李 虎， 赫宏聯(lián)， 孫應東， 費久利， 王 惠， 元世斌

（中車唐山機車車輛有限公司， 河北唐山 063000）

0 引言

現(xiàn)代有軌電車是一種中低運量的城市軌道交通[1]，供電系統(tǒng)為有軌電車動態(tài)運行提供電能， 是重要的基礎設施系統(tǒng)。有軌電車供電系統(tǒng)的安全、可靠工作對保障有軌電車的正常運行至關重要。

本文依托武夷新區(qū)旅游觀光軌道交通項目實際工程化應用案例， 通過對國內外現(xiàn)有城市有軌電車線路的調研，對城市有軌電車供電系統(tǒng)技術方案進行了探討，并結合武夷新區(qū)有軌電車線路數(shù)據(jù)開展了供電仿真計算研究工作。

1 供電系統(tǒng)總體結構

1.1 供電方式

武夷新區(qū)旅游觀光軌道交通武夷山東站至武夷山景區(qū)線起于合福鐵路武夷山東站， 經將口、 興田及仙店片區(qū)， 終于公館大橋南橋頭武夷山景區(qū)南入口， 線路長約25.5km。

有軌電車供電方式有集中式、半集中式、分散式、混合式等不同形式[2]。 在國內，沈陽市渾南新區(qū)現(xiàn)代有軌電車采用10kV 分散供電方式，蘇州高新區(qū)有軌電車1 號線采用10kV 半集中供電方式。

本線供電系統(tǒng)采用分散供電方案， 全線共設置10kV電源開閉所4 座，分別位于武夷山東站、黃土站、仙店站和麥場站。 牽引網采用牽引網采用DC750V 架空接觸網。全線共設置12 座牽引降壓混合變電所，1 座降壓變電所。電力監(jiān)控系統(tǒng)由控制中心的電力調度系統(tǒng)、 各變電所內的綜合自動化系統(tǒng)以及聯(lián)系二者的通信通道構成。

1.2 饋電制式

結合國內外已投入商業(yè)運營有軌電車線路， 饋電方式主要包括第三軌和接觸網兩種技術形式， 而架空接觸網因其技術成熟、易于穿過平交道口、安全性高、維護經驗豐富、造價低等優(yōu)點被國內外大量采用。 我國蘇州高新區(qū)、天津濱海新區(qū)、上海張江等有軌電車就采用DC750V架空接觸線饋電方式。在不宜架設架空接觸線，且具有專有路權的特殊線路，也可以采用第三軌供電。

本項目采用架空接觸線饋電方式。

1.3 供電電壓

根據(jù) 《城市無軌電車和有軌電車供電系統(tǒng)》（CJ/T 1-1999）（表1）， 系統(tǒng)直流標稱電壓為750V 或600V（600V為非推薦值）[3]。 同時國際電工委員會（IEC）、國際鐵路聯(lián)盟（UIC）和歐洲標準化委員會（EN）也都推薦使用DC750V。

表1 直流系統(tǒng)電壓一覽表（單位：V）

目前，我國城市軌道交通供電系統(tǒng)的中壓網絡電壓等級主要采用35kV 和10kV。 電壓等級越高，則輸電容量越大、送電距離越遠。不過，有軌電車是中低運量的軌道交通， 在具體實施中應結合實際工程條件，選擇合理的電壓等級?？紤]到我國中壓網絡以10kV 為主， 并且10kV 能滿足有軌電車供電電能輸送需要，建議有軌電車線路中壓網絡優(yōu)先采用10kV，只有當城市電網沒有10kV 時，才考慮采用35kV。

因此，本項目線路牽引供電應采用DC750V，中壓網絡電壓采用10kV。

2 中壓網絡結構及供電分區(qū)

2.1 中壓網絡結構

目前， 國內地鐵供電系統(tǒng)中壓網絡多采用雙環(huán)網結構。與大中運量的地鐵不同，有軌電車是中低運量的城市軌道交通。其牽引負荷小，動力照明負荷遠小于地鐵動力照明負荷（主要是箱式變電所所內自用電）。 為節(jié)約投資成本和簡化中壓網絡結構， 國內有軌電車工程中多采用具有接線簡單、高壓設備少、控制保護簡單、投資省的單環(huán)網結構，如圖1 所示。電源牽引變電所從城網引入一路10kV 電源進線，并設二路出線至相鄰牽引變電所，相鄰牽引變電所通過單回電纜連接。

圖1 中壓網絡結構示意圖

《城市無軌電車和有軌電車供電系統(tǒng)》（CJ/T1-1999）規(guī)定交流母線一般采用單母線或分段單母線接線。 一般情況下， 在10kV 交流母線上分別配置2 臺變比10/0.59/0.59kV 的12 脈波整流變壓器和1 臺10/0.4kV 的降壓變壓器。根據(jù)工程實際情況，若方便引入城網配電變壓器低壓側電源，也可將其引入作為變電所和車站備用電源。若受安裝空間限制但引入的低壓電源可靠性較高， 為節(jié)省工程投資可取消設置降壓變壓器。

2.2 供電分區(qū)

有軌電車供電系統(tǒng)中壓網絡供電分區(qū)劃分時應考慮因素：①線路電壓損失要求。中壓網絡應按列車運行的遠期通過能力設計，對互為備用線路，一路退出運行另一路應承擔其一、二級負荷的供電，線路末端電壓損失不宜超過5%；②滿足繼電保護的要求；③經濟性要求。供電分區(qū)劃分越多，技術參數(shù)當然能滿足系統(tǒng)正常運行要求，但變電所饋出線開關柜間隔、 饋出線電纜長度及變電所占地面積也相應增加，將直接增加建設投資成本。

一般情況下，供電分區(qū)的劃分應在滿足規(guī)范要求電壓損失前提下，盡量減少供電分區(qū)數(shù)量，以節(jié)省工程投資。

3 牽引變電所和減壓變電所

3.1 箱式變電所與站內房屋式變電所

目前， 國內地鐵工程變電所多采用站內房屋式變電所。地鐵牽引變電所一般與車站合建，土建面積一般約需300m2。 在工程中經常使車站加長，大幅度增加車站建筑面積，且存在與土建專業(yè)難以配合等問題。對于地面和高架車站，房屋式變電所還會引起景觀問題?，F(xiàn)代有軌電車是中小運量的城市軌道交通，車站較為簡易，一般不單獨設置建筑房屋。 有軌電車線路主要是城市地面線和少量高架線，不宜采用體積龐大的房屋式變電所。國內有軌電車工程多采用布置緊湊，體積較小的箱式變電所。箱式變電所已在國外廣泛采用，如美國達拉斯地區(qū)的輕軌系統(tǒng)、圣地亞哥的地鐵系統(tǒng)。 國內天津市濱海新區(qū)有軌電車也采用了箱式變電所[4]。

3.2 變電所選址

變電所選址應靠近負荷中心，鄰近線路布置，且滿足中壓網絡電纜壓降要求等。一般說來，變電所的位置離線路距離應控制在幾百米之內。實際工程中，變電所貼近線路布置。牽引變電所可根據(jù)線路條件高于地面、地下和高架橋下。地面和高架橋下的變電所應與城市規(guī)劃相協(xié)調，與城市環(huán)境相融洽，并考慮電纜引入、引出措施。

3.3 交直流接線

箱式變電所10kV 交流母線多采用單母線不分段接線方式， 牽引變壓器和降壓變壓器均從同一段母線取得電源。 DC750V 直流母線也采用單母線不分段接線形式。

3.4 整流機組

隨著對電能質量的要求越來越高， 近年來現(xiàn)代有軌電車廣泛采用由兩套12 脈波整流機組構成的24 脈波整流。 24 脈波整流機組主電路如圖2 所示。 整流機組主要由兩臺12 脈波軸向雙分裂式牽引整流變壓器和四組全波整流橋組成。 每臺變壓器閥側二套繞組分別拉成d 接法和y 接法，其線電壓形成30°電度角。 兩臺變壓器的網側采用延邊三角形接法，分別移相±7.5°。這樣形成的兩臺變壓器的四套閥側繞組的線電壓相量互15°，分別經過全波整流后，在直流側并聯(lián)運行，構成24 脈波整流機組。

圖2 24 脈波整流機組主電路原理圖

3.5 再生制動能量利用

有軌電車再生制動能量的利用主要有逆變和儲能兩種方案。 其代表技術主要有：逆變至中壓網絡、逆變至低壓負荷、蓄電池儲能、電容儲能和飛輪儲能。 其中逆變至中壓網絡和電容儲能是最有應用前景的主流技術， 目前也只有這兩種技術在國際上得到一定規(guī)模的應用。 兩種方案的比較如表2 所示?？芍?，對于集中式有軌電車供電系統(tǒng)，可優(yōu)先采用逆變至中壓網絡的方式進行能量利用。電容實現(xiàn)國產化后，也可采用電容儲能方案。對于分散式有軌電車供電系統(tǒng)，宜采用電容儲能方案[5]。特別地，對于超級電容和蓄電池供電的有軌電車， 只能采用車載儲能的方式利用再生制動產生的能量。

表2 兩種主流技術比較表

4 接觸網

架空接觸網是設置在車輛頂部， 通過車頂受流裝置向車輛供電的接觸網。接觸網架設范圍包括正線、正線間的渡線、折返線、停車線、出入段線以及車輛段內電化股道等部分。

4.1 接觸網系統(tǒng)

（1）牽引網。 包括了接觸網、鋼軌回路（包括大地）、饋電線和回流線的一個大范疇， 它是軌道交通供電系統(tǒng)中向電動車組供電的直接環(huán)節(jié)。

（2）接觸網。 是一種軌道敷設的、和鐵路軌頂保持一定距離的輸電網。 通過電動車組的受電弓（或受流器）和接觸網的滑動接觸，牽引電能就由接觸網進入電動車組，驅動牽引電動機使列車運行。 接觸網是牽引網中的重要環(huán)節(jié)。

（3）饋電線。 是連接牽引變電所和接觸網的導線，它把經牽引變電所變換成符合牽引制式用的電能饋送給接觸網。

（4）軌道。在電力牽引時，除具有支撐和導向功能外，還完成導通回流的作用。

（5）回流線。 是連接軌道和牽引變電所的導線，通過回流線把軌道中的回路電流導入牽引變電所。

4.2 接觸網的供電方式

牽引變電所向接觸網供電有兩種方式： 單邊供電方式和雙邊供電方式。

（1）單邊供電。接觸網通常在相鄰兩牽引變電所間的中央斷開， 將兩牽引變電所之間兩供電臂的接觸網分為兩個供電分區(qū)， 每一供電分區(qū)的接觸網只從一端的牽引變電所獲得電流。

（2）雙邊供電。 如圖3 所示，中央斷開處設置開關設備，可將兩供電分區(qū)連通，此處稱為分區(qū)亭（SP），將分區(qū)亭的開關閉合， 則相鄰牽引變電所間的兩個接觸網供電分區(qū)均可同時從兩個變電所獲得電流。

圖3 雙邊供電示意圖

5 遠程監(jiān)控系統(tǒng)

有軌電車遠程監(jiān)控系統(tǒng)（即SCADA 系統(tǒng)），，由4 部分組成：位于控制中心的電力調度中心主站系統(tǒng)（即中央監(jiān)控系統(tǒng)）、位于變電所的遠程終端（RTU，即變電所綜合自動化系統(tǒng)）、通信網絡、位于供電維修基地的供電復示系統(tǒng)。 SCADA 系統(tǒng)主要針對直流供電系統(tǒng)完成遙信、遙測、遙控、遙調和遙視“五遙”功能[6]。

每套綜合自動化系統(tǒng)配置以下設備：一套監(jiān)控單元、一套監(jiān)控工作站和一面綜控屏，如圖4 所示。

圖4 普通變電所綜合自動化系統(tǒng)結構示意圖

圖5 網壓分布圖

圖6 上行網流分布圖

圖7 下行網流分布圖

6 供電仿真計算

有軌電車供電計算過程包括直流牽引供電系統(tǒng)的數(shù)學仿真、建模，創(chuàng)建牽引供電網絡的等值電路模型，建立節(jié)點導納矩陣并通過潮流計算求解整個供電系統(tǒng)的電壓、電流分布狀況[7]。

6.1 靜態(tài)計算

靜態(tài)計算基于牽引所、接觸網及走行軌參數(shù)，開展網壓分布、網流分布仿真計算。

（1）牽引所參數(shù)，見表3。

表3 牽引所參數(shù)

（2）接觸網及走行軌參數(shù)，見表4。

表4 接觸網及走行軌參數(shù)

（3）有軌電車參數(shù)，見表5。

表5 有軌電車參數(shù)

（4）網壓網流分布，見表6。

表6 網壓分布

表7 網流分布

6.2 動態(tài)計算

動態(tài)計算的網絡參數(shù)與靜態(tài)計算一樣，也即牽引所、接觸網及走行軌參數(shù)均相同。 仿真時間即發(fā)車間隔 （比如：300s），每秒更新一次供電網絡進行仿真計算。

（1）牽引計算結果，見表8，表9。

表8 上行牽引計算數(shù)據(jù)（部分）

表9 下行牽引計算數(shù)據(jù)（部分）

（2）變電所V-T，見圖8。

圖8 變電所V-T 圖

（3）變電所I-T，見圖9。

圖9 變電所I-T 圖

（4）變電所P-T，見圖10。

圖10 變電所P-T 圖

（5）牽引網損失功率-T，見圖11。

圖11 牽引網損失功率-T 圖

7 結束語

本文基于有軌電車系統(tǒng)的特點， 探討了有軌電車牽引供電系統(tǒng)總體結構、中壓網絡、牽引變電所和遠程監(jiān)控系統(tǒng)等方面的技術應用。 結合武夷新區(qū)現(xiàn)代有軌電車項目工程設計文件，進行了供電系統(tǒng)仿真計算，論證了系統(tǒng)原理的方案可行性，對后續(xù)工程化打下了良好的基礎。文中所提出的有軌電車供電系統(tǒng)方案可用于指導公司內及車輛段直流供電系統(tǒng)試驗線建設， 也可用于相關工程設計人員參考。