城市轨道交通供电系统及电力技术分析

邢妍

摘 要：城市轨道交通供电系统的稳定性和可靠性是城市軌道交通正常有效运行的重要保障，该文介绍了城市轨道交通供电系统的组成、结构及各技术在地铁中的应用，并对供电系统中的电力技术进行了分析，提出了解决问题的方法。

关键词：城市轨道交通 供电系统 牵引变电 电力技术

中图分类号：U264.3 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2019）01（b）-00-03

供电系统是城市轨道交通的动力源泉，负责线路电能的供应和传输，关系到整个城市轨道交通运行的质量和效率。截至2018年3月，上海共启用了16条线路（不包含磁浮），线路总长达到了了673km，日最大客流量达到1235.5万人次。随着城市轨道交通网络越来越发达，运营线路越来越长，对城市轨道交通供电系统可靠性提出了更高的要求，因此研究并探讨其供电系统结构及电力技术分析就具有重要的现实意义。

1 城市轨道交通供电系统组成

城市轨道交通作为城市电网的重要用户，一般直接从城市电网获取电能，供电系统主要由电源系统、牵引供电系统和动力照明系统组成。其中外部电源可以看作是城市轨道交通供电系统与城市电网的接口，将电能从城市电网引入供电系统；牵引供电系统主要负责向全线运行的车辆提供电能，通常包括牵引变电所和牵引网两大部分；动力照明系统为除城市轨道交通车辆以外的其他所有地铁用电负荷提供电能，其中包括通信、信号、事故照明和计算机系统等许多一级负荷，如图1所示。

2 电源系统供电方式

城市轨道交通的线路相对较长，供电范围较广，呈线性分布，根据各地城市电网的发达程度以及线路实际情况，大多采用集中式供电、分散式供电和混合式供电3种供电方式。

2.1 集中式供电

所谓集中式供电，就是沿着城市轨道交通线路，根据用电容量和线路的长度，建立专用的主降压变电所为整条线路供电的外部供电方式，如图2所示。每座主变电所设立两路独立的AC110kV进线电源，保证供电的可靠性，然后将电压降压为城市轨道交通内部供电系统所需的电压等级（一般为AC35kV或AC10kV）。

集中式供电有利于城轨交通公司的运营与管理，各变电所由环网供电，可靠性较高。但是需要建立单独的主变电所，并且主变电所需配备2台大功率降压变压器，投资成本较高。集中式供电系统相对独立性较强，自成系统，目前国内外包括上海、广州、南京、香港、德黑兰等地均采用这种供电方式。

2.2 分散式供电

所谓分散式供电，就是线路沿线分散从城市中压网络引入多路电源，直接或通过电源开闭所间接地为牵引变电所和降压变电所供电的外部供电方式，如图3所示。

分散式供电不需要建立主变电所，投资成本相对较低，但是由于直接从城市电网中压引入，供电质量会被周围居民用电影响，供电质量的稳定性较低，也不方便管理。分散式供电与城市电网关系紧密，运营管理相对复杂，最早应用于北京地铁1、2号线，目前长春轻轨、大连轻轨、北京地铁4、5、9等线均在使用。

2.3 混合式供电

混合式供电是前两种供电方式的结合，以集中式供电为主，个别地段引入城市电网中压作为补充的供电方式。混合式供电是一种介于集中式供电和分散式供电之间的组合供电方式，根据城市电网现状和未来规划以及城市轨道交通供电系统的需要，吸收了前两种供电方式的各自优点，供电方案更为灵活，供电质量较为可靠。

目前武汉轨道交通一期工程采用了以集中式供电为主的混合式供电方案，北京地铁10号线二期工程采用的是以分散式为主的混合式供电方案。

无论哪种供电方式都要保证牵引供电系统和动力照明系统的供电可靠性，各变电所都应有两路独立的电源进线，互为备用。供电方式的抉择需考虑的主要影响因素如表1所示。

3 牵引供电系统结构和分析

3.1 牵引供电系统供电制式

城市轨道交通牵引供电系统的供电制式多为直流制和交流制两种形式，近年来也逐渐兴起了将直流制和交流制相结合的模式，即双制式供电系统。其中直流制是牵引供电系统中常用的供电制式，牵引变电所将从中压网络引入的电流经降压整流机组变为直流电（DC1500V或DC750V），然后将直流电输送到牵引网上，向列车提供电能。直流制供电是出于地铁牵引电机的需求，可以将整流装置安装在牵引变电所，减轻车身重量；同时直流牵引网供电连贯，可以在故障运行时进行双边供电向单边供电和大双边供电的供电方式切换，保障列车的可靠受电。但直流制供电也有着一定的弊端，如线路损耗较大、杂散电流危害、再生能量反馈难和供电距离较短等。

3.2 牵引网的构成

城市轨道交通牵引供电系统中，牵引网是由馈电线、接触网、走行轨和回流线构成的供电网的总称，接触网是列车受电的直接装置之一，根据安装位置的不同分为架空接触网和接触轨两类。

表2所示为我国国内部分城市轨道交通的供电制式和牵引网的选择，可以看出各类接触网在国内均有一定的应用。

4 城市轨道轨道交通供电系统相关技术的探讨

4.1 供电系统中谐波分析及治理

在城市轨道交通供电系统中由于存在非线性负荷，如牵引整流机组、荧光灯和UPS电源等，会产生大量的谐波，降低电能质量。供电网络中的谐波不仅会对供电线路产生附加损耗，影响系统中电气设备的正常运行，还会对通信系统产生干扰。在直流制牵引供电系统中，整流机组是产生谐波的主要原因。限制谐波的方法有增加整流装置的脉波数，加装无源或有源滤波器等措施。

4.2 供电系统中无功功率补偿

城市轨道交通中的动力照明系统中包含了大量的低压用电设备，功率因数较低。系统中功率因素过低，会使供电线路中损耗增加，导致变送配电设备发热严重；还会增加供电线路的无功电压降，导致线路末端端电压过低，甚至会导致电压和电流相位差变大，产生较为严重的谐波分量。因此应该进行无功功率补偿来提高系统的功率因因数。

4.3 迷流腐蚀及防护

直流制牵引供电系统中，利用走行轨作为电流的回流线，但由于钢轨对地不是完全绝缘，会导致部分电流杂散流入道床，并经由钢筋、水管等金属导线流回牵引变电所，从而形成迷流。迷流会对轨道交通中的金属产生电解腐蚀，导致走行轨以及地下金属设备受到严重损坏。对迷流的处理方法主要是防治和监测相结合。防治主要是减少杂散电流值，常用的方法有加强走行轨对地绝缘，在沿线设置合理的迷流收集网和排流柜等排流装置，以便将迷流引回牵引变电所负极。检测是指通过专用检测系统检测轨地阻抗和运输结构的腐蚀电位，为迷流腐蚀防护提供精确地数据，指导轨道的养护和保养等工作。

4.4 供电系统继电保护技术

在城市轨道交通供电系统中，继电保护技术可以对供电的运行起到重要的保护作用，当故障发生时可以快速有效地切除故障设备或进行報警。对于交流供电部分，主要有过负荷保护和零序电流保护，分别应用于负荷过载运行和配电变压器高压侧和进线电缆单相接地故障。对于直流馈线保护，主要有大电流脱扣保护、电流上升率和电流增量保护、过流保护、双边联跳保护、接触网热过负荷保护和自动重合闸等。供电系统继电保护中可以将灵敏性和速动性较高的纵联差动保护措施作为主保护，即用通信信道将输电线两端的保护装置纵向联结，将两端的电气量传送到对端，通过比较后进行判断是否执行保护动作。

5 结语

城市轨道交通为人们提供便利的同时，也提出了如何完善城市轨道交通供电系统，如何保证供电系统高效、安全、稳定的运行等难题。该文对城市轨道交通供电系统进行了详细的介绍，并且就供电系统中的关键电力技术进行了分析，这对于城市轨道交通供电系统的改进和优化有着重要的意义，也值得人们对其展开更为深入细致的研究。

参考文献

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[2] 罗益.城市轨道交通牵引供电及电力技术分析[J].科技经济导刊，2018，26（21）：81.

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