1）膠輪有軌電車交通工程供電系統(tǒng)的中壓電源應(yīng)當(dāng)優(yōu)先考慮當(dāng)?shù)仉娏ο到y(tǒng)核心中壓電源，全線所有變電所設(shè)置中壓?jiǎn)苇h(huán)網(wǎng)供電網(wǎng)絡(luò)。

（2）車站和綜合車場(chǎng)均應(yīng)設(shè)置變電所，車站變電所設(shè)置一臺(tái)降壓變壓器，中壓母線和低壓母線均采用單母線方式，綜合車場(chǎng)和信號(hào)集中站可設(shè)置兩臺(tái)變壓器，中壓母線采用單母線方式，低壓母線采用單母線分段方式。

（3）變電所的交流12kV開關(guān)柜選用630A的氣體絕緣或固體絕緣環(huán)網(wǎng)柜，交流0.4kV開關(guān)柜選用固定式開關(guān)柜，變壓器選用200kVA干式變壓器。

（4）在綜合車場(chǎng)集中設(shè)置車輛充電裝置，總?cè)萘堪窜囕v輪流充電考慮。

（5）車站、區(qū)間和綜合車場(chǎng)均應(yīng)設(shè)置綜合接地網(wǎng)，全線接地網(wǎng)電氣連通[2]。

參考文獻(xiàn)

[1] 王小峰.城軌交通外部電源方案分析[J].現(xiàn)代城市軌道交通，2010（4）：40-42，55，89.

[2] 孫章，蒲琪.城市軌道交通概論[M].北京：人民交通出版社，2010.

[3] GB 50157-2003 地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范[M].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2003.

[4] 孔凡國(guó)，魏盼盼，林品武.城市軌道交通供電方案的研究[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化，2014（5）：225-226.