现代有轨电车中压环网供电方式的研究

潘天晟



现代有轨电车中压环网供电方式的研究

潘天晟

（中交机电工程局有限公司，北京 100088）

现代有轨电车具有施工周期短、投资总额低、见效快的特点，但随着有轨电车工程的建设，其供电系统的投资依然十分高昂，在设计方案上也不尽相同。本文针对现代有轨电车供电系统设计规范上的空白，从现代有轨电车的特点出发，对现代有轨电车的供电系统设计方案进行了分析。旨在通过与城市轨道交通的对比分析，借鉴其他行业类似供电设计方案的成熟经验，建议外部电源采用10kV分散式供电，中压环网采用单环网形式，并建议环网开关采用负荷开关环网柜替代断路器柜，以达到既满足各机电设备的用电需求，同时又能合理节约投资的效果。

现代有轨电车；供电系统；负荷等级；外部电源；中压环网；环网开关

现代有轨电车在城市交通中扮演着重要的角色，对发展交通、缓解城市拥堵具有重要的意义。在交通越来越便捷的时代，现代有轨电车的功能也日益得到彰显，它既作为城市骨干交通模式，承担大量的公共交通客流；又在城市经济活动密集的中心区域，提供便利的交通服务；同时它又作为快速轨道交通在城市特殊地区的延伸或加密。这些功能让有轨电车受到越来越多的青睐，也让它的建设如火如荼。

新建现代有轨电车的技术标准较高，使其造价不菲。与原先有轨电车的低成本、高效率的优势相左，在推广建设中易收到制约。

在国内现代有轨电车的供电系统设计中，尚未形成统一的设计标准，各家设计院对所执行的标准规范不同，导致供电系统的投资差异较大，同时供电系统在整个现代有轨电车的工程总投资中占比较高（约占10%～15%）。倘若可以借鉴城市轨道交通工程的相关设计经验，结合有轨电车的特点，确定技术经济合理的供电系统方案，是值得每一名设计人员思考的。

1 现代有轨电车的负荷等级确定

对于供电系统来说，确定所供电负载的负荷等级，是重要的环节，决定了供电系统外部电源的引接方式、系统接线和系统运行方式[1]。

1.1 现代有轨电车的运营特点

现代有轨电车作为一种城市中运量交通工具，通常基于城市既有现状进行规划和建设，通常来说，其高峰客流断面最大为7000人次/h，相较于地铁的30000人次/h而言，有轨电车不属于城市中的大运量交通工具。因此，即使由于城市电网的因素，中断运营时，其对公众的出行影响也并非是决定性的，对城市的整体运行也并非是冲击性的。可以通过应急预案，组织相应的接驳公交等手段，对有轨电车的客流进行疏解。

此外，现代有轨电车大都采用100%低地板或70%低地板车辆，车辆地板距离地面不高，不需要设置高站台乘降乘客。因此，即使在车辆遇到停电的状况时，也可以在第一时间组织乘客有序疏散。而空载状态下的车辆，也可以通过救援车辆牵引的方式，撤离路口等重要交通路段，避免对城市地面交通造成影响。

1.2 负荷等级的确定

参照GB 50052《供配电系统设计规范》中的相关要求，对一级负荷的定义，主要是根据其失去供电后，是否会造成人员伤亡、经济上的重大损失、重大政治影响或公共场所的秩序混乱。根据现代有轨电车的运营特点，现代有轨电车的牵引负荷可以确定为二级负荷较为适宜。

2 外部电源引接方案

现代有轨电车的外部电源一般引接自城市电网，大多采用10kV或35kV的电压等级向现代有轨电车的中压环网供电[2]。具体采用何种电压等级，应根据线路情况、供电范围、供电能力、外部电源分布状况来进行综合分析，详见表1。

表1 10kV与35kV外电源电压等级对比表

通过对比可以发现，10kV作为外部电源对现代有轨电车供电系统的适应性较好，技术经济指标优于35kV电源。

伴随国家电网和南方电网逐步推行20kV电压等级的要求，不少南方城市已开始在城市电网中采用20kV电压。在已采用20kV电压等级的城市中建设有轨电车时，宜优先考虑采用20kV电源作为外部电源，并采用20kV中压环网，以减少远期对中压环网系统进行更新改造，造成不必要的投资浪费。

3 现代有轨电车的中压环网方案

在现代有轨电车的中压环网设计方案中，通常有单环网和双环网两种结构形式。单环网具有环网电缆数量少、变电所主接线简单、高压开关设备少、变电所占地少、投资节省、继电保护方案简单，但可靠性不如双环网的特点；双环网具有较高的可靠性，但网电缆数量多、变电所主接线形式较复杂、高压开关设备数量较多、占地面积较大、投资较多和继电保护方案较复杂的特点[3]。

通过对现代有轨电车的运营特点和机电设备系统的负荷等级划分，对中压环网的结构宜满足-1原则校验供电可靠性。其校验成果见表2。

表2 中压环网N-1校验方案表

综上所述，现代有轨电车的中压环网，应根据电源分布情况，合理确定每处电源的供电范围，合理划分供电分区。各供电分区间设置互相支援的环网联络开关。正常运行时，各环网联络开关打开，在故障状态下，闭合环网联络开关，实现支援供 电[4-5]。中压环网采用单环网接线即可。

4 一种新型中压环网供电模式的探讨

4.1 环网开关选型分析

现在，国内现代有轨电车的中压环网供电模式，仍然沿袭城市轨道交通的中压环网供电模式，即每处电源点向沿线路两侧的方向供电，相邻电源的供电分界一般在两个电源间。在中压环网开关的选择上，仍然以断路器作为环网开关。

在城市轨道交通中采用断路器作为环网开关：①因为断路器可以迅速切除故障线路，缩小停电范围，保障系统可靠运行；②通过定值，解决环网内多台断路器的保护配合问题。

在现代有轨电车工程中，由于有轨电车不新建电源系统，其中压环网直接引接自城市电网。因此，在保护配合上，需参考城市电网的保护定值和动作实现。

在华东地区，通过对10kV系统的接入设计工作，发现大部分城市电网的10kV出线均采用电流速断作为一段保护。其整定值一般包含动作时限和动作电流值。华东地区电网10kV出线保护定值见表3。

表3 中压环网N-1校验方案表

若电源侧的电流速断动作时限为0s时，由于环网电缆短路或变电所10kV母线短路等情况下，其故障电流可达到2～15kA。此时，无论中压环网采用何种保护配置，都无法躲过上一级断路器的动 作[6]。即便采用光差保护，也无法保障在电源侧断路器动作前，可靠切除故障。

若电源侧的电流速断动作时限为0.2～0.5s。可在中压环网内部增加一级极差，来切除故障。但此时中压环网内部可以耐受短时的故障电流，只需通过电源引入变电所的出线断路器切除故障即可。

综上所述，中压环网中的环网开关并非必须采用断路器。

4.2 采用负荷开关环网柜做环网开关的可行性

在国铁较大的货场、编组站等车站中，铁路电力系统通常采用站内环网供电的方式，在环网开关的选择上，通常选用SF6绝缘的负荷开关柜做环网柜[7]，变压器侧通常采用负荷开关加熔断器的保护方案。

随着制造工艺的不断成熟，产品可靠性的不断上升，近年来，不仅仅是铁路行业，就连电力行业也在推广采用将10kV SF6绝缘的负荷开关柜做环网柜的方案。这种环网柜其额定电流一般都可达到630A或1250A，短时耐受电流可达20kA（3s）。同时，由于采用SF6绝缘，使得柜体紧凑，免于维护，还可采用电动操作的特点。SF6绝缘的负荷开关柜其造价仅为一台断路器柜的1/2。

在电气功能上，SF6绝缘的负荷开关柜足以满足现代有轨电车的中压环网运行要求。在体积上，得益于紧凑的柜体结构，使其占地面积更小，在用地紧张的城市中，有更好的适应性。在工程造价上，SF6绝缘的负荷开关柜更为经济。

4.3 工程应用案例

鞍山有轨电车千山线项目全长约23km，沿线共设置12座车站，车辆采用镍碳电容电池储能的现代有轨电车。

本线供电系统采用分散式供电方式，全线分3处，共引进6回10kV电源，中压网络采用双环网接线。在各电源引接站设置10kV开闭所；在各车站设置降压变电所。中压环网接线形式如图1所示。

在本工程中，由于车辆储能能力较强，仅需在首尾车站设置牵引充电设施，因此仅在首尾车站和车辆段内设置了牵引变电所，各牵引变电所与10kV开闭所合建。10kV开闭所采用断路器作为开关；沿线各降压所采用SF6绝缘的负荷开关作为环网开关。

图1 中压环网接线形式图

采用此方案后，在保证系统安全可靠运行的同时，中压环网的运行方式得到了简化，优化了继电保护设置方案。同时，对比各站设置10kV断路器作为环网开关的方案，累积节约投资550万元。取得了良好的工程经济效益。

5 结论

1）现代有轨电车的牵引负荷的负荷等级宜为二级负荷，其余各机电设备的负荷等级应参照相关设计规范进行划分。

2）现代有轨电车的外部电源一般应采用10kV电压等级，中压环网采用单环网结构，可以考虑采用SF6绝缘的负荷开关柜代替断路器柜作为环网开关。

[1] 于松伟, 杨兴山, 韩连祥, 等. 城市轨道交通供电系统设计原理与应用[M]. 成都: 西南交通大学出版社, 2008.

[2] 何斌. 现代有轨电车中压网络接线方案[J]. 都市快轨交通, 2015, 5: 82-85.

[3] 张帅, 常娜娜. 配电自动化系统分析及改进方案[J]. 电气技术, 2017, 18(7): 66-68, 77.

[4] 高杰. 基于高供电可靠性的馈线自动化优化方案研究[D]. 淄博: 山东理工大学, 2014.

[5] 张利, 李萍. 配电网在线故障定位方法研究[J]. 电气技术, 2017, 18(9): 49-52.

[6] 刘顺桂, 黄超, 唐义锋, 等. 配电网区域保护原理研究与实施[J]. 电气技术, 2017, 18(1): 99-103.

[7] 蔡树立. 智能型环网柜测控保护终端的研究开发[D]. 武汉: 华中科技大学, 2003.

Research on power supply mode of medium voltage ring in modern tram

Pan Tiansheng

(CCCC Mechanical & Electrical Engineering Company Ltd, Beijing 100088)

Modern trams have the characteristics of short construction period, low total investment and quick performance. However, with the construction of tram project, the investment of power supply system is still very high, and the design scheme is not the same. In this paper, according to the characteristics of modern trams, the design scheme of power supply system of modern tram is analyzed. Based on the comparative analysis of urban rail transit, this paper draws on the mature experience of similar power supply design in other industries. This paper recommends that the external power supply using 10kV decentralized power supply, medium voltage ring network with a single ring network form, and suggests that the ring switch using load switch ring network cabinet instead of circuit breaker cabinet, to meet the electrical and mechanical equipment requirements and save the effect of investment.

modern tram; power supply system; load level; external power supply; medium voltage ring network; ring switch

2018-06-04

潘天晟（1986-），男，上海人，本科，工程师，主要从事铁路、城市轨道交通的牵引供变电设计工作。