青岛城阳区现代有轨电车示范线供电方案

王凯建

（北京城建设计发展集团股份有限公司，北京 100061）

有轨电车诞生于1881年的德国，距今已有130多年的历史，经历了诞生、发展、衰退再到复兴的 4个阶段。现代有轨电车的复兴，得益于其本身技术的革新，与传统有轨电车相比，它具有高运量、快速、美观、节能、人性化等多个优点。现代有轨电车的复兴始于20世纪80年代的欧美发达国家，目前我国多个城市已开通或正在建设、规划现代有轨电车，主要包括上海、苏州、北京、深圳、沈阳、广州等。

在此背景下，依托青岛市本土城市轨道交通产业化优势，城阳区率先建成的现代有轨电车示范线工程为青岛市乃至山东省第1条有轨电车线路，采用四方股份公司研制的 3模块100%低地板车辆，具有较好的产业示范作用。

1 国内现代有轨电车供电方式

目前国内外较为成熟的现代有轨电车供电方式主要分为4种：架空接触网供电、超级电容供电、APS地面供电、电磁吸附式地面供电。其中APS地面供电和电磁吸附式地面供电均为地面分段供电方式，分别为不同的制造商提出的供电方式。

1.1 架空接触网

架空接触网为传统供电制式，可靠性高，技术成熟，道路适应性好，全天候运行能力强，但是对景观、线路上方净空等影响较大。根据结构形式不同，架空接触网可分为柔性悬挂架空接触网和刚性悬挂架空接触网，现代有轨电车一般以地面线路为主，选用的接触网悬挂方式多为柔性悬挂。

1.2 超级电容供电

超级电容具有功率密度高、充放电速度快、循环寿命长、性能稳定等优点，可在有轨电车车辆上设置超级电容装置作为储能装置。在线路适当位置（一般结合车站）设置充电装置，通过车顶受电弓为超级电容快速充电。超级电容在充电时进行快速储能，在车辆运行时放电，为车辆提供动力。

1.3 APS地面供电

APS地面供电系统采用阿尔斯通的地面分段供电方式。系统由深埋于地下的多个电源箱、分段接触轨、车载集电靴、天线等组成。其工作原理可看作将普通地铁第三轨供电分成若干相互绝缘的导电轨，安装于走行轨之间。在沿街路段敷设常规的接触轨很危险，APS地面供电方式则消除了这一危险，当车辆通过时，通过感应装置使特定某段接触轨带电用于给车辆供电，该通电的轨段位于车体下方并被车体包围，从而避免人员触及发生触电危险[1]。

1.4 电磁吸附式地面供电

电磁吸附式地面供电系统采用安塞尔多的地面分段供电方式。该供电方式由车载受流器与埋于轨道中的供电装置构成，二者通过磁力相互作用，使得车辆通过某段轨道时，该轨道与电源正极导通，车辆驶离该处轨道时，轨道与安全负极导通，保证无车时的供电安全[2]。

1.5 不同供电方式比较

从景观、工程适应性、技术成熟度、设备供货周期、造价、国产化等方面，在系统制式为钢轮钢轨现代有轨电车的前提下，对不同供电制式进行综合比选，如表1所示。

表1 不同供电方式优缺点比较Tab. 1 Comparison among several types of power supply modes

APS地面供电和电磁吸附式供电均受车辆形式制约，不适用于城阳现代有轨电车示范线工程。综合考虑车辆选型、沿线道路情况及景观需求等因素，经比选后确定城阳有轨电车示范线采用成熟可靠的架空接触网供电方式。

2 城阳有轨电车牵引供电系统设置方案

现代有轨电车与传统有轨电车相比具有很大的不同，早期发布的针对城市有轨电车/无轨电车的规范已不能完全适用于现代有轨电车的建设，因此在建设中多参考中大运量城市轨道交通的设计标准进行简化设计，不能完全匹配现代有轨电车的特点。下面针对青岛城阳区现代有轨电车制式特点，对其供电系统关键点进行分析。

2.1 负荷等级及中压网络设置

2.1.1 负荷等级的确定

根据供配电系统设计规范（GB 50052—2009）规定，确定一级负荷的主要因素是在中断供电后，造成人身伤亡、经济上的重大损失或公共场所秩序严重混乱[3]。参照城市无轨电车和有轨电车供电系统规范（CJ/T 1—1999），有轨电车的供电负荷等级应被列为交流电源的一级或二级负荷[4]。负荷等级的确定需要根据各工程的具体条件进行分析。

1）系统运能

现代有轨电车运输能力介于轻轨及公共汽车之间。一般双铰接列车单向运能为0.6万～0.7万人次/h，一定情况下，可以实现更长组合模块列车运营，单向运能可达到1.5万人次/h，运输能力更为突出[5]。

城阳有轨电车示范线初近远期均采用3模块编组，远期最小行车间隔为 3 min，最大客流断面为0.58万人次/h，系统运能为0.61万人次/h[6]。整体来看，当该工程由于停电造成运行停止时，对公众出行的影响并非是决定性的，对城市交通的整体运行也并非是冲击性的。

2）系统制式

本工程车辆采用中车四方股份生产的100% 低地板有轨电车，车门踏板距离地面高度为 345 mm，方便乘客上下车；线路沿道路中间敷设，且均为非封闭区域；同时车辆上配置了车门紧急解锁装置，一旦由于城市电网原因突然停电，可以在区间或车站立即疏散乘客。在空载状态下救援车辆时，如果车辆丧失动力，可以采用人员推动或救援车辆牵引等方式，离开平交道口等重要区段，避免对城市交通的影响。

因此，鉴于本工程低地板的优势及非封闭线路运行的特点，可保证车辆失去动力停车时快速疏散乘客，不会对城市交通造成较大影响。

3）城市电网条件

近些年，远程高压输变电及地方光伏、风力发电设施的发展使青岛市电网的电源点数量大大增加，这就保证了在部分输电线路电源点故障退出时，系统仍然具备足够的能力保障城市用电，大大提高了青岛市电网的可靠性。青岛城市电网共有 500 kV变电站 4座、火力发电厂2座及大型风力发电厂7座，500 kV、220 kV及110 kV电压级成环，配电电压级以35 kV及10 kV为主，城区公用变电站全部达到“N–1”准则要求，电网建设较为完善，具有较高的可靠性。因此，示范线即使按照二级负荷配电，在城网变电站一路电源失去时，通过联络开关的投切或调整运行方式也可以保证示范线不会中断运行。

从城市电源引入来看，一级负荷需要双电源双回线路配电，其设备投资较高且占用较为紧张的城市电力管廊资源；同时，一级负荷电源需要缴纳高可靠性供电费（山东省规定10 kV架空线高可靠性供电费按160元/kVA进行征收，电缆线路按架空线路的1.5倍征收），而二级负荷不需征收高可靠性供电费。城阳有轨电车示范线报装容量为 6 625 kVA，若按一级负荷供电，需要多缴纳106万元高可靠性供电费。

4）小结

鉴于城阳现代有轨电车示范线的低运量、开放线路、低地板等特点，将其定义为二级负荷是合适的。中断供电后，区间列车停运并就地迅速疏散，不会造成人身伤亡、经济上的重大损失或公共场所秩序严重混乱。城阳有轨电车示范线共设置两处10 kV电源引入点，分别自城网110/10 kV文阳路变电站、田村变电站各引入一个10 kV电源。两座地区变电站均为两台主变接线，10 kV侧设置母线联络开关，具有较高的供电可靠性。

2.1.2 中压网络接线形式

目前现代有轨电车中压网络接线方案主要有10 kV电源直供方案（各变电所间无联络）、双回路10 kV电源+双环网供电方案、单回路10 kV电源+单环网供电方案、双回路10 kV电源+单环网供电方案[7]。4种方案各具特点，适用于不同条件的线路，在工程实施时可结合具体情况选择最合理的供电方案。

无论是一级负荷还是二级负荷，应选择与之相匹配的中压网络接线方式，才能使其外电源方案的合理性得到最大限度的发挥。根据城阳有轨电车示范线负荷等级及特点，本工程采用了单环网接线方式，每个供电分区引入1个外电源，相邻外电源之间设置应急联络开关，详见图 1。外电源进线开关采用断路器保护，环网联络开关采用负荷开关。单环网接线方式指每个供电分区至少有1个电源作为分区的备用电源，以满足中压网络（N－1）故障原则下的正常运行。由于采用单环网接线方式，本工程2个外电源引入点分别位于线路末端，确保了单环网的完整性与供电的可靠性。

图1 城阳有轨电车示范线中压网络接线图Fig. 1 Single-line diagram of a medium voltage network

2.2 直流牵引供电主接线

直流牵引供电主接线方案的选择主要考虑满足系统可靠性、灵活性及经济性3方面因素。目前采用的主接线方案有单机组单母线、双机组单母线、双机组双母线，选用的形式需要结合工程的具体需求进行比选确定[8]。

1）方案1——单机组单母线方案

方案1主接线采用单机组单母线系统方案，设1套牵引整流机组及工作母线。进线采用直流快速断路器，并设置两路直流馈出线为牵引网供电。线路大小里程侧的上下行牵引网采用并馈供电，变电所出口处设置电分段，并以纵向电动隔离开关进行连接。接线方式见图 2。优点：一次和二次接线都很简单，与双机组方案相比基本可减少一半的设备，投资少；调度和运营维护方便。缺点：没有备用开关，任一馈出开关故障时需要进行大双边供电。

图2 单机组单母线方案Fig. 2 Single-bus configuration with a single transformer-rectifier unit

2）方案2——双机组单母线方案

方案2主接线采用双机组单母线系统方案，设2套牵引整流机组及工作母线。两路进线采用直流快速断路器，并设置四路直流馈出线为牵引网供电。上行和下行同一馈电区电分段处设有纵向电动隔离开关。接线方式见图3。优点：单母线系统接线比双母线系统简单，和双母线形式相比，节省1条备用母线、1台备用开关和4台电动隔离开关，投资少。缺点：投资较高，没有备用开关，任一馈出开关故障时需要进行大双边供电。

图3 双机组单母线方案Fig. 3 Single-bus configuration with double transformer-rectifier units

3）方案3——双机组双母线方案

方案3主接线为双机组双母线系统方案，设2套牵引整流机组、工作母线和备用母线。两路进线采用直流快速断路器，并设置四路直流馈出线为牵引网供电，工作母线和备用母线之间设直流备用开关。上行和下行同一馈电区电分段处设有纵向电动隔离开关。接线方式见图 4。优点：工作母线和备用母线间的备用开关，可以代替四路馈线开关中的任何一个，具备馈出开关的所有功能，属于热备用的直流馈出开关，具有很高的可靠性。缺点：设备接线复杂、投资高；保护配置和运行方式都比较复杂，对运营调度和检修维护要求高。

图4 双机组双母线方案Fig. 4 Double-bus configuration with double transformer-rectifier units

4）小结

对于上述3种直流牵引供电主接线方案，从可靠性、灵活性、经济性及二次接线的复杂性等几个方面进行比较，详见表2。

表2 直流牵引主接线优缺点比较Tab. 2 Comparison among the DC traction system wiring

3个接线方案均可以满足城阳有轨电车示范线工程的需求。从可靠性上来说，目前轨道交通用直流断路器技术已经非常成熟，在很大程度上提升了主接线的可靠性；无论哪种接线形式，通过闭合纵联开关由相邻所实施大双边供电均能满足有轨电车的运行需求。从灵活性上来说，灵活性越大也就意味着操作越复杂，对运营调度人员要求也越高；在3个方案均可以满足系统运行要求的前提下，优先考虑接线简单的单机组单母线方案，更适用于示范线工程简单、快捷、运维便利的特点。从经济性上来看，方案1最为简单、节省设备，其经济性也最好；同时，接触网上下行采用并联形式，进一步简化了系统接线，投资约为双机组单母线方案的一半，双机组双母线方案投资最高。

城阳现代有轨电车示范线工程的运输能力介于轻轨及公共汽车之间，在城市公共交通中承担的运量并不突出，仅作为环保、便捷的一种公共交通形式而存在。因此，其直流牵引供电主接线方案以简单、经济、可靠为主，并具备一定的灵活性，单机组单母线接线形式为首选。

2.3 牵引变电所间距控制

牵引变电所的布点应考虑牵引网电压等级、牵引网电压损失、杂散电流腐蚀防护、钢轨电位，此外还要考虑牵引网能耗、土建造价及运营维护管理的便利性等因素。中大运量城市轨道交通线路为全封闭线路，且杂散电流防护条件较好、运营维护管理要求高，因此牵引变电所布点首先考虑牵引网电压损失、钢轨电位、土建和设备投资以及运营维护的便利性等，兼顾杂散电流防护等其他因素。而有轨电车为开放式线路，走行轨敷设在硬化路面或绿化带，其杂散电流腐蚀防护及钢轨电位的防护都比较困难，因此应从根本上降低杂散电流泄漏量及钢轨电位，即在牵引变电所布点时这两个因素需要重点考虑。

因此，国内有轨电车有关规范规定“市内轨道上任何两点间的平均电压降不应超过2.5 V；市内任何一段轨道上的平均电压降，每100 m线路不应超过0.35 V；郊区轨道网络上任意两点间的平均电压降、每公里线路不得超过2 V”。在城阳有轨电车示范线设计中，按满足钢轨电压降条件进行计算，确定合理的牵引变电所间距。

其中：U为牵引网系统电压，0.75 kV；W为每千米年牵引能耗，kWh，根据平均运量法进行计算为6.56×105kWh；I为年平均电流，A。

从上述公式可以算得，城阳有轨电车平均电流 I为99.8A。

其中：Um为牵引区段内任意两点之间最大电压降，V；R为钢轨单位电阻，Ω，采用50 kg/m钢轨单位电阻为0.02 Ω/km；L为任意两点间距离，km。

根据规范要求Um应小于2 V，从上述公式可以算得，L不大于1.4 km方能满足此要求。此时牵引变电所间距D = 2L = 2.8 km。

其中：Ue为每千米平均电压降，V。

根据规范要求Ue应小于2 V，从上述公式可以算得，L不大于2.0 km方能满足此要求。此时牵引变电所间距D = 2L = 4.0 km。

上述两者取较小值，即牵引变电所间距应按不大于2.8 km进行控制，市区内可适当放宽间距。除此之外，示范线工程在变电所选址时还综合考虑牵引网网压、土建选址条件、进出线路由、运营维护等多方面因素，确定牵引变电所布点方案，最大牵引变电所间距为2.4 km。

由于各工程车辆选型、车辆单位能耗、列车编组、行车计划等参数各不相同，从考虑杂散电流腐蚀防护的角度出发，现代有轨电车牵引变电所间距建议为2～3 km。

2.4 接触网线索优化

现代有轨电车主要设置在市区内或开发区的街道，沿线对景观要求较高。若采用架空接触网供电制式，应尽量简化接触网的架空线索，以降低对周边景观的影响。目前国内已建成的有轨电车线路采用架空接触网时均设置了架空地线，并抬高兼做避雷线。对国内轨道交通线路架空接触网遭雷击情况进行调研发现，由于受周边建（构）筑物的遮挡，地面线鲜有出现接触网遭雷击的情况；而部分高架线路由于架设高度比较高、周边比较空旷，出现了雷击现象。但雷击并不仅仅作用在架空地线上，同样出现了直接作用在接触线上的情况。由此可见，即使设置架空地线，也不能实现直击雷的完全防护。

城阳有轨电车示范线位于青岛市城阳区，青岛市雷暴日为22.4 d/a，属于少雷区[9]。同时线路主要位于城阳区春阳路上，沿线多为高大建筑物，道路两旁设置有路灯，对于防直击雷可以起到一定的作用。经多次论证后，确定示范线不设置架空地线，以减少架空接触网线索，同时采用双重绝缘措施（绝缘定位管+绝缘腕臂）解决污秽条件下的爬电及闪络问题[10]。取消架空地线后，架空线索仅余上、下行各一根接触线，其景观效果较好，详见图5、图6。

图5 城阳有轨电车示范线架空接触网双绝缘结构Fig. 5 Double insulation structure of the overhead contact wire

图6 城阳有轨电车示范线架空接触网（无架空地线）Fig. 6 Overhead contact wire without the overhead earth wire

3 结语

与公交及传统有轨电车相比，现代有轨电车具有高运量、快速、美观、节能、人性化的特点，在城市公共交通中具有一定的地位；但其运量低于中大运量城市轨道交通。因此，在现代有轨电车设计及建设中，不应生搬硬套中大运量城市轨道交通线路的供电模式及技术标准，应根据其线路定位及制式特点确定合理的牵引供电方案。同时，系统方案的设置应在满足安全可靠的条件下，力求做到简单适用、节能环保、运维便捷。