黄帝陵观光小火车供电系统设计

张明锐 吴严严 曾国锋 王国强

(1.同济大学电子与信息工程学院，201804，上海；2.同济大学磁浮交通工程技术研究中心，201804，上海//第一作者，教授)

目前，陕西省黄陵县黄帝陵景区的公交运输能力已不能满足需求，为此，相关管理部门决定建设1套观光小火车交通系统(以下简为“观光线”)，以提供轻便快捷的客运服务，又能为游客提供一个舒适的观光平台[1]。由于跨坐式单轨的造价和运营费用低、对环境影响小,其维护简单，且能适应小半径曲线、大坡度的特殊环境[2]，故观光线选择了跨坐式单轨型式。考虑到系统的供电安全性和黄帝陵景区的美观性要求，跨坐式单轨系统采用接触轨供电方式。本文结合黄帝陵的线路工程特点，参考地铁和有轨电车的设计经验，对观光线供电系统的设计方案进行总结。

1 线路概况

黄帝陵观光线沿沮河在河道中行走。线路两端为灯泡线，单线全长10.8 km(见图1)。其中,并线段(即双线上下行运行段)长约5.0 km。线路设车站2座(即起点的游客中心站和终点的黄帝陵站)，维修基地1座(位于游客中心站)，并将控制中心与维修基地合建。基地内设3股轨道，可同时停放3列车。正线最小曲线半径为35 m，不设缓和曲线，线路最大纵坡不超过40‰，最小竖曲线半径为200 m，列车最高行驶速度为35 km/h。

2 外部电源及中压网络设计

2.1 外部电源方案

由于集中式供电与外界接口少，供电能力强，能满足大容量用电的需求。故本工程采用集中式供电方式。考虑到牵引负荷的重要性及供电的安全可靠性，外部电源拟采用2路独立的10 kV电源进线，分别引至游客中心站和黄帝陵站，用10 kV环网电缆将全线贯通，中间利用环网联络开关分段。当1路电源退出运行时，其环网联络开关闭合，由另1路电源支援供电。

但受黄陵县的电源条件限制，仅游客中心站具备电源引入条件。因此，只在游客中心站引入1路10 kV电源，并在黄帝陵站预留电源引入接口，以待后期电源条件具备时引入第2路电源。

2.2 中压网络

对于10 kV中压环网，通常有单环网或双环网两种结构。由于观光线供电系统的结构较为简单，可靠性要求也远低于其他城市轨道交通，故中压网络采用接线简单、投资成本较低的单环网。供电系统如图2所示。

图1 黄帝陵小火车工程线路图

图2 黄帝陵观光线供电系统简图

2.3 线路电压降计算

黄帝陵观光线工程的10 kV环网电缆选用FZ-ZR-YJV22-10-3×400，其单位电阻及单位电抗分别为r=0.047 Ω/km，x=0.085 2 Ω/km。各区段电缆长度见图2。

线路电压降由该段线路上的变电所容量及电缆阻抗共同决定：

(1)

式中：

Δu——线路电压降；

U——线路额定电压；

P——线路输送的有功功率；

Q——线路输送的无功功率；

R——线路电阻；

X——线路电抗。

变电所容量S(牵引变电所与自用变电所容量之和)为：1#、4#变电所均为1 565 kVA，2#、3#变电所均为1 100 kVA。

取功率因数cosφ=0.85，P=Scosφ，Q=Ssinφ。则可得线路电压降：

Δu=Δu1+Δu2+Δu3+Δu4=132 V

(2)

根据GB/T 12325《电能质量 供电电压允许偏差》，10 kV及以下三相供电的用户受电端供电电压允许偏差为额定电压的±7%。由式(2)计算结果可知，在初期1路电源供电时，10 kV线路电压降可以满足要求。

3 直流牵引供电系统设计

3.1 接触轨选型

接触轨的常用类型有C型轨、工字轨和安全滑触线三种。安全滑触线成本相对较低，延展性好，适宜小半径线路，且不需要单独安装安全防护罩。安全滑触线主要材质有低碳钢和钢铝复合材料。其中,钢铝复合材料重量轻、便于安装,单位电阻低，电能损耗小,维护工作量小，运营成本低[3]。所以观光线选择钢铝复合的安全滑触线。安全滑触线的安装如图3所示。

图3 安全滑触线安装示意图

3.2 牵引变电所位置及容量

根据地铁和有轨电车建设的相关经验，对于DC 750 V供电系统，变电所间距宜设置为1.5～2.0 km[4]。由于本观光线所用车辆传动系统的额定电压为DC 630 V，直流牵引供电系统的牵引电压也为DC 630 V，故变电所间距需更小。

线路从起点(游客中心站)至终点(黄帝陵站)的单程长度约5 km，应设置4个牵引降压混合变电所。由于沿途为河道，可利用空间小，因而2#、3#变电所设置为箱式变电所。变电所位置见表1。

表1 变电所位置

通过对接触轨电压波动的仿真计算来验证变电所的分布是否合理。当正常双边供电时，仿真计算结果如表2所示。

表2 牵引供电计算(正常供电时)

当任一牵引变电所解列时，计算结果如表3所示。

表3 牵引供电计算(1个牵引变电所解列时)

观光线车辆对供电电压的要求较高，为DC 630 V×(1±10%)，即要求任一点接触轨电压为567～693 V。由表3～4可知:正常供电时，牵引电压满足要求;当任意1个牵引变电所解列时，直流压降明显加大，按照远期发车间隔运行时，压降已经超过10%。抬高牵引变电所馈出电压可以补偿部分接触轨电压降，但当车辆制动时，又有过电压的问题。因此，在任意1个变电所故障情况下，建议适当加大列车行车间隔。

根据列车编组、发车间隔、供电轨参数及牵引变电所间距等参数，利用PSSC2016V1.0.Net软件，对牵引变电所峰值功率进行仿真计算。依据计算结果，并考虑一定的裕量，线路两端的1#、4#牵引变电所容量取1 250 kVA，2#、3#牵引变电所容量取1 000 kVA。

3.3 安全滑触线分段

观光线全线设置4个变电所。每个变电所出口处的安全滑触线设置电分段，以保证供电的可靠性和灵活性。正常运行时，正线区段采用双边供电。对于维修基地区域，其单开道岔与灯泡线的交界处、单开道岔、三开道岔及股道之间也设置了电分段，由1#变电所供电。全线的电分段如图4所示。

图4 安全滑触线分段图

4 低压配电系统容量选取

观光线的低压负荷由变电所的10 kV/0.4 kV降压变电所供给380/220 V电源。按照观光线的运营和检修需要，配置了不同容量的低压负荷[5-6]。为保证功率因数，在低压母线上，集中配置电容补偿装置。以1#变电所为例，配电系统配置有125 kVar的电容补偿柜，其他负荷功率见表4。

表4 变电所负荷功率需求

根据线路工程特点，引入需要系数Kd=0.8，同时系数KP=0.95、KQ=0.97。经计算可得，配电变电所的安装容量为256 kVA。参照10 kV级的配电变标准容量，在满足变压器容量大于负荷计算容量的条件下，1#配电变电所容量选取315 kVA。

同理可得,2#、3#变电所的配电变电所容量选为100 kVA，4#变电所的配电变电所容量选为315 kVA。

5 防雷与接地系统设计

对于10 kV交流系统，观光线变电所在进线侧安装避雷器；对于直流系统，在正、负极母线及正、负极间安装避雷器；对于低压配电系统，在0.4 kV交流母线侧安装避雷器。

变电所采用综合接地系统。设备接地、防雷接地和电力监控系统接地共用接地装置。从而形成综合接地网，接地电阻不大于1 Ω。在变电所基础上设置接地母排，变电所内各种接地均从该母排引接。变电所四周设置室外接地网，通过扁钢与室内接地母排连接。安全滑触线接地线与线路轨道梁的综合接地网连接。变电所综合接地网如图5所示。

图5中,垂直接地极采用10根直径50 mm、长2.5 m的铜管布置在变电所周围(距变电所外墙不小于1.5 m)。室外水平接地极采用50 mm×5 mm的铜带将这10根铜管串接起来。水平接地体采用50 mm×5 mm的热镀锌扁钢。三者组成复合接地极，其顶端埋深0.7 m。复合接地极的接地电阻计算式为：

图5 综合接地平面图

(3)

或者

(4)

式中：

R——复合接地极电阻值，Ω；

ρ——土壤电阻率，Ωm；

r——面积为A的圆半径，m；

l——接地网中水平、垂直导体的总长度，m；

A——大于100 m2的、以水平接地极为主且边缘闭合的接地网面积，m2。

黄陵县绝大部分被黄土覆盖，是黄土地貌发育最典型的地区之一。其土壤电阻率ρ参考值见表5。

表5 黄土土壤电阻率参照表

观光线中：A≈260 m2，r≈9.2 m，l≈140 m。当取ρ=200 Ωm时，求得接地电阻R=6.087 Ω；当取ρ=30 Ωm时，R=0.913 Ω。当ρ过大，接地要求不满足时，可采用导电剂降低土壤电阻率。

6 结语

本文总结了黄帝陵观光线供电系统的设计方案，并通过对关键参数的计算验证了方案的可行性。在电源条件受限时，通过供电距离和系统容量的优化选取，1路外部电源基本可满足运营需求。景区观光线采用安全滑触线和箱式变电所,在景观协调和空间利用方面有较好的优势。对于没有成熟标准的观光线供电系统设计，建议参考地铁等相似性较高的供电系统设计标准。