比亚迪胶轮有轨电车供电方案研究

王志宏

摘   要：本文介绍了小运量轨道交通制式比亚迪胶轮有轨电车的供电特点，深入分析了传统轨道交通常用的各种供电方式。结合胶轮有轨电车小运量、动力电池牵引供电等特性，对胶轮有轨电车用电负荷、中压电源的环网形式、变电所的电气接线、变电所设备选型、平面布置及系统接地方式等项目进行了深入研究，在保证合理的可靠性基础上，尽可能选取系统简单、建设费用少、运营成本低的供电方案。为我国小运量轨道交通制式供电方案的选择提供了参考。

关键词：比亚迪  胶轮有轨电车  供电方案  中压网络  变电所

中图分类号：F407                                    文献标识码：A                         文章编号：1674-098X（2019）07（a）-0114-04

1  工作背景

我国现有城市轨道交通系统常用供电方式主要有集中式供电、分散式供电和混合式供电三种，中压供电网络主要有双环网和单环网形式。地铁、有轨电车和跨座式单轨等大、中运量轨道交通多采用集中式双环网供电方式。

比亚迪胶轮有轨电车作为一种小运量的新型轨道交通制式，全程采用动力电池牵引供电，仅在综合车场、停车线和存车线设置充电装置。正线各车站设置降压变电所，为动力照明、通信信号、FAS、BAS、站台门、AFC、变电设备自用电源、检修电源及电梯等電力设备提供低压电源。车站的用电设备较少，且低压用电负荷的容量较低，牵引供电和低压配电的需求和目前地铁、跨座式单轨等交通制式完全不同。

现胶轮有轨电车交通工程项目设计中，设计院仍沿用地铁和单轨等传统轨道交通供电方案，供电系统设计冗余大、造价高，不适合胶轮有轨电车等小运量轨道交通制式，迫切需要开展胶轮有轨电车供电方案的研究。

2  研究目的

对各种传统供电方案进行深入研究，结合胶轮有轨电车小运量、动力电池牵引供电等特性，在保证合理的供电可靠性基础上，尽可能选取系统简单、建设费用少、运营成本低、技术可行、经济实用的供电方案。作为胶轮有轨电车交通工程的标准化设计，用于项目的初步设计和施工图设计等。

3  研究内容

研究内容主要包括用电负荷分析、电源选择、中压电源的环网供电形式、变电所的电气主接线、变电所设备选型、设备平面布置及系统接地方式等。

4  技术现状

4.1  传统供电方式

国内外传统轨道交通采用的供电方式主要有集中式供电、分散式供电和混合式供电。（1）集中式供电，是在城市轨道交通沿线，建设专用的主变电所，进线一般为110kV，降压至35kV或10kV，供给牵引变电所和降压变电所。集中式供电有利于轨道交通供电系统形成独立体系，方便于管理和运营。目前，上海地铁、广州地铁、深圳地铁、南京地铁、香港地铁、德黑兰地铁等普遍使用集中式双环网供电方式。（2）分散式供电，是在轨道交通沿线引入城市电网中多路电源形成供电系统，一般采用的电压等级为中压10kV（或20kV/35kV）。目前，国内北京地铁5号线、大连轻轨、沈阳地铁、北京八通线、北京城铁、长春地铁等轨道交通采用的是分散式双环网供电。（3）混合式供电，即结合集中式和分散式供电，一般由集中式供电为主，特殊区段引入城市电网中压电源作为补充。青岛地铁南北线、武汉轨道交通、北京地铁一线和环线等轨道交通使用的是混合式双环网供电。

4.2  城市电网

国家能源局、中国电力企业联合会发布的《2017年全国电力可靠性年度报告》显示，南方电网公司供电可靠率为99.818%，中压用户平均停电时间（中压）15.96h/户，佛山、中山、珠海、深圳等地方供电局供电可靠性超过99.99%，用户年平均停电时间仅5min，达到世界一流水平[1]。

4.3  胶轮有轨电车用电负荷

比亚迪胶轮有轨电车全程采用动力电池牵引供电，车站降压变电所仅为动力照明、通信信号、FAS、BAS、站台门、AFC、应急疏散设施、变电设备自用电源、检修电源、电梯及广告设施等电力设备提供低压电源。综合车场用电负荷除了动力照明、通信信号、通风空调、综合监控及变电所所用电外，还有停车库、检修库、洗车库、综合楼控制中心及列车电池充电等，其中，通信信号、控制中心及列车电池充电等都是胶轮有轨电车正常运行的保障，必须要有较高的可靠性。对于此类直接关系行车安全的低压负荷，按规范要求应该由两路低压电源同时供电[2]。

比亚迪胶轮有轨电车交通工程一般在综合车场、停车线和故障存车线设置充电装置，充电装置电源一般由就近变电所引入交流380V，每套充电装置的容量为150kW，满足一列车的充电需求。胶轮有轨电车车辆的充电负荷作为整个系统正常运行的最重要保障，必须要具备较高的可靠性。因此，为了确保列车充电系统的可靠性，可以在综合车场等设置充电装置的变电所采用双变压器，低压0.4kV母线使用单母线分段方式。

5  电源选择

由上述技术现状可知，现有城市电网可靠性较高，故障处理时间较短。为了保证胶轮有轨电车供电系统的可靠性、适用性和经济性，其供电系统应充分考虑依托城市电网，采用分散式供电，不设置主变电所。进线电源应结合城市整体规划和电力系统近远期规划，从就近电力系统引入交流10kV、20kV或35kV电源，或与地铁、单轨等交通换乘时，直接从地铁或单轨的供电系统引入交流中压电源。全线应引入至少两路相互独立的外部电源，设置内部中压供电网络，实现全线单环网供电。

0.4kV作为城市低压配电电压，电源点多但可靠性较低，并且其实施可行性和维护便利性均较差，如非迫不得已不应采用。35kV电压等级适合于大容量负荷集中场所，常用于地铁中压网络，且国家电网正逐步取消35kV电压等级。20kV输电容量和传输距离较10kV更好，但目前设备技术成熟度较低、选择性较少。10kV作为现阶段城市中压配电网核心，输电容量、传输距离和投资适中，电源点丰富。因此，胶轮有轨电车交通工程项目应优先考虑从城市电网引入10kV电源。

6  供电网络

我国供电系统常用的中压网络一般有单环网和双环网两种，地铁、轻轨和有轨电车等多采用双环网形式。考虑到中压环网开关柜和变压器技术成熟、故障率低，胶轮有轨电车交通工程可选用的变电所接线方案有单环网单变压器、单环网双变压器和双环网三种。单环网中压供电网络示意图见图1，双环网中压供电网络示意图见图2。

从供电可靠性、经济性、运营成本、设备数量、建设工期、运营维护及风险点等方面对三种中压环网方案进行对比分析，见表1。

综上所述，城市电网可靠性高;胶轮有轨电车交通工程车站动力负荷小;10kV开关柜采用安全可靠的GIS设备，母线故障率非常低;变压器技术成熟，可靠性高;单环网供电形式满足胶轮有轨电车工程可靠性要求，在工程投资、施工难度、运营成本和工程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动力电池储能供电，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[2]。因此，比亚迪胶轮有轨电车交通工程推荐采用单环网单变压器供电方案。同时，为了进一步提高胶轮有轨电车信号系统和充电装置的可靠性，信号集中站和综合车场可考虑采用单环网双变压器供电方式。

7  变电所

7.1 接线形式

7.1.1 车站变电所

每座车站设置一座降压变电所，从两端车站变电所分别就近引入两路相互独立的中压电源，通过中压环网实现全线所有变电所单环網供电。当一路电源退出运行时，另一路电源不应同时受到损坏，可通过联络开关继续对全线供电。考虑到胶轮有轨电车轨道交通一般承载的客流量不大，运营故障对整个城市交通系统产生的影响较小，车站供电系统的冗余设置适度即可。为了保证影响行车的通信信号、站台门、综合监控等重要负荷的供电需求，变电所内应设置一套电池储能的综合UPS系统。

车站变电所的接线参见“图3车站变电所主接线”。

7.1.2 综合车场变电所

相比于地铁等传统轨道交通系统，胶轮有轨电车交通的综合车场规模较小，但同样具备全线调度控制、列车充电和运行维护等重要功能，因此，综合车场供电可靠性要求同样较高、用电容量较大。为了提高综合车场变电所供电系统的可靠性，变电所可设置两台降压变压器，低压母线使用单母线分段方式。当一台变压器故障退出运行的情况下，可通过闭合低压400V母线联络开关，实现低压母线支援供电。

综合车场变电所的接线参见“图4  综合车场变电所主接线”。

7.2 设备选型

变电所的主要设备包括交流中压开关柜、交流低压开关柜、动力变压器、充电装置和所用电电源装置，设备选型与系统的可靠性、运营方便性、可维修性和工程投资等均有直接影响。根据当前国内电气设备的整体技术水平、可靠性指标、设备价格、设备外形尺寸等参数，提出设备选型如下：

（1）交流中压开关柜（12kV、24kV或40.5kV）选用气体绝缘或固体绝缘固定式开关柜。

（2）交流低压开关柜选用空气绝缘固定式开关柜。

（3）动力变压器选用环氧树脂浇筑干式变压器。

（4）直流充电装置选用模块并联金属铠装结构变流器。

（5）所用电电源装置选用金属外壳固定式开关柜。

7.3 设备房平面布置

7.3.1 通道尺寸

根据《20kV及以下变电所设计规范》（GB 50053）和《低压配电设计规范》（GB 50054-2011）的规定，变电所内高、低压设备柜前、柜后最小检修宽度见表2。同时国标规定“固定式开关柜为靠墙布置时，柜后与墙净距应大于50mm，侧面与墙净距宜大于200mm”[3-4]。

7.3.2 设备布置

在工程实践中，车站的建筑面积受到多方限制，需要尽可能减小变电所设备房的尺寸。根据调研的设备技术现状，提出变电所设备平面布置建议，见图5、图6和图7。

图中，G为交流中压开关柜，TM为变压器，A为交流低压开关柜，DYP为所用电电源交流柜，XDC为所用电电源直流柜。

8  系统接地

胶轮有轨电车交通的综合车场、车站和区间有很多弱电和强电设备，各设备间管线联系较多，电磁关系也较复杂。为了保障运营人员和乘客的人身安全，综合车场、车站和区间的各设备系统不能独立接地，应采用综合接地系统。

胶轮有轨电车交通工程采用综合接地方式，要求将全线的车站、区间和综合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、人员安全和防雷的接地均与综合接地系统合理、可靠连接[2]。

9  研究结论

（1）胶轮有轨电车交通工程供电系统的中压电源应当优先考虑当地电力系统核心中压电源，全线所有变电所设置中压单环网供电网络。

（2）车站和综合车场均应设置变电所，车站变电所设置一台降压变压器，中压母线和低压母线均采用单母线方式，综合车场和信号集中站可设置两台变压器，中压母线采用单母线方式，低压母线采用单母线分段方式。

（3）变电所的交流12kV开关柜选用630A的气体绝缘或固体绝缘环网柜，交流0.4kV开关柜选用固定式开关柜，变压器选用200kVA干式变压器。

（4）在综合车场集中设置车辆充电装置，总容量按车辆轮流充电考虑。

（5）车站、区间和综合车场均应设置综合接地网，全线接地网电气连通[2]。

参考文献

[1] 王小峰.城轨交通外部电源方案分析[J].现代城市轨道交通，2010（4）：40-42，55，89.

[2] 孙章，蒲琪.城市轨道交通概论[M].北京：人民交通出版社，2010.

[3] GB 50157-2003 地铁设计规范[M].北京：中国计划出版社，2003.

[4] 孔凡国，魏盼盼，林品武.城市轨道交通供电方案的研究[J].机械工程与自动化，2014（5）：225-226.