基于武夷新區有軌電車的線路牽引供電系統總體技術方案研究

李 虎， 赫宏聯， 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

現代有軌電車是一種中低運量的城市軌道交通[1]，供電系統為有軌電車動態運行提供電能， 是重要的基礎設施系統。有軌電車供電系統的安全、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， 通過對國內外現有城市有軌電車線路的調研，對城市有軌電車供電系統技術方案進行了探討，并結合武夷新區有軌電車線路數據開展了供電仿真計算研究工作。

1 供電系統總體結構

1.1 供電方式

武夷新區旅游觀光軌道交通武夷山東站至武夷山景區線起于合福鐵路武夷山東站， 經將口、 興田及仙店片區， 終于公館大橋南橋頭武夷山景區南入口， 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，沈陽市渾南新區現代有軌電車采用10kV 分散供電方式，蘇州高新區有軌電車1 號線采用10kV 半集中供電方式。

本線供電系統采用分散供電方案， 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。電力監控系統由控制中心的電力調度系統、 各變電所內的綜合自動化系統以及聯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、造價低等優點被國內外大量采用。 我國蘇州高新區、天津濱海新區、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 《城市無軌電車和有軌電車供電系統》（CJ/T 1-1999）（表1）， 系統直流標稱電壓為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 直流系統電壓一覽表（單位：V）

目前，我國城市軌道交通供電系統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

2.1 中壓網絡結構

目前， 國內地鐵供電系統中壓網絡多采用雙環網結構。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》（CJ/T1-1999）規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， 為節省工程投資可取消設置降壓變壓器。

2.2 供電分區

有軌電車供電系統中壓網絡供電分區劃分時應考慮因素：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。供電分區劃分越多，技術參數當然能滿足系統正常運行要求，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，供電分區的劃分應在滿足規范要求電壓損失前提下，盡量減少供電分區數量，以節省工程投資。

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，如美國達拉斯地區的輕軌系統、圣地亞哥的地鐵系統。 國內天津市濱海新區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劃相協調，與城市環境相融洽，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，可優先采用逆變至中壓網絡的方式進行能量利用。電容實現國產化后，也可采用電容儲能方案。對于分散式有軌電車供電系統，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

（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中向電動車組供電的直接環節。

（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節。

（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， 每一供電分區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，可將兩供電分區連通，此處稱為分區亭（SP），將分區亭的開關閉合， 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 遠程監控系統

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

每套綜合自動化系統配置以下設備：一套監控單元、一套監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的數學仿真、建模，創建牽引供電網絡的等值電路模型，建立節點導納矩陣并通過潮流計算求解整個供電系統的電壓、電流分布狀況[7]。

6.1 靜態計算

靜態計算基于牽引所、接觸網及走行軌參數，開展網壓分布、網流分布仿真計算。

（1）牽引所參數，見表3。

表3 牽引所參數

（2）接觸網及走行軌參數，見表4。

表4 接觸網及走行軌參數

（3）有軌電車參數，見表5。

表5 有軌電車參數

（4）網壓網流分布，見表6。

表6 網壓分布

表7 網流分布

6.2 動態計算

動態計算的網絡參數與靜態計算一樣，也即牽引所、接觸網及走行軌參數均相同。 仿真時間即發車間隔 （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 上行牽引計算數據（部分）

表9 下行牽引計算數據（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的特點， 探討了有軌電車牽引供電系統總體結構、中壓網絡、牽引變電所和遠程監控系統等方面的技術應用。 結合武夷新區現代有軌電車項目工程設計文件，進行了供電系統仿真計算，論證了系統原理的方案可行性，對后續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方案可用于指導公司內及車輛段直流供電系統試驗線建設， 也可用于相關工程設計人員參考。