有軌電車供電系統(tǒng)負(fù)荷等級(jí)與外電源方案

張劍濤 楊 珂 楊 銳

(北京城建設(shè)計(jì)發(fā)展集團(tuán)股份有限公司 北京 100037)

有軌電車供電系統(tǒng)負(fù)荷等級(jí)與外電源方案

張劍濤 楊 珂 楊 銳

(北京城建設(shè)計(jì)發(fā)展集團(tuán)股份有限公司 北京 100037)

從有軌電車供電系統(tǒng)外電源實(shí)施的角度出發(fā)，通過(guò)實(shí)際工程中有軌電車供電系統(tǒng)負(fù)荷等級(jí)的確定、外電源方案的要點(diǎn)以及報(bào)裝過(guò)程中需要注意的問(wèn)題，提出有軌電車的負(fù)荷等級(jí)可以為一級(jí)或二級(jí)負(fù)荷，應(yīng)結(jié)合多方面的因素統(tǒng)一考慮。外電源方案應(yīng)綜合考慮城網(wǎng)電源形式、容量以及接線方式等，并在報(bào)裝階段注意表計(jì)、諧波等要點(diǎn)，從而使得有軌電車的供電網(wǎng)絡(luò)能夠良好地融入到城市電網(wǎng)中，提供可靠的電源。

有軌電車;供電系統(tǒng);外電源;負(fù)荷等級(jí)

自21世紀(jì)初期以來(lái)，在全國(guó)范圍內(nèi)，有軌電車系統(tǒng)陸續(xù)開(kāi)始規(guī)劃、建設(shè)。其中，沈陽(yáng)市渾南新區(qū)現(xiàn)代有軌電車工程是國(guó)內(nèi)首次在一年半的時(shí)間內(nèi)完成從規(guī)劃、建設(shè)，到網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營(yíng)的有軌電車項(xiàng)目。在該工程實(shí)施過(guò)程中，筆者意識(shí)到，從有軌電車的通車及運(yùn)行角度來(lái)看，供電系統(tǒng)、車輛、軌道構(gòu)成了有軌電車通車并可靠運(yùn)行的3個(gè)重要因素。其中，供電系統(tǒng)與其他系統(tǒng)的重要區(qū)別之一在于供電系統(tǒng)的外電源方案。

供電系統(tǒng)的外電源方案是有軌電車工程與城市電網(wǎng)連接的技術(shù)紐帶，外電源方案的可行性、技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性不僅關(guān)系到城市電網(wǎng)對(duì)有軌電車供電系統(tǒng)的接納程度，也關(guān)系到有軌電車初期建設(shè)階段的投資以及后期供電系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。在研究有軌電車外電源方案的過(guò)程中，供電系統(tǒng)負(fù)荷等級(jí)的選擇是確定外電源方案的主要因素之一。

1 負(fù)荷等級(jí)的選擇

參照既有的相關(guān)規(guī)范，確定一級(jí)負(fù)荷的主要因素是在中斷供電后，造成人身傷亡、經(jīng)濟(jì)上的重大損失、重大政治影響或公共場(chǎng)所秩序嚴(yán)重混亂［1］。參照國(guó)內(nèi)的規(guī)范，有軌電車的供電負(fù)荷等級(jí)被列為交流電源的一級(jí)或二級(jí)負(fù)荷［2］。

在多數(shù)情況下，有軌電車供電系統(tǒng)負(fù)荷等級(jí)選擇為二級(jí)負(fù)荷更為合適，主要考慮以下幾個(gè)因素。

1.1 運(yùn)營(yíng)特點(diǎn)

有軌電車作為一種公共交通工具，通常在城市既有現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上進(jìn)行規(guī)劃與建設(shè)，常用的客流斷面最大為9 000人次/h。有軌電車是城市公共交通體系的一部分，當(dāng)其由于城市電網(wǎng)的因素停止運(yùn)行時(shí)，對(duì)公眾出行的影響并非是決定性的，對(duì)城市的整體運(yùn)行也并非是沖擊性的;而且，由于其路權(quán)條件的良好適應(yīng)性，一旦發(fā)生停運(yùn)的情況，可通過(guò)租用社會(huì)公共交通資源，對(duì)有軌電車的客流進(jìn)行應(yīng)急性支援，弱化對(duì)城市公共交通的沖擊［3］。

1.2 制式特點(diǎn)

有軌電車運(yùn)行在室外環(huán)境下，車輛門(mén)檻低地板設(shè)置，門(mén)檻處踏板距離地面的高度為380 mm;車輛上配置了車門(mén)緊急解鎖裝置，一旦由于城市電網(wǎng)原因突然停電，可以立即疏散乘客;在空載狀態(tài)下救援車輛，如果車輛喪失動(dòng)力，可以采用人員推動(dòng)、儲(chǔ)能裝置驅(qū)動(dòng)或救援車輛牽引等方式，離開(kāi)平交道口等重要區(qū)段，避免對(duì)城市交通的影響［4］。

1.3 城市電網(wǎng)條件

選擇二級(jí)負(fù)荷既可降低外電源接入費(fèi)用，也可與城市電網(wǎng)更好地結(jié)合。如果選擇一級(jí)負(fù)荷，對(duì)引入電源的要求是來(lái)自城市電網(wǎng)不同的變電站或者同一個(gè)變電站的不同母線。通常，有軌電車外電源的間距在5～8 km，城市電網(wǎng)的覆蓋范圍遠(yuǎn)大于有軌電車外電源的間距。一方面，城市建成區(qū)的電力資源較為緊張;另一方面，除大型的工業(yè)類用電會(huì)提供專用線路外，多數(shù)用戶的用電負(fù)荷均接于公用線路側(cè)，無(wú)論是從上級(jí)變電所的出線間隔、饋線類型，還是從饋線的容量來(lái)說(shuō)，一級(jí)負(fù)荷都會(huì)大大占用城市特別是建成區(qū)域內(nèi)的電力資源。同時(shí)，對(duì)于有軌電車的建設(shè)方來(lái)說(shuō)，一旦需要自上級(jí)變電所引入專用線路，無(wú)論是施工進(jìn)度還是建設(shè)費(fèi)、增容費(fèi)等支出費(fèi)用都是一筆不小的投資，從而對(duì)有軌電車的整體技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)產(chǎn)生較大的影響。

現(xiàn)階段電氣裝備制造水平、制造工藝等都有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，且保持在一個(gè)較高、較為穩(wěn)定的水平，在正常使用過(guò)程中，通常設(shè)備較少發(fā)生單點(diǎn)性故障。此外，現(xiàn)階段城市電網(wǎng)已經(jīng)能夠確保城市用戶有著較高的用電可靠性，供電局內(nèi)部也有一整套的考核及保障制度保證城市電網(wǎng)用戶的可靠用電，因此，即使是二級(jí)負(fù)荷，在非故障停電的情況下，通過(guò)合理設(shè)置中壓網(wǎng)絡(luò)及運(yùn)行方式，也能夠保證有軌電車供電系統(tǒng)的可靠運(yùn)行［5］。

因此，供電系統(tǒng)負(fù)荷等級(jí)的確定應(yīng)基于有軌電車的制式特點(diǎn)、車輛特點(diǎn)、運(yùn)營(yíng)特點(diǎn)，結(jié)合城市電網(wǎng)的現(xiàn)狀條件，遵循技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜合指標(biāo)最優(yōu)的原則，合理選擇供電系統(tǒng)負(fù)荷等級(jí)。

2 外電源方案需要注意的問(wèn)題

2.1 城網(wǎng)的電源形式

相對(duì)于軌道交通來(lái)說(shuō)，有軌電車的外電源引自沿線區(qū)域內(nèi)的城市電網(wǎng)，電源類型從數(shù)量上來(lái)說(shuō)，應(yīng)以公用線路為輔，專用線路為主;從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)角度來(lái)講，應(yīng)以專用線路為骨架，公用線路為支撐。若從城市電網(wǎng)引入10 kV專用線路，由于要引自上級(jí)城網(wǎng)變電站，并且占用獨(dú)立的出線間隔，相應(yīng)的投資以及實(shí)施難度較大;而若采用公共線路，可以就近引自上級(jí)開(kāi)閉站或鄰近的供電線路，相應(yīng)的投資及供電方案的靈活性要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于專用線路。此外，由于10 kV電源的供電半徑為10 km左右，根據(jù)有軌電車網(wǎng)絡(luò)化分布的特點(diǎn)，以渾南現(xiàn)代有軌電車工程為例，全線共引入10個(gè)外電源，其中4個(gè)為專用電源，6個(gè)為共用電源。專用電源考慮應(yīng)急條件下的供電半徑，遵循應(yīng)急支援10 km的供電半徑以及將專用電源設(shè)置在重要的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的原則。

2.2 外電源的報(bào)裝容量

外電源容量的選擇，一方面關(guān)系到方案的可行性，另一方面也關(guān)系到初期建設(shè)的投資。筆者認(rèn)為，考慮在1個(gè)電源失電時(shí)，外電源的容量宜滿足非正常運(yùn)行方式下全線非高峰小時(shí)的供電負(fù)荷。如按照330元/kVA計(jì)算，每千米非高峰小時(shí)供電負(fù)荷較高峰小時(shí)供電負(fù)荷減少240 kVA左右，相應(yīng)減少7.9萬(wàn)元/km。

此外，在報(bào)裝前需要考慮以下3個(gè)指標(biāo)之間的關(guān)系：初近期正常運(yùn)行方式下的容量;初近期非正常運(yùn)行方式下的容量;遠(yuǎn)期正常運(yùn)行方式下的容量。在計(jì)算上述3個(gè)容量的基礎(chǔ)上，結(jié)合行車組織、客流預(yù)測(cè)、服務(wù)水平，綜合確定技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)最優(yōu)的方案。

2.3 中壓網(wǎng)絡(luò)的接線方式

中壓網(wǎng)絡(luò)的接線方式，無(wú)論是一級(jí)負(fù)荷還是二級(jí)負(fù)荷，在外電源方案的基礎(chǔ)上，應(yīng)選擇與之相匹配的接線方式，才能使其外電源方案的合理性得到最大限度的發(fā)揮。渾南有軌電車在運(yùn)行中選擇了單環(huán)網(wǎng)接線方式，每個(gè)供電分區(qū)引入一個(gè)外電源，相鄰?fù)怆娫粗g設(shè)置應(yīng)急聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)。

單環(huán)網(wǎng)接線方式指每個(gè)供電分區(qū)至少有1個(gè)電源作為分區(qū)的備用電源，以滿足中壓網(wǎng)絡(luò)(N－1)故障原則下的正常運(yùn)行。需要注意的是，由于是單環(huán)網(wǎng)接線方式，在外電源申請(qǐng)過(guò)程中，線路末端需要引入外電源，確保單環(huán)網(wǎng)的完整性與供電的可靠性。

3 外電源報(bào)裝過(guò)程中需注意的問(wèn)題

3.1 城市電網(wǎng)對(duì)外電源方案的影響

目前，城網(wǎng)供電局面對(duì)的用戶多為點(diǎn)式用戶，用戶往往是供電網(wǎng)絡(luò)饋出后的末端，而有軌電車由于系統(tǒng)用電需求，用電引入點(diǎn)通常在2個(gè)以上，并且在供電局的下端構(gòu)成了10 kV供電網(wǎng)絡(luò)，因此，無(wú)論是從運(yùn)行方式還是計(jì)費(fèi)方式，均不同于供電局以往的用戶。在正式報(bào)裝前，應(yīng)讓業(yè)主與供電客服組織或供電局就有軌電車供電系統(tǒng)的特殊性進(jìn)行溝通，包括與供電局內(nèi)部的運(yùn)行、生產(chǎn)、計(jì)費(fèi)、計(jì)量等部門(mén)溝通，從而避免在實(shí)施過(guò)程中方案變動(dòng)帶來(lái)的影響。

3.2 進(jìn)線電源處表計(jì)專用設(shè)備的安裝

供電局對(duì)于10 kV用戶有著嚴(yán)格的規(guī)章制度，特別是對(duì)外電源進(jìn)線側(cè)表計(jì)及其他設(shè)備的安裝。因此，在外電源報(bào)裝前應(yīng)與供電局協(xié)商，達(dá)成一致意見(jiàn)，避免對(duì)后期變電所及設(shè)備方案帶來(lái)影響。另外，不同地區(qū)對(duì)設(shè)備的入網(wǎng)許可也有不同的要求，需要提前溝通，將供電局對(duì)相關(guān)設(shè)備的準(zhǔn)入許可要求，納入到設(shè)備的招標(biāo)文件范圍內(nèi)，從而避免因缺少設(shè)備入網(wǎng)許可而無(wú)法安裝、驗(yàn)收并送電的情況發(fā)生。

渾南有軌電車工程在實(shí)施階段，所選擇的柜型要求廠家方案完全滿足供電局計(jì)量表計(jì)的安裝要求，同時(shí)，在進(jìn)線處依照地方運(yùn)行習(xí)慣，加裝了用戶負(fù)荷控制設(shè)備。

3.3 諧波與無(wú)功功率補(bǔ)償

諧波與無(wú)功功率補(bǔ)償是供電局對(duì)用戶的兩項(xiàng)主要考核標(biāo)準(zhǔn)，其中諧波在電源引入點(diǎn)需滿足國(guó)家相關(guān)規(guī)范的要求。有軌電車變電所采用12脈波或等效24脈波牽引整流機(jī)組，其理論的諧波為11、13等高次。通過(guò)計(jì)算以及軌道交通多年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)可以得知，有軌電車在電源點(diǎn)的諧波不會(huì)超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)無(wú)功補(bǔ)償裝置來(lái)說(shuō)，一方面正線有軌電車用電負(fù)荷主要為牽引供電負(fù)荷，極少量為低壓照明和道岔驅(qū)動(dòng)沖擊負(fù)荷，因此牽引負(fù)荷的功率因數(shù)遠(yuǎn)在0.9之上;另一方面，有軌電車中壓環(huán)網(wǎng)電纜直埋或穿管敷設(shè)在路基范圍內(nèi)，它對(duì)地電容的特性也會(huì)大大提高電源引入點(diǎn)的功率因數(shù)，因此在正線變電所內(nèi)可不設(shè)置無(wú)功功率補(bǔ)償裝置。上述兩項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)需要與供電局進(jìn)行方案溝通，不設(shè)置上述兩類設(shè)備既可降低變電所的投資，也能減少變電所的占地面積。

以諧波為例，沈陽(yáng)有軌電車工程在設(shè)計(jì)階段，按照遠(yuǎn)期高峰小時(shí)負(fù)荷進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表1、2所示。

表1 諧波電流實(shí)際值 A

表2 諧波電壓畸變率

可以看出，盡管沈陽(yáng)有軌電車工程每座牽引變電所僅設(shè)置了1臺(tái)12脈波牽引整流機(jī)組，但由于牽引負(fù)荷及牽引整流機(jī)組容量都較小，因此在外電源處諧波各項(xiàng)指標(biāo)均能夠滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)有軌電車供電系統(tǒng)負(fù)荷等級(jí)及外電源方案要點(diǎn)的介紹與分析，得出有軌電車的負(fù)荷等級(jí)應(yīng)結(jié)合車輛、電網(wǎng)、投資等因素綜合考慮，可以選擇設(shè)置為一級(jí)或二級(jí)負(fù)荷。外電源方案中應(yīng)綜合考慮城網(wǎng)電源形式、外電源報(bào)裝容量、中壓網(wǎng)絡(luò)接線方式等因素;在外電源報(bào)裝時(shí)，也要注意城市電網(wǎng)對(duì)電源方案的影響、專用設(shè)備的安裝以及諧波、功率因數(shù)等方面，使得有軌電車供電系統(tǒng)能夠良好地融入到城市電網(wǎng)當(dāng)中。

［1］GB 50052—2009供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2010：6－7.

［2］CJ/T 1—1999城市無(wú)軌電車和有軌電車供電系統(tǒng)［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2001：3－6.

［3］北京城建設(shè)計(jì)研究總院有限責(zé)任公司.歐洲輕軌交通系統(tǒng)考察調(diào)研報(bào)告［R］.北京，2010.

［4］中國(guó)地鐵工程咨詢公司.赴法國(guó)有軌電車及高速鐵路考察報(bào)告［R］.北京，2010.

［5］于松偉，楊興山，韓連祥，等.城市軌道交通供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理與應(yīng)用［M］.成都：西南交通大學(xué)出版社，2008：5－10.

Discussion about Load Level of the Power Supply and Municipal Power Supply Scheme of Tram

Zhang Jiantao Yang Ke Yang Rui
(Beijing Urban Construction Design＆Development Group Co.，Ltd.，Beijing 100037)

The load level of the power supply could be classified into I or II by analyzing the application of the tram power supply system，the power supply load，power supply scheme and the focal points in the municipal power used in the actual project.The type capacity and the system line diagram of the municipal power should be paid attention to.In the installation phase of the municipal power，the meters and the harmonic wave should also be taken care of.Finally the power supply system can be integrated with the municipal power harmoniously，and supply reliable power to the tram.

tram;power supply system;municipal power;load level

U271

A

1672－6073(2014)02－0113－03

10.3969/j.issn.1672 －6073.2014.02.028

2014－01－03

2014－01－25

張劍濤，男，工程師，從事軌道交通及有軌電車的設(shè)計(jì)，breadfree@163.com

北京市科委科技計(jì)劃課題(Z090506006309017)

(

王艷菊)