陕西黄帝陵跨坐式单轨观光线牵引供电系统设计

张明锐 张海龙 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)

0 引言

国内景区多采用电瓶车、无轨电车、公交车来疏运游客，这些交通方式运量小、安全性较低。为保障游客安全，提升景区交通运输能力，解决旅游旺季游客出入难的问题，国内已有西安曲江、北京双龙峡、深圳欢乐谷等多个景区建设了观光火车。

根据陕西黄帝陵观光项目需要，配套建设一套观光火车交通系统。各种用于景区观光的交通制式比较见表1[1-3]。陕西黄帝陵观光项目选择了跨坐式单轨交通，其特点主要表现为：①适宜山区小转弯半径、坡度大的特殊环境;②维护简单、对景观影响小;③独立于地面交通，安全性较高。该系统主要用于游客集散中心至黄帝陵景区的短途接驳；在旅游淡季，兼备县内交通运输的功能。一方面解决了景区的交通疏散问题，同时提升了县域的交通能力。

表1 各种用于景区观光的交通制式比较表

1 黄帝陵观光线线路概况

黄帝陵观光线(见图1)全长10.6 km，其中并线段为4.9 km。为了不影响黄陵县交通，全线采用高架，沿沮河走行。全线设置黄帝陵和游客中心2座车站以及1个控制维修中心(位于黄帝陵车站)。

2 黄帝陵观光线供电系统方案

2.1 外部电源供电方式

图1 黄帝陵观光线工程线路图

方案一：采用集中式供电，引入两路10 kV电源。中压网络采用10 kV电缆全线贯通，中间采用环网联络开关，当一路电源退出运行时，由另一路电源支援供电。其优点是外界干扰少、供电能力强，能满足大容量用电的需求。其缺点是占地面积大、工程总投资较高、技术经济性较差。

方案二：采用分散式供电，每一个牵引变电所引入一路10 kV电源。中压网络采用环网联络开关，一路电源退出运行时，相邻电源支援供电。其优点是无需建设主变电所，牵降变电所的电源全部由电业部门提供。其缺点是电源引入较多，协调及电源建设不确定因素较多。

集中式供电受外界干扰小、可靠性较高，因此黄帝陵观光线外部电源采用集中式供电方案，由游客中心站和黄帝陵站引入两路10 kV电源，中压网络采用单环网接线方式，如图2所示。

图2 黄帝陵观光线外部电源供电方案

2.2 车辆选型

设计初期，为了缩短发车间隔，工程线路采用环线，线路两头设计为圆形“灯泡线”。正常情况下，列车无需入库，只有在检修时才进入车库，能够大大缩短发车间隔。虽然“灯泡线”的设计避免了入库影响列车发车间隔的问题，但随之而来的是小转弯半径问题(两端“灯泡线”的曲线半径为35 m)，因此，在车辆选型时需选用能在转弯半径较小的线路上运行的车辆。

黄帝陵地区的游客数量呈现季节性变化，清明、国庆、春节节假日期间游客较为集中。根据黄陵县政府网站发布的游客数据显示，2015年“十一”黄金周黄帝陵景区共接待海内外游客113 648人，仅国庆节当天景区就接待游客9 594人。因此在车辆选型时，还需考虑其运量是否能够满足旅游旺季的交通需求。选用车辆参数如表2所示。

表2 车辆参数

列车行车组织如表3所示。由表3可见，车辆适用线路的最小转弯半径符合黄帝陵工程参数要求。当发车间隔为3 min、列车数量为12列时，全天运量为10 080人，能够满足节假日客流高峰期的运能需求。

2.3 接触轨选型

黄帝陵观光线供电制式为DC 630 V，若采用接触网供电，会大大影响黄帝陵景区的景观。为了降低对景区沿线景观的影响，选择了接触轨供电方式。接触轨材料的电阻直接影响着全线接触轨电压降，其耐流值决定着同一区间内可同时启动的最大列车数。因此，接触轨的选型需和牵引变的数量、发车间隔等因素同时考虑。表4为不同类型的接触轨参数。

表3 黄帝陵观光线列车行车组织

表4 接触轨参数

从表4中可看出，C型轨和工字轨都具有较高的耐流值和较低的电阻，但是它们都存在成本较高、截面积大、可弯曲程度小、不适宜小转弯半径线路、需要单独安装安全防护罩等问题。故在设计时选用了延展性好、无需安装安全防护罩的钢铝复合安全滑触线。安全滑触线安装示意图如图3所示。

单位：mm

a) 设计图

b) 实物照片

2.4 牵引变电所位置及容量

黄帝陵观光线参考了地铁建设的经验，采用DC 1 500 V供电时，牵引变电所的间距一般设置为3～4 km；采用DC 750 V供电时，牵引变电所间距一般设置为1～2 km[5]。考虑到黄帝陵观光线供电采用的是DC 630 V，因此牵引变电所间距设置应与采用DC 750供电时的相当，以保证列车的正常起动。

方案一：全线设置3个牵引变电所，每隔约1.35 km设置1个牵引变电所，黄帝陵站和游客中心站不设牵引变电所。选取型号为081319的安全滑触线，进行牵引供电仿真计算，计算结果如表5、表6所示。

方案一电压降基本能够满足GB 50157—2013《地铁设计规范》的要求，较为理想。经实地考察，游客中心站设有车辆维修库，且后期需和黄帝陵站同时建设商业中心，需要设置牵引降压混合变电站；如果直接在站点增加2个牵引降压混合变电站，将会使全线供电系统成本增加10%～20%。

表5 方案一牵引供电仿真计算(正常供电)

表6 方案一牵引供电仿真计算(任一牵引变电所解列)

方案二：全线设置4个牵引降压混合变电所(见图1中4个白色实心圆点)，在黄帝陵站和游客中心站各设1个，另外2个等间距设置在线路中。牵引供电仿真计算结果如表7、表8所示。

表7 方案二牵引供电仿真计算(正常供电)

表8 方案二牵引供电仿真计算(任一牵引变电所解列)

参照GB 50157—2013《地铁设计规范》对于触网电压波动的要求，采用DC 630 V供电时，任一点触网电压应不低于DC 419 V。从表7、表8的数据来看，方案二能够较好地满足要求。按照黄帝陵观光线路的需求，两个站点空间较大，用电也较大，可设置牵引降压混合变电所。沿途为河道，可利用的空间较小，可设置2个箱式变电站。根据车辆参数、列车编组、发车间隔、供电轨、牵引变电所间距等参数，在笔者开发的PSSC 2016 V 1.0.Net软件中进行仿真计算，结果如图4所示。依据仿真计算结果，选定了牵引变电所的容量(见表9)。

2.5 电力监控系统

由于黄帝陵观光线牵引变电所距车站较远，手动分合闸操作不便，所以需设置电力监控(SCADA)系统。黄帝陵观光线属于观光旅游线路，对于SCADA系统要求较为简单，具备遥控、遥测、遥信的功能即可。SCADA系统由服务器、智能测量仪表、保护装置、操作软件等组成，系统结构图如图5所示。

图4 仿真计算软件计算结果图

牵引变电所编号牵引变电所位置牵引变电所容量/(kVA)自用变电所容量/(kVA)1K 0+3001 2503152K 2+0071 0001003K 3+4201 0001004K 5+4351 250315

2.6 短路计算

直流侧稳态短路计算是牵引供电系统设计中必不可少的环节，是确定直流保护整定值等参数的重要依据，对观光线1#、2#牵引变电所进行直流侧稳态短路计算。取一次侧短路容量为150 MVA，双边供电仿真结果如图6所示。

从图6可以看出，短路电流随着距离的增大而减小。牵引变电所提供的最大短路电流值为15.588 kA，该值出现在变电所端口附近；最小短路电流值出现在相邻变电所附近，为5.312 kA。

图5 SCADA系统结构图

图6 牵引变电所直流侧稳态短路仿真计算结果

3 结语

利用笔者开发的PSSC 2016 V 1.0.Net软件，对黄帝陵观光线的牵引供电系统的关键参数进行了仿真计算。依据仿真结果及工程特点，提出了合理的方案，完成了黄帝陵观光线牵引供电系统各部分的初步设计。对于今后国内景区观光线供电系统的设计有较好的借鉴意义。