不同运量跨座式单轨供电系统方案研究

郭 鑫，李经纬，陈鹏元

0 引言

我国城市轨道交通建设以前所未有的规模和速度发展，建设总里程近10年间增加了3倍。随着城市建设的不断发展，道路拥挤程度的加大，公众对于公共交通出行的依赖性日趋增强。在中小型城市，适用于中运量规模的跨座式单轨系统受到了越来越多的青睐。相对传统轨道交通模式，跨座式单轨系统具有比地铁成本低、工期短，比轻轨高架线路占地少、污染小、能有效利用道路中央隔离带、适于建筑物密度大的狭窄街区的优点，是客流中等的交通线路和中等城市主要交通线路的较好选择。我国当前跨座式单轨设计标准是基于大运量轨道交通系统制定，若以现行标准建设中低运量轨道交通供电系统，会造成投资过高、资源浪费等问题，增加车站占地面积，增大土建规模，直接影响整个系统的投资规模，进而影响到跨座式单轨是否适应于中小城市、中等运量的轨道交通线路，是否可以大规模地推广应用。因此，对不同运量跨座式轨道交通供电系统建设标准、可靠保障等关键技术进行研究具有一定现实意义。

1 外部电源供电方式选择

目前，我国轨道交通供电系统常用供电方式为110/35 kV两级电压集中供电方式和10 kV分散供电方式。集中供电方式系统外部接口少、供电可靠性高、设备维护工作量较大、主变电所一次性建设投入高，但可以通过资源共享降低线网平均建设成本。分散供电方式对城市电网发达程度要求较高、系统外部接口多、设备维护工作量较小、单线投资成本较低，但难以进行资源共享以节约投资。本节将从电源容量、投资影响等方面分析不同外部电源供电方式与不同运量跨座式单轨线路的匹配性。

1.1 电源容量匹配性分析

GB 50157—2013《地铁设计规范》、GB 50458—2008《跨座式单轨交通设计规范》中对集中供电方式110 kV电源作出明确要求，即每座主变电所应有2路独立电源，其中至少有1路为专用电源。实际应用中，为保证轨道交通的可靠运行，大部分城市电网会向主变电所提供2路专用110 kV电源。

从电力系统电压等级划分来看，我国110 kV电压等级属于输电电压等级。在建设220 kV及以上变电站时，110 kV出线间隔作为一种非常重要的电力资源，往往配置高容量的送电设备，单路间隔出线电缆多采用630 mm2截面，修正后经济载流量为688 A，输电能力不小于42 MW。考虑主变电所电源相互支援互为备用的工作方式，当一条轨道交通线路高峰小时需用负荷不超过25 MW时，正常工况下主变电所单路进线负荷小于12.5 MW，不足110 kV线路输电能力的30%。在线路不具备资源共享条件时，采用集中供电方式既不经济也不合理，因此应优先考虑采用分散供电方式。相比较不同运量线路负荷需求，对高运量、大运量以及运力在2.2万人/h以上的中高运量线路，采用集中供电方式较为合理；低运量线路需用负荷较小，采用分散供电方式更为合理。

1.2 工程投资分析

根据北京市轨道交通建设经验，在不考虑自建电缆隧道的前提下，分散供电方式每路10 kV专用电源的投资约为600万元，当需要局部自建电缆隧道时，每路电源投资达1 500万元以上。10 kV电源投资中位数约为900万元/路，分散供电每路外电源的投资中位数在一条20 km的地铁线路需建设6座开闭所，引入12路10 kV外电源，外部电源总计投资约为1.08亿元。

集中供电方式主变电所总投资包含外电线路投资、主变电所本体投资两部分。外电线路投资受城市电源分布、电力走廊建设情况影响，各地差异较大。在国内地铁及单轨线路外部电源平均投资指标中，主变电所投资中位数在1.1亿元/座。一条20 km的地铁线路需建设2座主变电所，外部电源总计投资约为2.2亿元。

以国内已开通或在建的轨道交通线路为例，分别对应高运量地铁线路，大、中、低运量单轨线路，采用相同线路长度进行归算，得出一条长度20 km线路在不同运量、不同制式下的需用负荷容量，结合不同运量线路需用功率和轨道交通建设经验，在不考虑资源共享时，对各条线路采用分散供电和集中供电方式下的外电源投资进行对比，相关数据如表1所示。

表1 不同供电方式外电源投资对比

从表1可以看出：就单条线路而言，分散供电方式投资经济性较好，但对中大运量及高运量轨道交通线路，当考虑2～3条线路资源共享时，集中供电方式线网外电源总投资更具优势；对中低运量线路而言，即使考虑资源共享，分散供电总投资仍具一定优势。

1.3 分析结论

（1）运送能力在1.8万人/h以下的中、低运量跨座式单轨线路宜采用10 kV分散供电方式；

（2）当具备资源共享条件时，运送能力在2万人/h以上的中、大运量跨座式单轨线路宜采用集中供电方式；

（3）当不具备资源共享条件时，运送能力在2万人/h以上的中、大运量跨座式单轨线路宜采用10 kV分散供电方式。

2 中压网络接线方式选择

轨道交通中压供电网络接线多采用大分区双环网接线方式。分散供电线路10 kV电源电缆常用截面为300 mm2，环网电缆常用截面为240 mm2、185 mm2，正常工况下最大载流不超过300 A，供电距离3～5 km，单路电缆平均输电容量1.30 MW/km；故障工况下最大载流不超过550 A，供电距离8～10 km，单路电缆平均输电容量1.06 MW/km。集中供电线路35 kV环网电缆常用截面为300、240、185 mm2，正常工况下最大载流不超过300 A，供电距离10～15 km，单路电缆平均输电容量1.45 MW/km；故障工况下最大载流不超过550 A，供电距离20～30 km，单路电缆平均输电容量1.33 MW/km。采用地铁双环网接线及分区方式的中压网络输电能力与各条线路需用功率指标的匹配情况如表2所示。

表2 双环网输电能力与线路功率指标对比

从表2看出，轨道交通的双环网输电能力与高运量线路负荷需求相匹配，远超中低运量单轨线路需用功率。对客流断面为2.24～2.82万人/h的中运量和大运量单轨线路而言，通过适当减小环网电缆截面并提高供电距离即可使双环网输电能力与线路需用功率相匹配。而对于客流断面为1万人/h以下的低运量单轨线路而言，在10 kV电压等级合理供电半径内，即使采用150 mm2的小截面环网电缆，线路需用负荷仍难以匹配双环网输电能力，此时中压环网接线应考虑采用单环网接线方式，不仅输电能力更加契合线路负荷需求，还能减少电缆用量和开关设备数量，有效降低供电系统投资。

基于上述分析可以得出以下结论：

（1）运送能力在1万人/h以下的低运量跨座式单轨线路宜采用10 kV单环网接线方式；

（2）运送能力在1～1.8万人/h的中运量跨座式单轨线路经技术经济比较后，可采用双环网接线方式；

（3）运送能力在2万人/h以上的中运量、高运量跨座式单轨线路宜采用双环网接线方式。

3 供电系统保障措施

大运量单轨线路和运力较大的中运量单轨线路多采用双电源双环网供电方式。为保障线路正常运行，在工程建设、运营中一般从系统配置、设备选用、设备维护、人员管理4个方面入手，提高供电系统可靠性。相比较而言，中低运量单轨线路采用单环网供电具有显著成本优势，故障情况下该接线方式可通过倒闸作业快速恢复供电，但仍难以满足一级负荷对双电源、双回路供电的高可靠性要求。大运量轨道交通主要依靠高冗余度设备配置、高可靠性设备选用、高质量设备维护和高素质作业人员来保证供电系统的可靠性。4个方面可靠性保障措施中，高质量维护和高素质作业人员属人为因素，可通过加强培训、完善制度、加强监管实现，中低运量单轨运营单位也可以做到；系统设备配置与设备选用属客观因素，直接与建设投资相关。受成本因素限制，中低运量单轨供电系统难以在设备配置冗余度上进行全面提升，只能通过采用高可靠性设备及提升系统部分供电冗余能力来保障供电系统可靠运行。

通过分析中低运量单轨线路牵引负荷及配电负荷特点，结合城市电网10 kV环网供电及参考胶轮有轨电车供电系统设计方案，本文提出2种优化的单环网供电方案，可在节省投资的前提下使供电系统满足一级负荷的配电要求。

3.1 引入城市环网作热备电源的方案

该方案0.4 kV母线采用单母线分段接线方式。供电系统10 kV侧通过环网柜或T接方式引入城市环网或架空线路10 kV电源，经小容量配电变压器降压后作为0.4 kV母线的第2路独立电源，用于一级负荷双电源供电。该方案系统如图1所示。

图1 方案一供电系统

该方案主要特点：

（1）适用于车站数量较少、站间距较大的中低运量单轨线路，非专用电源点引入数量较少，相比双环网供电具有突出的成本优势；

（2）10 kV专用电源具备相互支援的能力，可在N-1故障下通过倒闸作业继续运行；

（3）牵引负荷由10 kV专用电源供电；

（4）正线牵引网采用双边供电，故障时采用大双边供电方式，具备N-1故障运行能力；

（5）信号集中站变电所由2路专用电源供电，10 kV母线采用单母线分段接线方式，保障道岔等信号系统高用电量关键设备的供电安全；

（6）其他车站变电所由1路专用电源和1路非专用电源供电，其中非专用电源仅供一级配电负荷使用，并构成专用电源所带一级配电负荷的热备用电源。

3.2 使用能馈装置作备用电源的方案

该方案0.4 kV母线采用单母线接线方式，在变电所设低压能馈装置作为0.4 kV母线的备用电源。方案系统如图2所示。

图2 方案二供电系统

该方案主要特点：

（1）适用于客流量较小的中运量单轨线路，与传统变电所设备配置方案相比，仅在降压变电所增加小容量能馈装置，即可构成“交流环网+直流牵引网”的双电源供电方式，可有效降低成本；

（2）10 kV专用电源具备相互支援的能力，可在N-1故障下通过倒闸作业继续运行；

（3）正线牵引网采用双边供电，故障时采用大双边供电方式，具备N-1故障运行能力；

（4）信号集中站变电所由2路专用电源供电，10 kV母线采用单母线分段接线方式，保障道岔等信号系统高用电量关键设备的供电安全；

（5）0.4 kV负荷正常情况下由配电变压器供电，配电变压器故障退出时，能馈装置切换为孤岛运行模式，为0.4 kV母线提供备用电源。

4 结语

从上述分析可以看出，中低运量跨座式单轨线路的供电方案选择可遵循以下几点：（1）中低运量跨座式单轨线路宜采用分散供电方式，中压网络宜采用10 kV单环网接线方式；（2）当具备资源共享条件时，中高运量跨座式单轨线路宜采用集中供电方式，中压网络宜采用35 kV双环网接线方式，并可适当降低环网电缆截面、提高环网供电距离；（3）当不具备资源共享条件时，中高运量跨座式单轨线路宜采用分散供电方式，中压网络宜采用10 kV双环网接线方式。

对于中低运量跨座式单轨线路的供电系统优化可遵循以下几点：（1）中低运量单轨供电系统应通过简化设备配置或接线方案，减少设备数量及房屋面积，降低供电系统投资；（2）应结合中低运量单轨线路负荷较轻的特点，采用低成本电源方案解决供电系统一级负荷供配电需求，本文所述2种单环网优化供电方案可提供一定参考。