城市轨道交通交流牵引供电系统关键技术

杨广德

（天津铁道职业技术学院，天津 300143）

0 引言

随着经济和科技发展，交通运输领域也表现出快速发展趋势，很多一二线城市纷纷建设轻轨、地铁等，其中，城轨供电问题成为一个难题。城轨系统电源来自于城轨交流牵引供电系统。为了缓解城轨供电压力，本文对供电系统进行分析，对其设计模式进行创新，希望可以供应更多电力。

1 城轨交流牵引供电系统接触网电压等级确定

该系统进行供电是建立在35 kV 电缆和接触网基础上实现的，属于工频单相交流供电模式。一般来说，过去城轨供电系统的接触网电压是1500 V 或者750 V。由于该系统是在过去系统的基础上进行创新的供电模式，因此需要对电压等级因素进行调整。下面介绍如何确定该系统的接触网电压等级。

1.1 系统结构

从整体上说，该系统主要包括主变电所、单向组合式同相补偿装置（MTT 和NCD）、供电电缆和回流电缆（与接触网平行或敷设在电缆沟中），以及单项牵引变压器TT（间隔一定距离，不同绕组与不同设备并接）等。供电电缆之后的部分组成电缆牵引网，负责对输入电压进行等级变换，并为列车提供电能。

1.2 设计条件

过去的城轨牵引供电系统采用双边供电模式，支持列车在轨道的任意一边行进时，同时从两侧牵引变电所获得电能。如果末端供电单位出现问题，才会使用单边供电方式；如果中间的供电单位退出，此时由两边的点位供电，实行的是大双边供电模式。在这个过程中，电压损失主要是由于机车取流大小、位置、布设点位等因素导致。如果是双边供电模式，最大的损失出现在馈电区中点，但是按照规定，系统运行时产生的最大电压损失不能超过限值。因此，设计要保证在开展大双边供电时，最大电压损失低于限值，这样才能保证系统运行的稳定性。

该系统设计时也应如此，如果有中间点位退出，需要安排两侧的点位进行供电，并且列车的正常运行和高峰最大客流运输能力不受阻碍。

1.3 主要考虑因素

对于电压等级的确定，主要需要考虑的因素有：①交流电压峰值是有效值的倍；②城轨地下线路的隧道净空及绝缘空间有限；③无车载变压器带来的电压情况；④接触网供电能力尽量高，使得损失尽量小。

在对其进行论证时，需要考虑4 方面因素，接触网的空间结构设计应当尽量简洁，有利于轻型悬挂；钢轨电位，需要尽量满足EN 50122—1 的规定或者易于管理和控制；系统电压的损失计算方法适用性强，系统在采取某电压等级后，应当使用当前普遍使用的计算方法进行电压损失的计算和工程设计；电压水平需满足出行高峰时正常运行产生的最低电压要求。

2 城轨交流牵引供电系统分析

当前广泛应用的系统类型是AC 25 kV、DC 1500 V 两种。随着技术进步，也出现将这两种方式结合到一起的形式，即双制式。该系统的应用目的是为城轨上的列车进行供电，保证列车稳定运行，具体的供电方式是借助牵引网传输电流。也就是说，整个系统相当于电力传输模式、电压和系统类型的汇总。该系统直接影响城轨安全运行，因此其系统设计和分析等备受关注。下面简单介绍其核心技术。

2.1 供电方式

（1）直流制。变电所、牵引网、接触网一般使用DC 1500 V的供电方式。该方式下的牵引网选择双边供电，若其中某个牵引所出现问题，就转变成大双边供电，这样可以跨区域供电。同时，在该方式下一般会安排杂散电流保护机制，主要是因为该模式下可将电能顺利分流，并实现长距离输送。但因为变电模式影响，使其可供电距离较短，因此可能增加一些设备的建设和配置，增加成本。此外，该方式下的电能传输速率较低，优势不明显。

（2）交流制。该方式下的系统使用25 kV 交流电。在该方式下，变电所配置两部变压器，一般选择双绕组的单相变压，因此这些设备组成三角形结构，有一侧角存在开口。因为需要依靠变电所实现降压要求，所以在终端进行降压之外，在各个线路区间内也有设置的加压系统，主要提供照明电力。但实际运行期间，发现该系统运行对于设备的耐磨损要求较高，主要是因为该系统长时间处于动态取流状态，接触压力极大，设备磨损度较高。

2.2 电缆牵引网

一般城轨交通牵引供电系统是由DC 1500 V 供电，在某些条件下换成750 V。但是经过实践发现，如果使用交流电实施供电，轻轨和地铁的牵引网应设计上下行两条线路，采取并行模式，配置一条备用线路，在设计时备用线路也同样工作。这样两条线路互相作为对方的备用线路，可以大大提高系统运行的可靠性。

2.3 牵引网分段供电与保护

城轨交通中的电缆牵引网较多，例如，可支持长距离传输、可输送电能大等，应用十分广泛。但是如果选择上下行并行线路的设计方式，会增加系统的架设成本，而且系统结构比较复杂，一旦其中一环出现故障，很容易引起其他环节也出现故障。基于此，选择分段供电模式，划分区段进行供电。设计时，也可以根据要求一起或分段设计。因此，一般情况下，为方便进行施工，是在变压器处进行统一分段，然后在其他区间线路中进行分开分段。通过这种方式和设计，可以避免某段出现问题后影响到其他段，分段实施保护，从而提升系统运行的可靠性，减少出现故障的风险。

2.4 主变电所供电方案

这方面，对于设备数量和安装位置有较大要求，而且设计方案对于实际供电有一定影响。一般具备单线、双线和多线的供电方案，并适应各自的设备安装要求。

3 某市城轨二号线交流供电方案设计及造价分析

3.1 某市城轨二号线概况

某市城轨二号线共经过4 个市区，5 条街道，然后到达终点。线路全长30.5 km，高架段7.1 k m，地下段22.1 km，过渡段1.3 km。线路上共有车站15 座（地下13 座，高架2 座），有换乘站5 座，平均站间距1.96 km，最大站间距4.02 km，最小站间距0.73 km。车辆基地按照一段一场的原则布置。

3.2 供电方案

考虑这个线路的列车密度较大，实施6 kV 接触网电压等级之后，城轨交流牵引供电系统主变电所的单臂最长供电距离可以达到30 km，两侧供电可达到60 km。因此，考虑在线路中间设置一个主变电所，可以满足供电。

在正常工况下，牵引变电所的设计间距可以达到10 km，但最大不能超过12 km。间距越大，产生的区间中点电压损失越大，钢轨电位越高，故尽量避免间距过长，尽量实现均匀分布。因此，应用牵引供电系统时，对本线路的牵引变电所间距设计是4～6 km，具体间距联系站点实际进行。

3.3 方案对比

（1）方案一。2700 MV·A 条件，1 所单主变电所，3 条进线路线，单相变压器接线，主变压器容量为（2×40）MV·A，同相补偿装置容量无，供电可靠性高，三相电压不平衡度满足国际标准，占地少，扩展性较好。

（2）方案二。2700 MV·A 条件，2 所两主变电所，（2+1）条进线路线，单相变压器接线，主变压器容量为（2×40+40）MV·A，同相补偿装置容量无，供电可靠性极高，三相电压不平衡度满足国际标准，占地多，扩展性好。

（3）方案三。1000 MV·A 条件，1 所单主变电所，3 条进线路线，单相组合式变压器接线，主变压器容量为（2×31.5）MV·A，同相补偿装置容量为（2×12.5）MV·A，供电可靠性高，三相电压不平衡度满足国际标准，占地少，扩展性较好。

（4）方案四。1000 MV·A 条件，2 所两主变电所，（2+1）条进线路线，单相组合式变压器接线，主变压器容量为（2×31.5+31.5）MV·A，同相补偿装置容量为（2×12.5+12.5）MV·A，供电可靠性极高，三相电压不平衡度满足国际标准，占地多，扩展性好。

综合来看，无论是什么样的兆伏安条件，单主变电所的方案相比2 所两主变电所方案，在占地和系统总造价方面具备较大优势，但扩展性和供电可靠性方面存在一定弱势。综合考虑地区二号线路需求，本线路推荐选择方案二。

4 结语

城市轨道交通交流牵引供电系统是当前建设城轨应用的新型供电系统，具有一些特殊优势。本文主要论述其系统结构和运行原理，说明其关键技术，可以供技术人员针对城轨线路的特殊性，进行合理选择和设计建设方案。