城市轨道交通交流供电系统经济性浅析

汪润泽

【摘 要】我国城市轨道交通发展突飞猛进，但其采用的直流供电系统的缺陷不可避免，如杂散电流危害、直流电机换向困难、共用中压环网影响等。论文介绍了城市轨道交通交流供电系统，并与既有的直流牵引系统比较，从主变压器容量、主变电所数量、环网电缆用量、地下车站建设、运营检修成本方面，浅析了城市轨道交通交流供电系统的经济性。

【Abstract】The development of urban rail transit in our country is advancing by leaps and bounds， but the defects of the DC power supply system are inevitable， such as stray current hazards， DC motor commutation difficulties， and the effects of common use of medium voltage ring networks and so on. This paper introduces AC power supply system for urban rail transit， compared with the DC traction power system， and based on the main transformer capacity， the number of main substation， the amount of cable network cable， the construction of underground station and the cost of operation and maintenance， the economy of urban rail transit power supply system is analyzed.

【关键词】交流供电系统；主变电所；电缆环网；经济性

【Keywords】AC power supply system； main transformer substation； ring network power cable； economy

【中图分类号】U21 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2017）09-0052-02

1 既有城市轨道交通牵引供电系统及弊端

1.1 既有城市轨道交通牵引供电系统

我国现有城市轨道交通供电系统是城市电网的一个用户，直接从城市电网取得电能。采用集中供电的直流供电方式（以下称直流供电），在城市轨道交通沿线，根据用电容量和线路长短，建设专用的主变电所，主变电所应有两路独立的进线电源。主变电所进线电压一般为110kV，经降压后变成35kV，经电缆环网，沿线路、隧道敷设至地下车站的牵引变电所与降压变电所。牵引变电所将35kV牵引变降压并经24脉整流得到1500V直流，经接触网对地铁电客车供电，走行轨回流方式。降压变电所从中压环网取电，降压为0.4kV，对车站所有用电设备供电。[1]

1.2 直流供电方式的弊端

杂散电流（迷流）将对地铁中供电网的电气设备、设施的正常运行造成不同程度的影响，以及对基础工程的隧道、道床的结构钢和附近的金属管线造成危害 。

地铁电客车的频繁启停和很大的行车密度，不利于电客车直流电机的换向，而使用VVVF逆变器驱动的三相鼠笼式异步电机，也存在电客车设备复杂等缺点。牵引网和动力照明使用同组35kV中压环网电缆，相互影响。地下车站建设要有足够的牵引变压器和整流机组的空间，建造成本高。

2 交流供电技术方案及优势

2.1 交流供电技术方案

李教授提出的城市轨道交通交流供电系统，主要由主变电所（MSS）和电缆牵引网组成，电缆牵引网包括双芯电缆（DCC）、牵引变压器（TT）和接触网（T）、钢轨（R）等组成，其中双芯电缆由供电芯线（FC）、回流芯线（RC）、保护层（PL）等组成，也可以用同轴电缆；牵引变压器为单相接线，双芯电缆和接触网平行架设。W、K为断路器、S为分段器，P为分区所，LC为列车。可以看出，该牵引系统用双芯电缆组成电缆牵引网，取代了原有三根单芯电缆组成的牵引网，牵引变压器从双芯电缆的供电芯与回流芯之间取得电能，该牵引变压器次边的一边接与钢轨，一边经过断路器接于分段绝缘器两侧，此处也是分段绝缘器位置。

2.2 该系统优势

①电流从双芯电缆回流，走行轨几乎无回流电流。②无杂散电流（迷流）对电气设备与地下工程的影响，无需安装杂散电流监测装置。③交流工况下，再生制动时，比直流供电系统能更方便更高效率地利用电能。④电客车所使用的交流电机无直流电机换向的麻烦。

3 经济性浅析

3.1 主变电所

3.1.1 直流供电系统主变电所

一号线在皂角树车辆段内和火车南站附近分别设置1座110/35kV主变电所，负责地铁1号线工程用电负荷的供电，其主所主要设备有：主变压器25000KVA两台（含变压器中性点设备），110kV全封闭GIS（含套管）两套，35kv配电装置SF6开关柜13套（含母联一套），160KVA站用干式变压器两台，接地变压器两套。

3.1.2 交流供电系统主变电所

一条线路的情形下，新型交流供电系统主变电所可以建设于线路中间位置，也可建设于线路的任意一端，这取决于线路长度及负载客流密度。主变采用单相牵引变压器MTT和负序补偿装置NCD组合进行供电，以方便对负序进行集中地治理，负序补偿装置由高压匹配变压器HMT、交直交变流器ADA、牵引匹配变压器TMT等构成。

虽然交流供电系统主变电所比直流供电系统主变电所多一套负序补偿装置，但前者所使用较为便宜的单相牵引变压器作为主变，所以主所造价几乎相等。但是交流供电系统电压降较小，可供电距离较长，所以可以选择两条，甚至三条线路共用一个主变电所。除单个占地面积较大，采用三台单相主变压器以外，不会增加太多设备与投资。相比直流供电系统三条线路，一般6座主所，交流供电系统投资较少，经济性較好。

3.2 中壓环网与电缆牵引网

3.2.1 直流供电系统中压环网

一号线现有直流供电系统的中压环网电缆是由三根单芯电缆组成AC35kV供电环网，且牵引和动力照明共用。全长18.5km的一号线一期工程线路，使用3M牌单芯电缆（型号WDZA-FS-YJY63-26/35kV）共计202.293km（含控制中心电缆线路），电缆中间接头（型号QT111-7684K）共计180个。

3.2.2 交流供电系统

交流供电系统将中压环网分为电力牵引网与动力照明环网分开设置，其电缆牵引网使用双芯电缆，但是双芯电缆无备用，正常工作概率为99.244%至99.885%，为提高可靠性，采用一根电缆备用，形成电缆50%备用方式，正常工作概率可提升为99.994%至99.999%。对应双芯电缆可改为选用三芯电缆，其中一芯供电，一芯回流、一芯备用。这样可以不单独制造双芯电缆，减小电缆使用，节省费用。

为了使动力照明网与电力牵引网互不干扰，加设专用的动力照明网，用较小容量35KV三芯电缆即可。

对比一号线既有工程，交流供电系统牵引网所用三芯电缆共48.726km，动力照明环网（含控制中心电缆线路）用三芯电缆62.561km，由此可见电缆使用长度大大减少，但交流所用为三相电缆，且多一组安装费用，电缆方面交流供电系统经济性优势不明显。

4 其他经济性对比

4.1 地下车车站建设对比

直流供电系统地下车站乘车层端门外设备器室布置（一号线无再生制动设备）如下图所示：

乘车层端门外依次设置0.4kV开关柜室、35kV开关柜室、控制室、整流机组室，牵引变压器和上网隔离开关室，动力照明的降压变压器设置于上层进站层。员工值守点位于0.4kV开关柜室。

新型交流供电系统只有牵引变，不需要建设如此规模的地下车站，无整流机组，所以可以节省上图整流机组室，但走行轨出站有交叉渡线，地下车站建设开挖不会减少，但空余面积可减小混凝土工程，或用作它途，条件允许还可以将动力照明降压变设置于本层。

4.2 运营公司检修

直流供电系统设备繁多，而修制的制定又基本固定，这就导致有很多需要检修的设备，运营公司将大量招检修工才能满足检修需求。而交流供电系统可减少需减少设备，如交流供电系统没有24脉整流机组，可省去整流机组的维护及保护校验，甚至减少用工数量，进而减少运营公司的运营成本。

【参考文献】

【1】陈非.社区巴士运行特征分析与优化对策[J].公路交通科技（应用技术版），2012（08）：56.