基于武夷新区有轨电车的线路牵引供电系统总体技术方案研究

李 虎， 赫宏联， 孙应东， 费久利， 王 惠， 元世斌

（中车唐山机车车辆有限公司， 河北唐山 063000）

0 引言

现代有轨电车是一种中低运量的城市轨道交通[1]，供电系统为有轨电车动态运行提供电能， 是重要的基础设施系统。有轨电车供电系统的安全、可靠工作对保障有轨电车的正常运行至关重要。

本文依托武夷新区旅游观光轨道交通项目实际工程化应用案例， 通过对国内外现有城市有轨电车线路的调研，对城市有轨电车供电系统技术方案进行了探讨，并结合武夷新区有轨电车线路数据开展了供电仿真计算研究工作。

1 供电系统总体结构

1.1 供电方式

武夷新区旅游观光轨道交通武夷山东站至武夷山景区线起于合福铁路武夷山东站， 经将口、 兴田及仙店片区， 终于公馆大桥南桥头武夷山景区南入口， 线路长约25.5km。

有轨电车供电方式有集中式、半集中式、分散式、混合式等不同形式[2]。 在国内，沈阳市浑南新区现代有轨电车采用10kV 分散供电方式，苏州高新区有轨电车1 号线采用10kV 半集中供电方式。

本线供电系统采用分散供电方案， 全线共设置10kV电源开闭所4 座，分别位于武夷山东站、黄土站、仙店站和麦场站。 牵引网采用牵引网采用DC750V 架空接触网。全线共设置12 座牵引降压混合变电所，1 座降压变电所。电力监控系统由控制中心的电力调度系统、 各变电所内的综合自动化系统以及联系二者的通信通道构成。

1.2 馈电制式

结合国内外已投入商业运营有轨电车线路， 馈电方式主要包括第三轨和接触网两种技术形式， 而架空接触网因其技术成熟、易于穿过平交道口、安全性高、维护经验丰富、造价低等优点被国内外大量采用。 我国苏州高新区、天津滨海新区、上海张江等有轨电车就采用DC750V架空接触线馈电方式。在不宜架设架空接触线，且具有专有路权的特殊线路，也可以采用第三轨供电。

本项目采用架空接触线馈电方式。

1.3 供电电压

根据 《城市无轨电车和有轨电车供电系统》（CJ/T 1-1999）（表1）， 系统直流标称电压为750V 或600V（600V为非推荐值）[3]。 同时国际电工委员会（IEC）、国际铁路联盟（UIC）和欧洲标准化委员会（EN）也都推荐使用DC750V。

表1 直流系统电压一览表（单位：V）

目前，我国城市轨道交通供电系统的中压网络电压等级主要采用35kV 和10kV。 电压等级越高，则输电容量越大、送电距离越远。不过，有轨电车是中低运量的轨道交通， 在具体实施中应结合实际工程条件，选择合理的电压等级。考虑到我国中压网络以10kV 为主， 并且10kV 能满足有轨电车供电电能输送需要，建议有轨电车线路中压网络优先采用10kV，只有当城市电网没有10kV 时，才考虑采用35kV。

因此，本项目线路牵引供电应采用DC750V，中压网络电压采用10kV。

2 中压网络结构及供电分区

2.1 中压网络结构

目前， 国内地铁供电系统中压网络多采用双环网结构。与大中运量的地铁不同，有轨电车是中低运量的城市轨道交通。其牵引负荷小，动力照明负荷远小于地铁动力照明负荷（主要是箱式变电所所内自用电）。 为节约投资成本和简化中压网络结构， 国内有轨电车工程中多采用具有接线简单、高压设备少、控制保护简单、投资省的单环网结构，如图1 所示。电源牵引变电所从城网引入一路10kV 电源进线，并设二路出线至相邻牵引变电所，相邻牵引变电所通过单回电缆连接。

图1 中压网络结构示意图

《城市无轨电车和有轨电车供电系统》（CJ/T1-1999）规定交流母线一般采用单母线或分段单母线接线。 一般情况下， 在10kV 交流母线上分别配置2 台变比10/0.59/0.59kV 的12 脉波整流变压器和1 台10/0.4kV 的降压变压器。根据工程实际情况，若方便引入城网配电变压器低压侧电源，也可将其引入作为变电所和车站备用电源。若受安装空间限制但引入的低压电源可靠性较高， 为节省工程投资可取消设置降压变压器。

2.2 供电分区

有轨电车供电系统中压网络供电分区划分时应考虑因素：①线路电压损失要求。中压网络应按列车运行的远期通过能力设计，对互为备用线路，一路退出运行另一路应承担其一、二级负荷的供电，线路末端电压损失不宜超过5%；②满足继电保护的要求；③经济性要求。供电分区划分越多，技术参数当然能满足系统正常运行要求，但变电所馈出线开关柜间隔、 馈出线电缆长度及变电所占地面积也相应增加，将直接增加建设投资成本。

一般情况下，供电分区的划分应在满足规范要求电压损失前提下，尽量减少供电分区数量，以节省工程投资。

3 牵引变电所和减压变电所

3.1 箱式变电所与站内房屋式变电所

目前， 国内地铁工程变电所多采用站内房屋式变电所。地铁牵引变电所一般与车站合建，土建面积一般约需300m2。 在工程中经常使车站加长，大幅度增加车站建筑面积，且存在与土建专业难以配合等问题。对于地面和高架车站，房屋式变电所还会引起景观问题。现代有轨电车是中小运量的城市轨道交通，车站较为简易，一般不单独设置建筑房屋。 有轨电车线路主要是城市地面线和少量高架线，不宜采用体积庞大的房屋式变电所。国内有轨电车工程多采用布置紧凑，体积较小的箱式变电所。箱式变电所已在国外广泛采用，如美国达拉斯地区的轻轨系统、圣地亚哥的地铁系统。 国内天津市滨海新区有轨电车也采用了箱式变电所[4]。

3.2 变电所选址

变电所选址应靠近负荷中心，邻近线路布置，且满足中压网络电缆压降要求等。一般说来，变电所的位置离线路距离应控制在几百米之内。实际工程中，变电所贴近线路布置。牵引变电所可根据线路条件高于地面、地下和高架桥下。地面和高架桥下的变电所应与城市规划相协调，与城市环境相融洽，并考虑电缆引入、引出措施。

3.3 交直流接线

箱式变电所10kV 交流母线多采用单母线不分段接线方式， 牵引变压器和降压变压器均从同一段母线取得电源。 DC750V 直流母线也采用单母线不分段接线形式。

3.4 整流机组

随着对电能质量的要求越来越高， 近年来现代有轨电车广泛采用由两套12 脉波整流机组构成的24 脉波整流。 24 脉波整流机组主电路如图2 所示。 整流机组主要由两台12 脉波轴向双分裂式牵引整流变压器和四组全波整流桥组成。 每台变压器阀侧二套绕组分别拉成d 接法和y 接法，其线电压形成30°电度角。 两台变压器的网侧采用延边三角形接法，分别移相±7.5°。这样形成的两台变压器的四套阀侧绕组的线电压相量互15°，分别经过全波整流后，在直流侧并联运行，构成24 脉波整流机组。

图2 24 脉波整流机组主电路原理图

3.5 再生制动能量利用

有轨电车再生制动能量的利用主要有逆变和储能两种方案。 其代表技术主要有：逆变至中压网络、逆变至低压负荷、蓄电池储能、电容储能和飞轮储能。 其中逆变至中压网络和电容储能是最有应用前景的主流技术， 目前也只有这两种技术在国际上得到一定规模的应用。 两种方案的比较如表2 所示。可知，对于集中式有轨电车供电系统，可优先采用逆变至中压网络的方式进行能量利用。电容实现国产化后，也可采用电容储能方案。对于分散式有轨电车供电系统，宜采用电容储能方案[5]。特别地，对于超级电容和蓄电池供电的有轨电车， 只能采用车载储能的方式利用再生制动产生的能量。

表2 两种主流技术比较表

4 接触网

架空接触网是设置在车辆顶部， 通过车顶受流装置向车辆供电的接触网。接触网架设范围包括正线、正线间的渡线、折返线、停车线、出入段线以及车辆段内电化股道等部分。

4.1 接触网系统

（1）牵引网。 包括了接触网、钢轨回路（包括大地）、馈电线和回流线的一个大范畴， 它是轨道交通供电系统中向电动车组供电的直接环节。

（2）接触网。 是一种轨道敷设的、和铁路轨顶保持一定距离的输电网。 通过电动车组的受电弓（或受流器）和接触网的滑动接触，牵引电能就由接触网进入电动车组，驱动牵引电动机使列车运行。 接触网是牵引网中的重要环节。

（3）馈电线。 是连接牵引变电所和接触网的导线，它把经牵引变电所变换成符合牵引制式用的电能馈送给接触网。

（4）轨道。在电力牵引时，除具有支撑和导向功能外，还完成导通回流的作用。

（5）回流线。 是连接轨道和牵引变电所的导线，通过回流线把轨道中的回路电流导入牵引变电所。

4.2 接触网的供电方式

牵引变电所向接触网供电有两种方式： 单边供电方式和双边供电方式。

（1）单边供电。接触网通常在相邻两牵引变电所间的中央断开， 将两牵引变电所之间两供电臂的接触网分为两个供电分区， 每一供电分区的接触网只从一端的牵引变电所获得电流。

（2）双边供电。 如图3 所示，中央断开处设置开关设备，可将两供电分区连通，此处称为分区亭（SP），将分区亭的开关闭合， 则相邻牵引变电所间的两个接触网供电分区均可同时从两个变电所获得电流。

图3 双边供电示意图

5 远程监控系统

有轨电车远程监控系统（即SCADA 系统），，由4 部分组成：位于控制中心的电力调度中心主站系统（即中央监控系统）、位于变电所的远程终端（RTU，即变电所综合自动化系统）、通信网络、位于供电维修基地的供电复示系统。 SCADA 系统主要针对直流供电系统完成遥信、遥测、遥控、遥调和遥视“五遥”功能[6]。

每套综合自动化系统配置以下设备：一套监控单元、一套监控工作站和一面综控屏，如图4 所示。

图4 普通变电所综合自动化系统结构示意图

图5 网压分布图

图6 上行网流分布图

图7 下行网流分布图

6 供电仿真计算

有轨电车供电计算过程包括直流牵引供电系统的数学仿真、建模，创建牵引供电网络的等值电路模型，建立节点导纳矩阵并通过潮流计算求解整个供电系统的电压、电流分布状况[7]。

6.1 静态计算

静态计算基于牵引所、接触网及走行轨参数，开展网压分布、网流分布仿真计算。

（1）牵引所参数，见表3。

表3 牵引所参数

（2）接触网及走行轨参数，见表4。

表4 接触网及走行轨参数

（3）有轨电车参数，见表5。

表5 有轨电车参数

（4）网压网流分布，见表6。

表6 网压分布

表7 网流分布

6.2 动态计算

动态计算的网络参数与静态计算一样，也即牵引所、接触网及走行轨参数均相同。 仿真时间即发车间隔 （比如：300s），每秒更新一次供电网络进行仿真计算。

（1）牵引计算结果，见表8，表9。

表8 上行牵引计算数据（部分）

表9 下行牵引计算数据（部分）

（2）变电所V-T，见图8。

图8 变电所V-T 图

（3）变电所I-T，见图9。

图9 变电所I-T 图

（4）变电所P-T，见图10。

图10 变电所P-T 图

（5）牵引网损失功率-T，见图11。

图11 牵引网损失功率-T 图

7 结束语

本文基于有轨电车系统的特点， 探讨了有轨电车牵引供电系统总体结构、中压网络、牵引变电所和远程监控系统等方面的技术应用。 结合武夷新区现代有轨电车项目工程设计文件，进行了供电系统仿真计算，论证了系统原理的方案可行性，对后续工程化打下了良好的基础。文中所提出的有轨电车供电系统方案可用于指导公司内及车辆段直流供电系统试验线建设， 也可用于相关工程设计人员参考。