城市轨道交通供电系统的设计方法

2010-09-21王小峰

电气化铁道 2010年4期

王小峰

0 引言

国内城市轨道交通建设目前已进入了大规模高速度发展期，现有30多个城市正在建设或筹建规划城市轨道交通工程，北京、上海、广州等特大城市的轨道交通已步入网络化发展时代。城市轨道交通供电系统简称城轨供电系统，是城市轨道交通运营的动力源泉，它担负着为机车和各种运营设备提供电能的重要任务，其科学性、安全性和可靠性直接影响到城市轨道交通的安全运营与服务水平。因此，在项目的前期设计阶段需给予重点关注。笔者有幸参与了相关城市轨道交通工程的前期研究、总体设计和供电系统设计等工作，根据城市轨道交通项目前期研究阶段的特点，通过总结和归纳，提出了一套适用于城市轨道交通供电系统简单而有效的设计思路与设计方法。

1 城轨供电系统设计基本任务和前期条件

1.1 城轨供电系统设计基本任务

按照现代项目管理理论及我国目前建设程序，城市轨道交通项目可以分成项目前期阶段、规划实施阶段、投入运营阶段。项目前期阶段又包括：城市轨道交通线网规划、预可行性研究（项目建议书）、可行性研究。城市轨道交通线网规划应根据城市发展要求和财力情况，明确远期目标和近期建设任务以及相应的资金筹措方案。供电系统预可行性研究阶段的主要任务是：①初步调查城市电网及外电源引入情况；②初步确定供电系统方案；③配合车辆选型，初步确定牵引供电制式；④框算供电系统的工程投资，其投资估算精度控制在供电系统的分部分项工程投资的±20%以内即可。供电系统可行性研究阶段的主要任务是：①确定外部电源方案；②确定城轨供电系统方案；③确定牵引供电方案；④PSCADA和ISCS的关系的界定；⑤确定杂散电流腐蚀防护及综合接地方案。工程可行性研究阶段一般只需给出主变电所、供电系统（电缆工程）、牵引变电所、降压变电所、接触网、杂散电流防护及综合接地等工程的基本数量，能够基本确定供电系统项目的投资估算即可，误差控制在初步设计的10%左右。

1.2 供电系统前期阶段的设计条件

供电系统专业在前期设计阶段需要线路、行车、车辆等专业提供的基础资料作为供电系统开展系统设计的前提和基本条件，具体要求见表1。

2 城轨供电系统用电负荷的估算

城市轨道交通用电负荷由为列车供电的牵引负荷和为车站、区间、车辆段、控制中心等其他建筑物所需要的动力照明负荷组成。

表1 供电系统前期阶段的设计条件表

2.1 牵引负荷的年用电量估算

列车牵引负荷与车辆选型和系统设计运输能力相关，在前期阶段，可采用平均运量法估算牵引负荷的年用电量Wq。

式中，∆A为列车年平均单位能耗，kW · h/t · km；G为单列机车的总重，t；N为日发车对数；T为年运行时间，365天/年；L为机车运行里程，km。

针对不同线路，∆A应根据列车情况取不同数值，它应包括列车的牵引用电及辅助设备用电等。在设计新线的前期阶段，∆A可参考既有线路运行经验测试积累得来的数据，一般取值为 0.04～0.065 kW·h/t·km。

2.2 动力照明负荷的年用电量估算

车站的低压负荷主要分为动力负荷和照明负荷2大类。动力负荷主要包括通信、信号、综合监控、屏蔽门、AFC、通风空调、给排水、扶梯/电梯、维修电源等。照明负荷分为车站公共区照明和附属用房照明2部分，公共区的照明在设计上一般根据运营的高峰时段和非高峰时段选择开启灯具的数量，附属用房中的办公管理房间照明在工作时段全部开启，设备房间的照明平时不开启，在人员巡视和检修时全部开启。在前期阶段，各专业的电源需求都是按其最大运行状态提的，实际运行时，很难达到满载，而且各设备的启动时间和运行是错开的。因此，需要根据设备工况模式给出一个较为合理的需要系数，估算出全线动力照明负荷的年需用用电量Wd，科学选择配电变压器容量。

式中，Pam为全线动力照明负荷最大平均需用功率，kW；td为日运营时间，h；tn为夜间停运时间，h；T为年运行时间，365天/年。

3 供电系统方案设计

3.1 外部电源方案的形式

城市轨道交通作为城网的特殊用户，一条线的用电范围多为10～40 km，其高峰小时需用功率一般为（6～10）×104kW，且呈线状分布。对于具体工程，究竟是采用何种形式的外部电源方案，应在计算确定用电负荷的基础上，根据该城市轨道交通线网规划、城网构成特点、工程实际情况等不同角度，通过经济技术综合比选确定本工程外电源方案是采用集中供电方式还是分散供电方式。2种供电方式的优缺点如表2。

3.2 确定外部电源方案的技术路线

不论集中供电方式还是分散供电方式，外部电源的落实、主变电所（开闭所）的规划设置、供电分区的划分等都是前期阶段供电系统设计工作的重点和难点，也是开展后期设计工作的基础。该阶段工作需要与市规划部门及市供电局充分沟通协调，以达成共识。

3.3 中压网络方案

所谓中压网络，就是通过中压电缆，纵向把上级主变电所和下级牵引变电所、降压变电所连接起来，横向把全线的各个牵引变电所、降压变电所等联系起来，起分配和传输电能的作用。电压等级和构成形式是中压网络的2大属性。国内城市轨道交通中压网络一般为10，20和35（33）kV等3种电压等级，具体采用哪种电压等级，要结合外电源系统方案、线路走向、站点设置、设备供应情况等诸多因素进行技术经济综合比较，合理选择适合工程实际的电压等级。

表2 2种供电方式比较表

根据《地铁设计规范》（GB50157-2003）第14.1.11款的要求，国内城市轨道交通中压网络的主接线方案一般多采用双环网方案。中压网络构成及供电分区的划分位置需满足《地铁设计规范》第14.1.12款的要求，并考虑与运行交路的结合，合理均衡系统潮流分布，最大限度地满足车辆的运行，不因网络局部故障而造成全线车辆停运，确保供电系统安全、可靠地运行。

3.4 牵引网系统方案

在前期研究阶段，牵引供电系统方案需要明确牵引供电制式、牵引网形式、牵引变电所设置方案。

《地铁设计规范》（GB50157-2003）中明确规定，国内城市轨道交通的供电制式为DC 750 V和DC 1 500 V，受流方式为第三轨方式和架空接触网方式。其中：DC 1 500 V电压较多的应用于架空接触网，如上海轨道交通一、二号线，广州轨道交通一、二号线，南京轨道交通一号线一期工程等；DC 750 V电压较多的应用于接触轨，北京轨道交通多采用该方式。此外，随着技术的不断进步，接触轨开始推广采用钢铝复合导电轨技术，并开始采用DC 1 500 V电压等级，如已经试运行开通的广州地铁四号线及在建的深圳3号线。表3给出了各种牵引供电制式的比较。

3.5 牵引变电所设置的基本原则

牵引变电所的设置取决于牵引网电压等级、牵引网电压损失；同时应充分考虑杂散电流腐蚀防护、线路能耗、电缆敷设、土建造价及运营管理等方面，统筹设计。

在正常和故障运营模式下，牵引网的电压波动范围和轨电位必须满足《城市轨道交通直流牵引供电系统》（GB/T 10411-2005）第 4.4款和第 7.4.2款的要求；牵引网电压损失包括牵引网平均电压损失、最大电压损失。其中，牵引网最大电压损失值是影响牵引变电所设置数量的关键因素，平均电压损失值对牵引网能耗影响较大。