胶轮有轨电车交通的供电研究

■ 王彦利

0 引言

胶轮有轨电车交通的车辆采用橡胶轮胎实现行驶和导向，主要用于小运量和短距离的公共交通，一般采用高架方式敷设，具有安全可靠、便捷高效、经济实用、环境友好、建设成本低、建设周期短、运营维护方便等优点，在我国大、中、小城市获得广泛认可。

胶轮有轨电车采用车载动力电池储能供电，在车场、终点车站和存车线等场所充电，其牵引供电需求与当前地铁、轻轨和有轨电车不同。胶轮有轨电车交通的高架车站结构轻盈、小巧，用电设备少、负荷容量低，停电影响较小，其低压配电需求与当前地铁、轻轨和有轨电车等也存在较大差异。胶轮有轨电车交通供电系统是关乎运营安全性、可靠性、高效性和经济性的重要系统，难以照搬当前地铁、轻轨和有轨电车的标准规范和技术方案，需要基于负荷特点和供电需求进行量身定做的系统研究，提出安全可靠、技术可行、经济实用、运营方便的技术方案。

1 电力负荷及供电要求

1.1 车站低压负荷

胶轮有轨电车交通的车站规模较小，长度一般为30～40 m，宽度约14 m，用电负荷的数量少、容量小。车站的重要负荷主要包括通信信号系统、综合监控系统、自动售检票系统、站台门、电梯、应急疏散设施、降压变电所用电和照明设备，这些负荷若中断供电，可能产生人员安全问题或影响正常交通秩序，需要保证供电的可靠性。对于重要负荷中与安全生产相关的负荷，应由2路电源供电，或者设置电池储能装置，作为低压备用电源[1]。

车站的一般负荷主要包括广告设施和清扫设备等，停电影响不大，当系统故障时可以停止供电。

1.2 车场低压负荷

胶轮有轨电车交通采用状态检修的理念，车场规模较小，检修设备的规格和数量也相应较少，用电负荷数量和容量都较小。车场的重要负荷主要包括通信信号系统、综合监控系统、降压变电所用电和照明设备，以及弱电机房空调和降压变电所风机等，这些负荷都是交通系统正常运行的保证，需要较高的可靠性。对于重要负荷中与安全生产相关的负荷，应由2路电源供电。

车场的一般负荷主要包括生活设施和清扫设备等，停电影响不大，在正常情况下应保证可靠供电，当1路电源退出时可以中断供电。

1.3 列车充电负荷

胶轮有轨电车交通的列车充电容量为150～200 kW，充电时间1．5～2．0 h。列车充电负荷是交通系统正常运行的重要保证，需要较高的可靠性。

工程中一般在车场、首发车站、终点车站和存车线车站设置充电装置，充电装置的低压电源就近引自降压变电所，每套充电装置的容量应满足1列车的充电需要，同一车站或车场的充电装置之间应能够相互支援。

为了提高车场内列车充电的可靠性和灵活性，充电装置应分别接在降压变电所的不同低压母线上。如需要提高始发车站、终点车站和存车线车站的充电可靠性，全线可以配置1台移动应急充电车。

2 电源选择

胶轮有轨电车交通的普通车站负荷约为50 kVA，设置充电装置的车站负荷为200～400 kVA，车场负荷为2×（800～1 250 kVA），线路全长10 km时的全线负荷约为5 000 kVA。

单个车站的电力负荷约为50 kVA，如果就近引入交流0．4 kV电源，在供电可靠性、工程成本、实施可行性和维护方便性等方面均不合理，工程建设时除非迫不得已，均不应采用，对于全线车站和车场更不能推广。

为了保证供电可靠性和经济性，胶轮有轨电车交通的供电应充分依靠电力系统，不应建设主变电所和开闭所，进线电源应选用当地电力系统的配电电压，交流10、20、35 kV均合理可行，全线引入不少于2路的中压电源，设置内部中压供电网络，实现全线的供电[2]。

胶轮有轨电车交通工程与地铁或轻轨换乘或邻近时，也可从地铁或轻轨的供电系统引入交流10、20、35 kV电源。

3 供电网络

地铁和轻轨工程供电系统的中压供电网络一般选择双环网形式。有轨电车工程供电系统的中压供电网络部分选择双环网形式，部分选择单环网形式。

以全长约10 km的胶轮有轨电车交通工程为例，其双环网供电网络方案见图1，单环网供电网络方案见图2，2种供电网络方案的技术经济性比较见表1。

从表1分析可见，单环网供电形式满足工程的可靠性要求，在工程投资、运营成本、工程管理和运营管理方面均具有显著优势。另外，胶轮有轨电车交通系统的车辆采用电力电池储能供电，故障列车能够依靠其他列车推行到车站，而且区间设有便捷、安全的疏散平台，有条件适当降低对供电可靠性的要求。因此，选择单环网供电方式是合理的。

图1 双环网供电网络

图2 单环网供电网络

表1 双环网供电与单环网供电的技术经济比较

4 降压变电所

4.1 车站降压变电所

每座车站均设置1座降压变电所，从供电网络引入2路中压电源，当1路电源退出时，另1路电源不应同时受到损坏。考虑胶轮有轨电车交通的客流量较小，行车故障对城市整体交通的影响不大，而且电力系统的可靠性日益提高，车站低压供电的可靠性适度即可。为了简化系统、降低工程投资、减少运营维护工作，中压和低压侧均采用单母线接线。为了保证车站部分重要负荷2路电源的需要，降压变电所设置1套动力电池储能电源装置。

车站需要向列车充电时，在降压变电所内设置充电装置，充电装置的电源引自降压变电所的低压母线。车站降压变电所的主接线见图3。

4.2 车场降压变电所

胶轮有轨电车交通的车场规模不大，但是担负着全线控制指挥、列车充电、运行维护等重要职能，而且工作人员众多，供电可靠性要求更高、用电容量更大。车场需要设置降压变电所，供电网络引入2路中压电源，正常时2路电源同时供电，1路电源退出时另1路电源支援供电。为了提高供电的可靠性和灵活性，中压和低压侧均采用单母线分段接线。

车场需要向列车充电时，在降压变电所内设置充电装置，不同充电装置的电源应分别引自降压变电所的不同低压母线。车场降压变电所的主接线见图4。

图3 车站降压变电所主接线

图4 车场降压变电所主接线

5 列车充电装置

列车充电装置从降压变电所引入交流0．4 kV电源，输出直流640 V充电电源，通过列车车载取流器向动力电池充电。充电装置应满足列车2 h内充满电能的容量要求，为了减少工程投资和设备占地面积，充电装置应具备向多列胶轮有轨电车顺序充电的能力。

5.1 变流器

变流器是实现交直流电能变换的电力电子设备，输入交流0．4 kV电源，输出直流充电电源，输出的充电电流和充电电压均可以按照动力电池的充电特性控制。变流器应采用金属封闭柜式结构，布置在车站或车场的降压变电所设备房内。

5.2 授流器

授流器是充电装置与车辆间实现电流传导的接口部件，车辆上分别设置正极和负极取流器，对应车外同时设置正极和负极授流器。授流器必须满足车辆充电时电流（正常和故障）的通流和电压（正常和故障）耐受要求，还必须耐受环境中可能出现风、雨、雪、冰、异物等的影响。在技术和经济条件允许时，授流器应优先考虑安装在车辆顶部，并应参照车辆受电弓和集电靴的标准进行全套试验检验。

6 综合接地

胶轮有轨电车交通工程中，在车站、车场和区间的有限空间内，乘客与运营管理人员同在，强电设备与弱电设备并存，设备系统之间管线联系紧密、电磁关系复杂，不同系统不能实现分别独立接地，必须采用综合接地方式[3-4]。

胶轮有轨电车交通工程采用综合接地方式，要求将全线车站、区间和车场的接地进行可靠的金属连接，使整个系统构成整体连通的综合接地系统，全线的所有强电设备、弱电设备、人员安全和防雷接地均与综合接地系统合理、可靠地连接。

6.1 车站接地

车站综合接地系统需要同时满足强电设备、弱电设备、防雷和人员安全的接地需要。强电设备的接地要求接地电阻不应大于2 000/I（I为系统单相接地的短路电流，kA）。弱电设备接地时，接地电阻宜适当减小，且接地引出点与强电系统接地引出点及防雷接地引出点之间的距离不小于15 m。防雷接地中要求接地装置的冲击电阻小于4 Ω。人员安全接地的主要要求是保证接触电位和跨步电位小于人体耐受水平，同时合理实现等电位连接。

因此，每座车站应设置1个综合接地网。综合接地网可以利用建筑结构钢筋作为自然接地体，也可以另外增设与自然接地体可靠连接的人工接地体，接地电阻一般不应大于1 Ω，强电系统接地引出点与防雷接地引出点之间的距离不应小于15 m，同时核算接触电位和跨步电位满足要求，在人员密集的积水场所设置等电位连接。

为了有效降低全线各车站的接地电阻数值，提高全线供电系统机电保护的可靠性、选择性和灵敏性，应将全线车站、车场的接地装置用金属导体可靠连接。

6.2 车场接地

车场综合接地系统的技术条件与车站基本相同，制式接地网占地面积允许更大一些，其工程方案与车站相同。

6.3 区间接地

区间的主要设施包括轨道梁、疏散平台、强电环网电缆、弱电环网电缆和通信天线。轨道梁和疏散平台均为金属材料或混凝土构成，不需要考虑接地等安全问题。强电环网电缆和弱电环网电缆均设有金属铠装层，金属铠装层应在车站与综合接地网可靠连接。通信天线等弱电设备的外壳需要就近可靠接地。

为此，胶轮有轨电车交通工程应在沿区间桥梁设置接地导体，用于沿线弱电设备的接地，接地导体的两端均应在车站与综合接地网可靠连接。

7 结论

（1）胶轮有轨电车交通的供电系统应接线简单，达到合理的可靠性水平，严格控制工程投资，减少运营维护工作量。

（2）供电系统的电源应优先选用当地电力系统常用的中压电源，设置覆盖全线的中压供电网络，中压供电网络应采用单环网方式。

（3）每座车站均应设置降压变电所，中压侧和低压侧均采用单母线接线，向重要负荷和一般负荷供电，为提高相关安全负荷的供电可靠性，变电所内可设置动力电池储能的备用电源。车场均应设置降压变电所，中压侧和低压侧应采用单母线分段接线，保证列车充电装置和控制中心的双电源可靠供电。

（4）供电系统的充电装置应安全、可靠，为了节约工程建设成本，变流器应具备向多列列车充电的灵活供电方式，授流器应适应各种充电工况和自然环境的条件，并谨慎选择列车下部的地面授流形式。

（5）胶轮有轨电车交通的每座车站均设置综合接地网，车场设置综合接地网，区间设置贯通接地导体，利用区间贯通接地导体和强弱电电缆金属铠装层将全部接地网连通，构成全线综合接地系统。