城市轨道交通不同牵引供电制式下的电源系统共享方案

王开康

(中铁第四勘察设计院集团有限公司,430063,武汉//高级工程师)

根据CJJ/T 114—2007《城市公共交通分类标准》，城市轨道交通包括地铁、轻轨、单轨、有轨电车、磁浮、自动导向轨道及市域快速轨道等系统[1]。其牵引供电系统有直流制式和交流制式。其中，直流制式多用于线路较短、站间距较小、列车最高运行速度在100 km/h以下的城区内线路，如地铁和轻轨系统等[2]；交流制式多用于线路较长、站间距相应较大、列车最高运行速度在120 km/h以上的市域快速轨道系统(以下简称“市域快轨”)[3]。

随着经济和社会的发展，我国一些大城市的市域不断扩大，对市域快轨的需求也越来越旺盛。当市域快轨采用交流制式时，就与采用直流制式的城区地铁、轻轨线路存在电源共享的问题。但由于牵引供电制式的不同，往往会设置独立的牵引变电所以及外部电源，不仅占用了大量的电力资源和土地资源，也增加了工程投资。鉴于此，本文对不同牵引供电制式下，线路外部电源及电源变电所方案进行充分研究。这对实现资源共享，具有非常重要的现实意义。

1 牵引供电系统构成

图1 典型交流制市域快轨牵引供电系统示意图

根据T/CCES 2—2017《市域快速轨道交通设计规范》，市域快轨交流制供电系统应包括外部电源、牵引变电所、分区所、开闭所、电力变(配)电所、电力供电环网、牵引网和电力监控系统等[3]。其中，电力变(配)电所、电力供电环网主要为沿线车站及区间动力照明负荷提供电源，一般与牵引供电系统分开独立设置。典型交流制市域快轨牵引供电系统构成如图1所示，典型交流制市域快轨电力供电系统如图2所示。

在一般交流制电气化铁路中，图2所示配电所一般从电力系统直接引入10 kV电源；对于交流制市域快轨可从电力系统直接引入10 kV电源，也可直接引入110 kV电源降压为20 kV或10 kV。当直接从电力系统引入10 kV电源时，需在贯通线前设调压器，以调整线路末端电压满足负荷要求。

图2 典型交流制市域快轨电力供电系统示意图

地铁供电应包括外部电源、主变电所(或电源开闭所)，以及牵引、动力照明、电力监控等系统；牵引供电系统包括牵引变电所与牵引网;动力照明供电系统包括降压变电所与动力照明配电系统[2]。典型地铁供电系统构成如图3所示。

图3 典型地铁供电系统示意图

从图1～3可以看出，采用不同牵引供电制式的城市轨道交通线路供电系统存在较大差别。交流制市域快轨一般直接从城市电网引入110 kV电源至牵引变电所，经牵引变电所降压为27.5 kV后，直接为车辆提供牵引电源;其独立的电力供电系统可为沿线及车站的动力照明系统提供电源。直流制轨道交通线路一般多采用集中或分散供电(因本文研究内容主要涉及集中供电，故对分散供电不做详细介绍)。以集中供电为例，从城市电网引入110 kV外部电源至主变电所，经主变电所降压为35 kV后，通过牵引和动力照明共用的中压环网将电能输送至各车站，再降压为0.4 kV后为动力照明系统提供电源;部分设置牵引变电所的车站需经降压及整流后为车辆提供直流牵引电源。

综上可见：电源系统总共有交流制牵引电源、交流制电力电源、直流制供电电源(牵引动力照明混合网路，共享电源系统)。不同牵引供电制式下的电源系统共享方案即以上三部分的共享方案。

2 电源共享方案

在研究不同线路间的电源系统共享的时候，要先确定不同线路之间是否具备共享条件。一般来讲，当不同线路具有以下条件时，可考虑共享：①线路间有换乘关系；②线路间距离较近，一般在4 km以内为宜。如线路间距离太长，一方面，电缆敷设路径长，选线难度大、建设成本高；另一方面，供电时会有电能损失，运营成本高。

2.1 交流制供电系统的外部电源共享方案

交流制供电系统的外部电源共享方案如图4所示。该方案中，线路内部的牵引和电力供电共享110 kV外部电源，牵引和电力供电分设变(配)电所，变电(配)所及以下的电气系统完全分设，变电(配)所土建部分可以合建。

该方案没有实现不同牵引供电制式线路间的共享，主要适用于交流制市域快轨与城区线路不具备共享条件的情况。温州轨道交通S1、S2线即采用此方案[4]。

图4 交流制供电系统外电源共享方案示意

2.2 交流制与直流制供电系统电源共享的既有方案

该方案如图5所示，交流制电力配电所与直流制主变电所合设主变压器，并与交流制牵引变电所共享110 kV外部电源。变电所土建部分合建。

该方案实现了不同牵引制式线路间的外部电源共享，可节省电力资源及外部电源投资。同时，电力配电所与主变电所共享变压器，可有效降低变电所用地面积和工程投资。目前,国内大多数城市(如成都及广州等)在规划交流制市域快轨与城区直流制线路时首选了该电源共享方案。

图5 交直流制供电系统电源共享既有方案

2.3 交流制与直流制供电系统电源共享的新方案

共享新方案如图6所示。主变电所内设置2台三绕组变压器。该变压器二次侧两绕组额定电压分别为35.0 kV和27.5 kV。其中，35.0 kV绕组向直流制线路提供牵引及动力照明用电，向市域快轨提供电力用电；27.5 kV绕组向市域快轨提供牵引用电。

图6 交直流制供电系统电源共享新方案

新方案实现了不同牵引制式线路间的电源共享，可节省电力资源及外部电源投资。由于主变压器与交流牵引变电器共享，减少了一、二次供电设备数量，可以最大程度地降低变电所用地面积和工程投资。该方案目前尚无工程实施案例，因此需对方案实施所涉及的几个关键问题进行分析。

2.3.1 三绕组变压器的制造

该方案的核心为牵引及降压共用的110 kV/35 kV/27.5 kV三绕组变压器。目前，三绕组变压器技术非常成熟，110 kV/35 kV/10 kV的三绕组变压器应用广泛。可见，在制造工艺上该三绕组变压器是完全可以实现的。

目前所面临的问题主要是：该变压器属于特种应用变压器，其市场应用尚未完全开发，产品生产制造成本较高。随着交流制市域快轨线路的增多，产品需求进一步增加，采购成本会不断下降。总体而言，虽然目前该产品的采购成本较高，考虑到主变电所的外部电源线路建设费用较少，以及一、二次供电设备购置费用较少，该方案的经济性是可以接受的。

2.3.2 三绕组变压器的接线

2.3.3 电能质量影响

直流制城市轨道交通线路是一种三相、整流的对称负荷，其对电力系统的不利影响主要是无功功率和谐波等。现阶段，直流制线路普遍采用等效24脉波整流，车辆采用直流-交流传动系统，牵引负荷的谐波和功率因数问题已得到明显改善。系统中大量电缆线路产生的容性无功会引起功率因数低的问题。这在国内多条城市轨道交通线调试和运营初期均有发生。但随着线路投运时间的增加，行车对数及各种其它负荷增长后，这一现象也不再明显。由低压整流设备及逆变设备产生的谐波是目前系统中的主要谐波源，但由于此类设备容量较小，其谐波尚不足以影响整个系统的谐波含量指标，经多个项目的评估及实测，城市轨道交通的谐波指标完全满足相关标准要求[5-7]。为了进一步净化系统电能质量，目前城市轨道交通线路大多在主变低压侧设置SVG(静止无功发生器)，在提高功率因数的同时，还可滤除系统中的谐波。可见，直流制线路对电力系统的影响已基本消除。

交流制市域快轨是一种单相、整流的不对称负荷。其牵引负荷波动频繁、变化剧烈，对电力系统产生无功功率、谐波、负序等不利影响。目前，市域快轨车辆大多采用交流-直流-交流传动系统，其牵引负荷的功率因数可达0.95以上，谐波含量很低。针对负序问题，可采用牵引所换相连接、平衡牵引变压器、同相供电等技术手段进行改善。尤其是采用同相供电技术，可以完全消除系统不平衡，滤除谐波并补偿无功，使变化剧烈、含有大量谐波和低功率因数的不对称单相牵引负荷，对电力系统而言仅相当于一个纯阻性的三相对称负荷；此外，同相供电技术可省去自动过分相装置，解决市域快轨过分相设置困难的问题，能提高变压器容量的利用率，提高供电系统的灵活性和可靠性。该技术已在成昆铁路眉山牵引所及山西线重载铁路项目中成功投入。温州市域快轨S1线也采用了该项技术，目前已开通运营[8-10]。

综上所述，在采用一些常规的电能质量治理措施后，无论是直流制还是交流制供电系统的电能质量都可以满足相关标准要求。上述治理措施都是在主变压器的低压侧母线及以下系统实施的，故而治理后城市轨道交通系统对电力系统的电能质量不会产生影响，交、直流制式间也不会产生不利影响。

2.3.4 故障影响

采用本方案后，当单电源或单台变压器发生故障或检修时，部分一、二级负荷短时停电(停电时间与备用自投方案有关，一般在秒级)，并在备用自投装置投入后自动恢复供电，三级负荷会全部或部分停电。当单座主变电所解列时，将由各线相邻主变电所支援本线供电。此时，一、二级负荷会短时停电(停电时间与倒闸方式有关)，三级负荷将全部或部分停电。可见，方案二的故障发生后的运行方式及影响范围同目前城市轨道交通主变电所共享方案基本一致，已被行业内普遍认可。有所不同的是，当变电所35 kV母线发生故障或检修时，仅影响到市域快轨线的电力供电，影响范围比城市轨道交通主变共享后要小。

3 结语

基于三绕组变压器的交流及直流牵引供电制式下电源共享方案是一种全新的方案，目前在城市轨道交通中无实施案例。本文对方案中所涉及的关键技术问题进行了定性分析，结合相关研究分析，证明了该方案不仅技术可行而且节能。城市轨道交通电源系统作为整个项目的核心环节之一，务必要做到安全可靠，因此在该方案实施前，需进行更加深入的调研工作，细化方案实施细节。随着市域快轨的迅速发展，本文所提出的基于三绕组变压器的交流及直流制式牵引供电系统电源共享方案将会成为项目实施优选方案之一。