现代有轨电车牵引供电系统技术方案探讨

李 虎，陈秀芳，李 昕，吴命利

现代有轨电车牵引供电系统技术方案探讨

李 虎，陈秀芳，李 昕，吴命利

基于我国最近几年在城市地铁供电系统的经验，结合有轨电车特点，探讨了有轨电车牵引供电系统总体结构、中压网络、箱式变电所和远程监控系统等技术方案。

有轨电车；牵引供电系统；中压网络；箱式变电所；远程监控

0 引言

现代有轨电车是一种中低运量的城市轨道交通。与地铁相比，有轨电车工程造价低、运行灵活、建设周期短，与道路公共交通相比，其具有运量大、运营速度快、耗能低、污染小的优势[1，2]。一般认为，有轨电车适合在中小城市用于承担主城区内部较大的客流，在大城市用于加强主城区与市区外围地区、外围新城区与工业发展区之间的联系[3-4]。

牵引供电系统为有轨电车提供动力电能，是重要的基础设施系统。牵引供电系统的安全、可靠工作对保障有轨电车的正常运行至关重要。与地铁供电比较而言，国内在有轨电车供电系统上的专门研究还相对较少。本文通过对国内外现有城市有轨电车线路的调研，并结合城市有轨电车供电系统的技术需求和直流牵引供电技术现状，对城市有轨电车供电系统技术方案进行了探讨。

1 供电系统总体结构

1.1 供电方式

有轨电车供电方式有集中式、半集中式、分散式、混合式等不同形式。集中式需专门设置35 kV或以上电压等级的主变电所，降压后向牵引变电所统一供电；半集中式是指设置若干10 kV开闭所，由自建10 kV配电网向全线牵引变电所供电；分散式则由城市35 kV或10 kV变电所直接向沿线牵引变电所供电；混合式则介于集中式和分散式之间[5]。表1对集中供电方式和分散供电方式从供电质量、供电可靠性、施工难易程度、供电系统对城市电网的影响等方面进行对比。

实际中有轨电车供电方式的选取受城市轨道交通线网规划、城市电网构成以及工程实际情况而定。不论是分散供电方式还是集中供电方式都应与供电部门协商，方案可行性研究报告应通过严格论证才可最终确定。在国内，沈阳市浑南新区现代有轨电车采用10 kV分散供电方式，苏州高新区有轨电车1号线采用10 kV半集中供电方式。

有轨电车供电系统供电质量、供电可靠性等要求相对较高，有条件时，应当优先采用集中供电方式或半集中供电方式；若10 kV电缆路径困难，且城网10 kV电源点较多并能满足供电要求时，也可采用分散供电方式。

1.2 馈电制式

目前，架空接触网因其技术成熟、易于穿过平交道口、安全性高、维护经验丰富、造价低等优点被国内外大量采用，我国苏州高新区、天津滨海新区、上海张江等有轨电车就采用DC 750 V架空接触线馈电方式。在不宜架设架空接触线，且具有专有路权的特殊线路，也可以采用第三轨供电。对于采用了电池组或超级电容的混合动力车辆，一般采用车站集中快速充电或电磁感应供电等无接触网供电方式，如南京麒麟及河西的有轨电车采用蓄电池牵引技术，江苏淮安、浙江宁波有轨电车采用的是超级电容供电。架空接触网馈电制式除城市景观效果较差外，其他方面都具有较大优势。在某些不能架设接触网区段通常辅助以其他馈电制式以达到不同馈电制式优势互补，增强有轨电车运行的灵活性，如北京西郊线（连接主城区与香山的专用轨道），正线一般采用架空接触网馈电方式，但香山站至植物园之间和颐和园西门站—巴沟站之间使用非架空接触网的牵引供电系统（长度为4.4 km）。

为降低架空接触网的视觉污染，可以从优化接触网结构件形式，减少架空电缆数量使接触网与周边环境相融洽，以达到美化城市景观。在国外，如瑞典的斯德哥尔摩有轨电车供电系统采用轻便的简单悬挂接触网供电，与城市景观十分协调融洽。

表1 集中供电方式和分散供电方式对比表

1.3 供电电压

根据《城市无轨电车和有轨电车供电系统》（CJ/T 1-1999）（表2），系统直流标称电压为750 V或600 V（600 V为非推荐值）。同时国际电工委员会（IEC）、国际铁路联盟（UIC）和欧洲标准化委员会（EN）也都推荐使用DC 750 V。

表2 直流系统电压一览表 单位：V

目前，我国城市轨道交通供电系统的中压网络电压等级主要采用35 kV和10 kV，20 kV电压等级也在苏州作为试点运行。电压等级越高，则输电容量越大、送电距离越远。不过，有轨电车是中低运量的轨道交通，在具体实施中应结合实际工程条件，选择合理的电压等级。考虑到我国中压网络以10 kV为主，并且10 kV能满足有轨电车供电电能输送需要，建议有轨电车线路中压网络优先采用10 kV，只有当城市电网没有10 kV时，才采用35 kV或20 kV。

因此，城市有轨电车线路牵引供电应采用DC 750 V，交流电源电压宜采用10 kV。

2 中压网络结构及供电分区

2.1 中压网络结构

目前，国内地铁供电系统中压网络多采用双环网结构。与大中运量的地铁不同，有轨电车是中低运量的城市轨道交通。其牵引负荷小，动力照明负荷远小于地铁动力照明负荷（主要是箱式变电所所内自用电）。为节约投资成本和简化中压网络结构，国内有轨电车工程中多采用具有接线简单、高压设备少、控制保护简单、投资省的单环网结构，如图1所示。电源牵引变电所从城网引入一路10 kV电源进线，并设二路出线至相邻牵引变电所，相邻牵引变电所通过单回电缆连接。

《城市无轨电车和有轨电车供电系统》（CJ/T 1-1999）规定交流母线一般采用单母线或分段单母线接线。一般情况下，在10 kV交流母线上分别配置变比10 / 0.59 / 0.59 kV的12脉波整流变压器和10 / 0.4 kV的降压变压器各1台。特别地，若方便引入城网配电变压器低压侧电源，根据工程实际情况，也可将其引入作为变电所和车站备用电源。若受安装空间限制但引入的低压电源可靠性较高，为节省工程投资甚至可以取消设置降压变压器。

图1 中压网络结构示意图

2.2 供电分区

有轨电车供电系统中压网络供电分区划分时应考虑如下因素：（1）线路电压损失要求。中压网络应按列车运行的远期通过能力设计，对互为备用线路，一路退出运行另一路应承担其一、二级负荷的供电，线路末端电压损失不宜超过5%。（2）满足继电保护的要求。（3）经济性要求。供电分区划分越多，技术参数当然能满足系统正常运行要求，但变电所馈出线开关柜间隔、馈出线电缆长度及变电所占地面积也相应增加，将直接增加建设投资成本。一般情况下，供电分区的划分应在满足规范要求电压损失前提下，尽量减少供电分区数量，以节省工程投资。

3 箱式变电所

3.1 箱式变电所与站内房屋式变电所

目前，国内地铁工程变电所多采用站内房屋式变电所。地铁牵引变电所一般与车站合建，土建面积一般约需300 m2。在工程中经常使车站加长，大幅度增加车站建筑面积，且存在与土建专业难以配合等问题。对于地面和高架车站，房屋式变电所还会引起景观问题。现代有轨电车是中小运量的城市轨道交通，车站较为简易，一般不单独设置建筑房屋。有轨电车线路主要是城市地面线和少量高架线，不宜采用体积庞大的房屋式变电所。国内有轨电车工程多采用布置紧凑，体积较小的箱式变电所。箱式变电所已在国外广泛采用，如美国达拉斯地区的轻轨系统、圣地亚哥的地铁系统。国内天津市滨海新区有轨电车也采用了箱式变电所。

3.2 变电所选址

变电所选址应靠近负荷中心，邻近线路布置，且满足中压网络电缆压降要求等。一般说来，变电所的位置离线路距离应控制在几百米之内。实际工程中，变电所就贴近线路布置。牵引变电所可根据线路条件高于地面、地下和高架桥下。地面和高架桥下的变电所应与城市规划相协调，与城市环境相融洽，并考虑电缆引入、引出措施。

3.3 交直流接线

箱式变电所10 kV交流母线多采用单母线不分段接线方式，牵引变压器和降压变压器均从同一段母线取得电源。DC 750 V直流母线也采用单母线不分段接线形式。

3.4 整流机组

考虑到有轨电车线路负荷相对较小，一般一个牵引变电所的安装容量为630～1 500 kV·A。当城网供电容量较大（10 kV短路容量在牵引变电所安装容量的50倍以上）、承受谐波能力较强，且公共连接点周边没有谐波敏感负荷时，可以采用12脉波单整流机组以节省投资，否则宜采用等效24脉波双整流机组。

3.5 再生制动能量利用

有轨电车再生制动能量的利用主要有逆变和储能2种方案。其代表技术主要有：逆变至中压网络、逆变至低压负荷、蓄电池储能、电容储能和飞轮储能。其中逆变至中压网络和电容储能是最有应用前景的主流技术，目前也只有这2种技术在国际上得到一定规模的应用。2种方案的比较如表3所示。可知，对于集中式有轨电车供电系统，可优先采用逆变至中压网络的方式进行能量利用（在我国北京地铁也已进入工程试运行阶段，并有望很快推广）。电容实现国产化后，也可采用电容储能方案。对于分散式有轨电车供电系统，宜采用电容储能方案。特别地，对于超级电容和蓄电池供电的有轨电车，只能采用车载储能的方式利用再生制动产生的能量。

表3 2种主流技术比较表

4 远程监控系统

有轨电车远程监控系统，即SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）系统，目前，典型的电力监控系统由4部分组成：位于控制中心的电力调度中心主站系统（即中央监控系统）、位于变电所的远程终端（RTU，即变电所综合自动化系统）、通信网络、位于供电维修基地的供电复示系统。SCADA系统主要针对变压器，10 kV交流，750 V直流系统等完成遥信、遥测、遥控、遥调和遥视“五遥”功能。

5 结语

本文基于地铁供电系统的经验，同时结合有轨电车本身的特点，探讨了有轨电车牵引供电系统总体结构、中压网络、箱式变电所和远程监控系统等方面的问题。文中所提出的有轨电车牵引供电系统方案可供相关工程设计人员参考。

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Based on experiences for development of power supply system of urban metro system in our country, with reference of characteristics of tramcar, the paper illustrates the technical schemes for traction power supply system overall structure, medium voltage network, container substation and remote monitoring system of tramcar.

Tramcar; traction power supply system; medium voltage network; container substation; remote monitoring

U231.8

：B

：1007-936X(2015)05-0044-04

2015-01-21

李 虎.唐山轨道客车有限责任公司，工程师，电话：13513072970；

陈秀芳.唐山轨道客车有限责任公司，工程师;

李 昕.北京交通大学，硕士研究生；

吴命利.北京交通大学，教授。