城市轨道交通交流供电方案探讨

城市轨道交通交流供电方案探讨

董超宏

西安市地下铁道有限责任公司运营分公司陕西西安710000

摘要：随着城市轨道交通的不断发展，为节能减排提高能效，有必要提高牵引供电电压。近年来城际铁路和地铁的大力发展，使牵引供电技术和动车传动控制技术都得到了极大提高，无论是高铁或地铁动车都采用了先进的交流传动技术，从技术上讲地铁也可采用与其上部绝缘净空尺寸相应电压等级的单相交流供电，这无疑是一种节能减排、减少地下杂散电流，又可与高铁、城际铁路线路贯通的新型模式。本文对城市轨道交通交流供电方案进行了分析。

关键词：城市轨道交通；交流供电；方案

引言

城市轨道交通所需的机车功率不大，且线路一般为几十公里，故供电范围相对较小，所以牵引网电压等级较低，故而城市轨道交通目前无一例外地采用直流供电制式。而且直流制相较于交流制由于没有电抗压降，故在同样的电压等级下电压损失小。因为城市轨道交通处于城市内，其电力线路都敷设在城市建筑群之间，为了安全考虑，供电的电压等级不能设置过高。而且相对于交流供电，直流供电使得接触网无电分相，列车运行顺畅。然而因为大部分的电力牵引轨道是基于走行轨的电路，并且钢轨与大地之间不是完全绝缘的，所以当电流从钢轨回流到牵引变电所时会有一部分泄漏至大地中并且从大地回流到牵引变电所。因此，结合城市轨道交通线路较短，列车启动频繁，制动减速要求高，并且各条线路互不平交、衔接等特点，提出一种新的牵引供电系统是十分必要的。

1工程概况

某市地铁2号线线路全长26.301km，其中高架线6.749km，地下线19.552km(含U形槽)。共设车站22座，其中高架站4座，地下站18座。平均站间距1235.152m，最大站间距2172m，最小站间距742.981m。共设12座牵引变电所，车辆段和停车场各一座，其中正线牵引变电所的布置方案如表4-1所示。

由于所采用的电力机车为交直交电力机车，其谐波含量较少，故不讨论谐波的影响。目前阶段，城市轨道交通采用工频单相交流供电是一个初步设想，没有一条实际的线路采用此种供电制式，故没有准确的数据，只能参考现有的直流供电制式下的数据。计算时，负荷功率取最大值，对应的三相电压不平衡度取4%。原方案中采用B型车，单电机功率为180kW，列车辅助用电功率按240kW考虑，故B型车的额定功率为:180x4x4+240=3120kW(B型车为4动车，2拖车编组，每辆动车中有4台牵引电机)。行车组织近期为12对/小时，最大负荷功率按一半机车全功率一半机车半功率进行计算，故最大负荷功率为56.16MW，交直交机车功率因数近似为1，故最大负荷功率可近似认为为56.16MVA。

3集中式主变电所补偿容量

集中式供电主变电所采用单相主牵引变压器(MTT)和负序补偿装置(NGD)组合供电，并对负序进行集中治理。还包括用于动力、照明供电的电力变压器和对其进行无功补偿的无功补偿装置SVG。

城市轨道交通供电系统主要包括输变电设备和用电设备，其用电设备按大类可以分为列车牵引和动力照明。供电系统中的无功功率也可以按牵引负荷、动力照明和输变电设备等定性分析。

列车牵引:由于机车为交直交列车，其功率因数可达到0.98-1。

动力照明:主要产生感性无功。现在照明采用功率因数较高的LED、电子镇流器等，故照明部分的功率因数基本上己经达到0.9及以上。但动力部分的自动扶梯、用于车站通风的空调设备由于要节能，所以使用了很多变频设备，动力部分的功率因数渐渐有所提升，现在可达0.9以上。

输变电设备:主要包括各种电压等级变压器和电缆。变压器无功损耗为感性，约为额定容量的千分之几。电缆产生容性无功，由于其容性无功的大小与电压等级的平方、电缆的长度成正比。0.4kV电缆尽管敷设量最大，但是容性无功相对较小，反而，轨道交通供电系统110kV、35kV电缆成为影响主变电所功率因数的最主要因素。

轨道交通运营时段，由于大量牵引负荷和动力照明负荷的投入，系统中除了有功功率外同时也产生一定比例的感性无功功率，对系统中电缆产生的容性无功功率进行中和，使系统的有功功率数倍于无功功率，系统功率因数一般在0.9以上;晚上不运行时，只剩一少部分应急照明负荷和空调及维修用电负荷在运行，低压配电变压器负载率在5%左右，系统有功功率很小，同时产生的感性无功功率也很小，而电缆产生的容性无功功率基本上不变，系统处于容性无功倒送状态，功率因数一般在0.5以下。从而主变电所高压侧功率因数达不到国标要求，电力部门会对超标部分无功进行罚款。因此，在进行系统设计时，补偿器的补偿范围应能扩张到容性和感性无功两个领域。需要对系统中的无功功率进行定量分析，合理选择无功补偿安装容量。

单相主牵引变压器和负序补偿装置容量的确定:

计算时，负荷功率取最大值，对应的三相电压不平衡度取4%。最大负荷功率为56.16MVA。同相补偿装置的过负荷倍数为kc=1，则同相补偿装置安装容量Sc-sc=8.08MVA，取9MVA。

由于交流系统和直流系统下的电压降不同，所以在把牵引变电所数量减少时需要对牵引网电压进行校验，说明交流系统设置牵引变电所数量的可行性。干线铁路采用工频单相交流供电，接触网额定电压为25kV，机车对接触网电压的要求为19-29kV。本文中假设接触网额定电压选为3kV，则根据比例推算机车对接触网电压的要求为2.28-3.48kV。且对于电缆网络的要求为线路末端电压损失不能超过5%。

4两种供电方式下补偿方案的理论对比

通过集中式交流供电补偿方案可知单相组合式同相补偿装置的安装容量为9MVA，即负序补偿容量。而分散式交流供电补偿方案中每个牵引变电所的补偿容量分别为5MVA、6MVA、6MVA、SMVA、5MVA、3MVA，用来补偿负序和无功。因SVC的价格相对同相补偿装置来说单价较小，所以就单相组合式同相补偿装置来说，分散式补偿容量比集中式补偿容量大得多。并且集中式只在主所设置补偿装置即可，而分散式补偿需要在每个牵引变电所设置补偿装置。补偿装置容量越大，投资越大，所以分散式补偿方案中单相组合式同相补偿装置的投资大得多，而且由于每个牵引变电所都需安装补偿装置，故占地面积也大得多。综上所述，采用集中式补偿方案更优。

结束语

本文提出两种工频单相交流供电系统，分别为集中式和分散式。集中式和分散式不仅是从供电方式区分，也指两种供电方式对应的补偿方式，文中做了具体说明。即针对不同的供电方式提出相应的补偿方案，两种补偿方案均采用单相组合式同相供电装置。首先对比了集中式交流供电补偿方案和分散式交流供电补偿方案。然后结合理论、经济性得出采用集中式工频单相交流供电方案及对应的补偿方案更好的结论。

参考文献

[1]陈玥.城市轨道交通列车运行交路方案研究[D].北京交通大学,2016.

[2]朱小马,孟学雷,雷明.城市轨道交通开行方案鲁棒设计及优化[J].现代城市轨道交通,2016,01:68-70+74.

[3]刘良峰.城市轨道交通车辆段电缆构筑物排水设计方案探讨[J].建筑知识,2016,04:33.

[4]戎亚萍,张星臣,柏赟,许得杰.城市轨道交通多编组列车开行方案优化研究[J].交通运输系统工程与信息,2016,05:117-122.

[5]张发明.城市轨道交通区间提升式防淹门功能及调试方案探讨[J].建筑,2016,24:66-67.