城轨交通供电系统环境影响验收要素分析

付连著

（铁科院（深圳）研究设计院有限公司，广东深圳518000）

随着经济的发展，城市交通问题日益突出，优先发展公共交通、大力发展城市轨道交通已成为诸多城市的必然选择，供电系统作为城市轨道交通系统的重要组成部分，直接影响其运营安全性。但在整个供电系统运行时，可能会对系统以外的环境产生不利的影响，如供电系统谐波、电磁辐射、杂散电流腐蚀等，因此，城市轨道交通项目建成后，在验收、调试以及运营期间，应考虑供电系统对外部环境的影响。

1 城市轨道交通供电系统结构

城市轨道交通供变电系统设施包括主变电所/电源开闭所、牵引变电所、降压变电所和跟随所等。其中集中式供电需设置主变电所，主变电所通常引入AC 110 kV高压，降压至35 kV或10 kV，分散式供电则直接采用来自城市电网的10 kV/35 kV中压，通过电源开闭所接入牵引变电所和降压变电所。牵引变电所将AC 35 kV/10 kV中压降压整流至DC 1.5 kV/750 V为接触网或接触轨供电。降压变电所将AC 35 kV/10 kV中压降压成AC 380/220 V低压电，向车站各种动力、照明设备供电［1］。降压变电所时常与牵引变电所合建，根据需要，区间可设立跟随式降压变电所。城轨交通供电系统结构见图1。

图1 城轨交通供电系统结构

2 牵引供电系统谐波

城市轨道交通牵引供电系统通过牵引变电所将AC 35 kV/10 kV中压降压整流成DC 1.5 kV/750 V，为牵引网供电。由于牵引整流机组为非线性负荷，工作时致使电网中电压畸变，产生大量谐波，造成电能质量降低。如牵引整流机组采用24脉波整流，虽然与之前的12脉波整流相比，整流电压更平稳，纹波系数更低，但仍避免不了产生较多的高次谐波［2］。城轨列车也属于非线性负荷，由于使用变压变频（VVVF）技术，车载逆变器和变频器工作时会产生大量谐波，这些谐波最终将扩散到供电系统中。另外，在动力照明供电系统中，变频器、荧光灯等动力照明设备也会产生谐波。

由于谐波会对供电线路产生较高的附加损耗，降低电能质量，使电网中的设备产生谐振，干扰继电保护和自动控制等设备的正常工作，有必要进行谐波的治理和测试。治理方案往往从源头采取措施，可采取增加牵引整流机组的脉波数、滤波、谐波补偿等措施。根据GB 50157—2013《地铁设计规范》要求［3］，直流牵引系统及非线性用电设备所产生的谐波应符合现行国家标准GB/T 14549—1993《电能质量：公用电网谐波》的有关规定。在工程验收或系统联调中，宜考虑使用电能质量分析仪等设备对该项目进行测试。

3 综合接地系统

目前，城市轨道交通多采用综合接地系统。该系统将线路沿线一定范围内供电系统的强电接地，信号、通信等弱电系统的接地，以及建筑物内外金属设施（如结构钢筋、金属管道）等共同连接，形成综合接地网，实现等电位联结［4］（见图2）。

图2 城轨交通综合接地统结构

为了保证城市轨道交通系统内人员和设备的安全，在综合接地系统中，通常要求供电系统和信号系统接地点的接地电阻在1 Ω以下。在工程验收或系统联调中，应考虑多点测试接地电阻的性能要求，重点考虑综合地网的接地电阻，以及其他强电、弱电设备总接地母排、接地端子与综合地网的接续电阻。

4 接触电压和跨步电压

为了防止杂散电流腐蚀，往往要求城轨系统走行轨对地绝缘安装，受牵引回流的影响，列车运行时钢轨电位会有较大幅度抬升。由于列车车体与钢轨等电位，站台屏蔽门及地板与列车车体之间存在电位差，当乘客跨越车门时，两者之间的电位差会引起接触电压和跨步电压，可能使乘客被电击。在设计要求中，往往会在站台边缘铺设一定宽度的绝缘橡胶板，在屏蔽门上加装绝缘材料，并将屏蔽门与钢轨进行等电位联结［5］，以防止接触电压和跨步电压对乘客造成危害（见图3）。一般来说，为了防止引入牵引回流，屏蔽门仅仅在车站的一端与钢轨相连，在工程验收或动态联调中，宜考虑测试站台边缘接触电压和跨步电压、整排屏蔽门的接续电阻等指标是否符合设计要求。

图3 城轨交通屏蔽门与钢轨等电位联结示意图

另外，在钢轨和综合接地系统之间需安装过压保护器，将正常及故障状态下的钢轨电位钳制在一定范围内，保障人员和设备安全。在工程验收或动态联调中，宜考虑对此项目进行测试。

5 主变电所产生工频电磁场的影响

我国城市轨道交通主变电所涉及到的高电压等级多为110 kV（少数为66 kV），由于高压气体绝缘全封闭组合电器（GIS）等设备的出现，且由三相分箱发展成为三相共箱，设备体积显著变小，致使主变电所由敞开式室外建设转变为封闭式室内建设模式，同时，高压进线和中压出线均采用地埋方式敷设，因此，城轨主变电所产生的工频电磁场与以前室外建设模式相比有很大程度降低。

城市轨道交通建成后，主变电所附近若有居民区、学校、医院等敏感目标时，其产生的工频电场场强和工频磁感应强度应符合国家环境质量标准GB 8702—2014《电磁环境控制限值》规定的限值要求［6］。在工程验收或动态联调中，应根据实际需要考虑是否对此项目进行测试。

6 整个轨道系统对外界的电磁发射

城轨列车运行时，由于车载受电设备与地面供电设施连续滑动摩擦，遇到硬点会产生瞬间分离，从而产生脉冲骚扰，该骚扰从频域上看表现为单调下降的宽频带频谱，其强度与列车运行工况以及牵引供电制式关系密切［7］。目前较为常见的城市轨道交通牵引供电制式有以下几种：直流1 500 V架空接触网式，即通过接触网和受电弓滑动接触为城轨列车运行提供电力；直流1 500 V、750 V第3轨受流，即通过接触轨与集电靴滑动接触为列车运行提供电力。

由于城市轨道交通运行时对外界产生电磁发射，可能会干扰线路附近敏感设备的工作，如城轨线路引入机场［8］，可能会干扰机场雷达和导航设施的正常工作等。根据GB/T 24338.2—2018（IEC 62236-2：2008，MOD）《轨道交通：电磁兼容：第2部分：整个轨道系统对外界的发射》［9］，整个轨道交通系统对外界的发射应符合标准规定的限值要求，该限值是国际公认的关于轨道交通系统对外界电磁发射评价和验收依据。在工程验收或动态联调中，宜考虑对此项目进行测试。

7 杂散电流腐蚀防护

目前城市轨道交通一般采用直流牵引供电，列车电源由牵引变电所提供，通过架空接触网或接触轨送向列车，机车受流后通过走行轨回流。虽然在设计中走行轨对地要求绝缘，但由于走行轨对大地始终存在过渡电阻，因此牵引回流并非全部通过走行轨回流至牵引变电所，而是有一部分通过走行轨杂散流入道床，并由道床流向结构钢筋、电缆外皮以及沿线的金属管线，在变电所附近这些散在外部的电流又通过金属管线、道床等媒质流回走行轨并最终回到牵引变电所，从而形成杂散电流（见图4）。

图4 城轨交通供电系统杂散电流分布

杂散电流又称为迷流，在采用直流牵引供电制式并通过走行轨回流的城市轨道交通项目中，由于其对结构钢筋、道床钢筋和沿线金属管道具有很强的腐蚀作用，因此相关防护是必须考虑的内容。其腐蚀原理主要是原电池机理，防护措施主要包括提高钢轨对道床（或大地）之间的绝缘电阻，增强钢轨本身的导电性，在沿线设置杂散电流排流网，通过沿线布设的测试电极和参比电极进行动态监测，当监测点极化电位超标时通过排流柜排流。

由于杂散电流对城市建筑和线路本身具有较大腐蚀作用，为了有效地限制杂散电流，降低与消除其不利影响，国家颁布了GJJ 49—1992《地铁杂散电流腐蚀防护技术规程》［10］，欧洲颁布了EN 50122-2系列标准，对地铁杂散电流防护的相关要求作出了详细规定。其中，钢轨对大地（或道床）的过渡电阻是轨道交通工程杂散电流防护领域验收时重要的评价指标。GJJ 49—1992《地铁杂散电流腐蚀防护技术规程》规定，兼用作回流的走行轨与隧洞主体结构（或大地）之间的过渡电阻值，对于新建线路不应小于15 Ω·km，对于运行线路不应小于3 Ω·km。此外其他几项重要指标还包括钢轨回流阻抗、极化电位偏移值等。在工程验收或动态联调中，宜考虑对此项目进行测试。

8 结束语

城市轨道交通供电系统是一项庞大的工程，为轨道交通的整体运行提供着最核心的支持。但供电系统运行时可能会对外部环境产生各种影响，包括非线性负荷对电网的谐波发射、整个轨道交通系统对外界的射频电磁发射、主变电所产生的工频电磁场、综合接地系统的等电位效果、站台边缘接触电压和跨步电压、杂散电流腐蚀等影响。在城市轨道交通供电系统工程验收、系统联调时，宜参照国际、国内标准以及设计文件的要求［11］，在相关的环境影响领域选择对应项目进行测试，从多个角度对城市轨道交通供电系统对外部的环境影响进行考核。