城市軌道交通不同牽引供電制式下的電源系統(tǒng)共享方案

王開康

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司,430063,武漢//高級工程師)

根據(jù)CJJ/T 114—2007《城市公共交通分類標準》，城市軌道交通包括地鐵、輕軌、單軌、有軌電車、磁浮、自動導(dǎo)向軌道及市域快速軌道等系統(tǒng)[1]。其牽引供電系統(tǒng)有直流制式和交流制式。其中，直流制式多用于線路較短、站間距較小、列車最高運行速度在100 km/h以下的城區(qū)內(nèi)線路，如地鐵和輕軌系統(tǒng)等[2]；交流制式多用于線路較長、站間距相應(yīng)較大、列車最高運行速度在120 km/h以上的市域快速軌道系統(tǒng)(以下簡稱“市域快軌”)[3]。

隨著經(jīng)濟和社會的發(fā)展，我國一些大城市的市域不斷擴大，對市域快軌的需求也越來越旺盛。當市域快軌采用交流制式時，就與采用直流制式的城區(qū)地鐵、輕軌線路存在電源共享的問題。但由于牽引供電制式的不同，往往會設(shè)置獨立的牽引變電所以及外部電源，不僅占用了大量的電力資源和土地資源，也增加了工程投資。鑒于此，本文對不同牽引供電制式下，線路外部電源及電源變電所方案進行充分研究。這對實現(xiàn)資源共享，具有非常重要的現(xiàn)實意義。

1 牽引供電系統(tǒng)構(gòu)成

圖1 典型交流制市域快軌牽引供電系統(tǒng)示意圖

根據(jù)T/CCES 2—2017《市域快速軌道交通設(shè)計規(guī)范》，市域快軌交流制供電系統(tǒng)應(yīng)包括外部電源、牽引變電所、分區(qū)所、開閉所、電力變(配)電所、電力供電環(huán)網(wǎng)、牽引網(wǎng)和電力監(jiān)控系統(tǒng)等[3]。其中，電力變(配)電所、電力供電環(huán)網(wǎng)主要為沿線車站及區(qū)間動力照明負荷提供電源，一般與牽引供電系統(tǒng)分開獨立設(shè)置。典型交流制市域快軌牽引供電系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示，典型交流制市域快軌電力供電系統(tǒng)如圖2所示。

在一般交流制電氣化鐵路中，圖2所示配電所一般從電力系統(tǒng)直接引入10 kV電源；對于交流制市域快軌可從電力系統(tǒng)直接引入10 kV電源，也可直接引入110 kV電源降壓為20 kV或10 kV。當直接從電力系統(tǒng)引入10 kV電源時，需在貫通線前設(shè)調(diào)壓器，以調(diào)整線路末端電壓滿足負荷要求。

圖2 典型交流制市域快軌電力供電系統(tǒng)示意圖

地鐵供電應(yīng)包括外部電源、主變電所(或電源開閉所)，以及牽引、動力照明、電力監(jiān)控等系統(tǒng)；牽引供電系統(tǒng)包括牽引變電所與牽引網(wǎng);動力照明供電系統(tǒng)包括降壓變電所與動力照明配電系統(tǒng)[2]。典型地鐵供電系統(tǒng)構(gòu)成如圖3所示。

圖3 典型地鐵供電系統(tǒng)示意圖

從圖1～3可以看出，采用不同牽引供電制式的城市軌道交通線路供電系統(tǒng)存在較大差別。交流制市域快軌一般直接從城市電網(wǎng)引入110 kV電源至牽引變電所，經(jīng)牽引變電所降壓為27.5 kV后，直接為車輛提供牽引電源;其獨立的電力供電系統(tǒng)可為沿線及車站的動力照明系統(tǒng)提供電源。直流制軌道交通線路一般多采用集中或分散供電(因本文研究內(nèi)容主要涉及集中供電，故對分散供電不做詳細介紹)。以集中供電為例，從城市電網(wǎng)引入110 kV外部電源至主變電所，經(jīng)主變電所降壓為35 kV后，通過牽引和動力照明共用的中壓環(huán)網(wǎng)將電能輸送至各車站，再降壓為0.4 kV后為動力照明系統(tǒng)提供電源;部分設(shè)置牽引變電所的車站需經(jīng)降壓及整流后為車輛提供直流牽引電源。

綜上可見：電源系統(tǒng)總共有交流制牽引電源、交流制電力電源、直流制供電電源(牽引動力照明混合網(wǎng)路，共享電源系統(tǒng))。不同牽引供電制式下的電源系統(tǒng)共享方案即以上三部分的共享方案。

2 電源共享方案

在研究不同線路間的電源系統(tǒng)共享的時候，要先確定不同線路之間是否具備共享條件。一般來講，當不同線路具有以下條件時，可考慮共享：①線路間有換乘關(guān)系；②線路間距離較近，一般在4 km以內(nèi)為宜。如線路間距離太長，一方面，電纜敷設(shè)路徑長，選線難度大、建設(shè)成本高；另一方面，供電時會有電能損失，運營成本高。

2.1 交流制供電系統(tǒng)的外部電源共享方案

交流制供電系統(tǒng)的外部電源共享方案如圖4所示。該方案中，線路內(nèi)部的牽引和電力供電共享110 kV外部電源，牽引和電力供電分設(shè)變(配)電所，變電(配)所及以下的電氣系統(tǒng)完全分設(shè)，變電(配)所土建部分可以合建。

該方案沒有實現(xiàn)不同牽引供電制式線路間的共享，主要適用于交流制市域快軌與城區(qū)線路不具備共享條件的情況。溫州軌道交通S1、S2線即采用此方案[4]。

圖4 交流制供電系統(tǒng)外電源共享方案示意

2.2 交流制與直流制供電系統(tǒng)電源共享的既有方案

該方案如圖5所示，交流制電力配電所與直流制主變電所合設(shè)主變壓器，并與交流制牽引變電所共享110 kV外部電源。變電所土建部分合建。

該方案實現(xiàn)了不同牽引制式線路間的外部電源共享，可節(jié)省電力資源及外部電源投資。同時，電力配電所與主變電所共享變壓器，可有效降低變電所用地面積和工程投資。目前,國內(nèi)大多數(shù)城市(如成都及廣州等)在規(guī)劃交流制市域快軌與城區(qū)直流制線路時首選了該電源共享方案。

圖5 交直流制供電系統(tǒng)電源共享既有方案

2.3 交流制與直流制供電系統(tǒng)電源共享的新方案

共享新方案如圖6所示。主變電所內(nèi)設(shè)置2臺三繞組變壓器。該變壓器二次側(cè)兩繞組額定電壓分別為35.0 kV和27.5 kV。其中，35.0 kV繞組向直流制線路提供牽引及動力照明用電，向市域快軌提供電力用電；27.5 kV繞組向市域快軌提供牽引用電。

圖6 交直流制供電系統(tǒng)電源共享新方案

新方案實現(xiàn)了不同牽引制式線路間的電源共享，可節(jié)省電力資源及外部電源投資。由于主變壓器與交流牽引變電器共享，減少了一、二次供電設(shè)備數(shù)量，可以最大程度地降低變電所用地面積和工程投資。該方案目前尚無工程實施案例，因此需對方案實施所涉及的幾個關(guān)鍵問題進行分析。

2.3.1 三繞組變壓器的制造

該方案的核心為牽引及降壓共用的110 kV/35 kV/27.5 kV三繞組變壓器。目前，三繞組變壓器技術(shù)非常成熟，110 kV/35 kV/10 kV的三繞組變壓器應(yīng)用廣泛。可見，在制造工藝上該三繞組變壓器是完全可以實現(xiàn)的。

目前所面臨的問題主要是：該變壓器屬于特種應(yīng)用變壓器，其市場應(yīng)用尚未完全開發(fā)，產(chǎn)品生產(chǎn)制造成本較高。隨著交流制市域快軌線路的增多，產(chǎn)品需求進一步增加，采購成本會不斷下降?？傮w而言，雖然目前該產(chǎn)品的采購成本較高，考慮到主變電所的外部電源線路建設(shè)費用較少，以及一、二次供電設(shè)備購置費用較少，該方案的經(jīng)濟性是可以接受的。

2.3.2 三繞組變壓器的接線

2.3.3 電能質(zhì)量影響

直流制城市軌道交通線路是一種三相、整流的對稱負荷，其對電力系統(tǒng)的不利影響主要是無功功率和諧波等?，F(xiàn)階段，直流制線路普遍采用等效24脈波整流，車輛采用直流-交流傳動系統(tǒng)，牽引負荷的諧波和功率因數(shù)問題已得到明顯改善。系統(tǒng)中大量電纜線路產(chǎn)生的容性無功會引起功率因數(shù)低的問題。這在國內(nèi)多條城市軌道交通線調(diào)試和運營初期均有發(fā)生。但隨著線路投運時間的增加，行車對數(shù)及各種其它負荷增長后，這一現(xiàn)象也不再明顯。由低壓整流設(shè)備及逆變設(shè)備產(chǎn)生的諧波是目前系統(tǒng)中的主要諧波源，但由于此類設(shè)備容量較小，其諧波尚不足以影響整個系統(tǒng)的諧波含量指標，經(jīng)多個項目的評估及實測，城市軌道交通的諧波指標完全滿足相關(guān)標準要求[5-7]。為了進一步凈化系統(tǒng)電能質(zhì)量，目前城市軌道交通線路大多在主變低壓側(cè)設(shè)置SVG(靜止無功發(fā)生器)，在提高功率因數(shù)的同時，還可濾除系統(tǒng)中的諧波?？梢姡绷髦凭€路對電力系統(tǒng)的影響已基本消除。

交流制市域快軌是一種單相、整流的不對稱負荷。其牽引負荷波動頻繁、變化劇烈，對電力系統(tǒng)產(chǎn)生無功功率、諧波、負序等不利影響。目前，市域快軌車輛大多采用交流-直流-交流傳動系統(tǒng)，其牽引負荷的功率因數(shù)可達0.95以上，諧波含量很低。針對負序問題，可采用牽引所換相連接、平衡牽引變壓器、同相供電等技術(shù)手段進行改善。尤其是采用同相供電技術(shù)，可以完全消除系統(tǒng)不平衡，濾除諧波并補償無功，使變化劇烈、含有大量諧波和低功率因數(shù)的不對稱單相牽引負荷，對電力系統(tǒng)而言僅相當于一個純阻性的三相對稱負荷；此外，同相供電技術(shù)可省去自動過分相裝置，解決市域快軌過分相設(shè)置困難的問題，能提高變壓器容量的利用率，提高供電系統(tǒng)的靈活性和可靠性。該技術(shù)已在成昆鐵路眉山牽引所及山西線重載鐵路項目中成功投入。溫州市域快軌S1線也采用了該項技術(shù)，目前已開通運營[8-10]。

綜上所述，在采用一些常規(guī)的電能質(zhì)量治理措施后，無論是直流制還是交流制供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量都可以滿足相關(guān)標準要求。上述治理措施都是在主變壓器的低壓側(cè)母線及以下系統(tǒng)實施的，故而治理后城市軌道交通系統(tǒng)對電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量不會產(chǎn)生影響，交、直流制式間也不會產(chǎn)生不利影響。

2.3.4 故障影響

采用本方案后，當單電源或單臺變壓器發(fā)生故障或檢修時，部分一、二級負荷短時停電(停電時間與備用自投方案有關(guān)，一般在秒級)，并在備用自投裝置投入后自動恢復(fù)供電，三級負荷會全部或部分停電。當單座主變電所解列時，將由各線相鄰主變電所支援本線供電。此時，一、二級負荷會短時停電(停電時間與倒閘方式有關(guān))，三級負荷將全部或部分停電?？梢?，方案二的故障發(fā)生后的運行方式及影響范圍同目前城市軌道交通主變電所共享方案基本一致，已被行業(yè)內(nèi)普遍認可。有所不同的是，當變電所35 kV母線發(fā)生故障或檢修時，僅影響到市域快軌線的電力供電，影響范圍比城市軌道交通主變共享后要小。

3 結(jié)語

基于三繞組變壓器的交流及直流牽引供電制式下電源共享方案是一種全新的方案，目前在城市軌道交通中無實施案例。本文對方案中所涉及的關(guān)鍵技術(shù)問題進行了定性分析，結(jié)合相關(guān)研究分析，證明了該方案不僅技術(shù)可行而且節(jié)能。城市軌道交通電源系統(tǒng)作為整個項目的核心環(huán)節(jié)之一，務(wù)必要做到安全可靠，因此在該方案實施前，需進行更加深入的調(diào)研工作，細化方案實施細節(jié)。隨著市域快軌的迅速發(fā)展，本文所提出的基于三繞組變壓器的交流及直流制式牽引供電系統(tǒng)電源共享方案將會成為項目實施優(yōu)選方案之一。