城市轨道交通供电系统及电力技术分析

杜娟

摘 要：只有保障城市轨道交通供电系统的稳定性与可靠性才能够保障城市轨道交通的正常运行。当前，城市轨道交通常用集中式供电、分散式供电与混合式供电等不同的方式，常用的电力技术有谐波分析与治理技术、无功功率补偿技术与继电保护技术等，需不断提高技术水平。

关键词：城市轨道交通;供电系统;电力技术

中图分类号：U239.5 文献标识码：A

0 前言

城市轨道交通在人们的生活以及社会的发展中发挥着重要作用，而供电系统是城市轨道交通的关键动力，承担着为轨道交通输送电力的重任，影响着城市轨道交通的运行质量。同时，城市轨道交通越来越复杂，因此本文将对城市轨道交通供电系统与电力技术进行简要分析，以期为城市轨道交通的发展提供帮助。

1 城市轨道交通概述及其供电系统构成

（1）城市轨道交通的概念。城市轨道交通指的是城市中使用车辆在固定导轨上运行且用于城市客运的交通系统[1]。城市轨道交通是以电能为主要动力，以轮轨运输为主要运输方式的公共交通，主要包括地铁、轻轨以及现代有轨电车。

（2）城市轨道交通供电系统的构成。城市轨道交通是城市电网的关键用户，通常是从城市电网直接获取电能，其供电系统主要是由电源系统、牵引供电系统以及动力照明系统构成的。电源系统是城市轨道交通与城市电网之间的接口，可以将城市电网中的电能引入到供电系统中;牵引供电系统可以为车辆提供充足的电能，一般是由牵引变电所以及牵引网构成的;而动力照明系统可以为所有的地铁用电负荷提供电能，例如计算机系统、信号系统、通信系统以及事故照明系统等一级负荷[2]。

2 城市轨道交通电源系统的供电方式

（1）集中式供电。城市轨道交通中的集中式供电指的就是根据城市轨道交通的用电容量以及线路长度沿着线路构建专用的主降压变电所，从而为整个城市轨道交通线路供电的外部供电方式（如图1所示）[3]。每一座主变电所都包括两条独立的进线电源，有利于增强供电的稳定性与可靠性。同时，可以根据城市轨道交通内部供电系统的电压需求降低电压。

集中式供电这种供电方式可以为城市轨道交通公司的运营管理工作提供便利，且所有的变电所都是由环网供电的，具有较强的可靠性。但是，集中式供电也有一定的弊端，即需构建独立的主变电所，且主变电所需要配备大功率降压变压器，成本相对较高。当前，上海、广州等城市采用的是集中式供电。

（2）分散式供电。城市轨道交通中的分散式供电指的是线路沿线分散从城市中压网络当中引入多路电源，直接为牵引变电所与降压变电所供电，也可以通过电源开闭间接供电（如图2所示）。

相比于集中式供电，分散式供电不需要构建单独的主变电所，也不需要配备大功率降压变压器，成本较低。但是，电源是从城市中压电网中引入的，所以供电质量会受到居民用电情况的影响，不太稳定，且会加大管理难度。同时，分散式供电与城市电网有密切联系，运营管理难度较大，主要应用在北京地铁、大连轻轨以及长春轻轨中。

（3）混合式供电。顾名思义，混合式供电就是集中式供电与分散式供电的结合，是以集中式供电为主、以分散式供电为辅的供电方式。相比于单独的供电方式，混合式供电汲取了集中供电与分散式供电的优势，可以满足城市电网、城市未来规划以及城市轨道交通的需求，具有较强的灵活性，且供电质量较好。当前，武汉与北京地铁应用了这种供电方式。

在选择供电方式时，需综合考虑各种影响因素（如表1所示）。而无论应用哪种供电方式都应当保障牵引供电系统与动力照明系统的供电质量，且每一个变电所都应当具备两条独立的电源进线，当作备用。

3 牵引供电系统的构成

（1）牵引供电系统供电制式。一般情况下，城市轨道交通当中的牵引供电系统的供电制式主要包括直流制与交流制这两种类型，而近年来也出现了双制式供电系统，将直流制与交流制有机结合了起来。直流制是城市轨道交通牵引供电系统多用的供电制式，降压整流机组可以将牵引变电所从中压网络中引入的电流改变为直流电，之后将直流电输送到牵引网当中，从而为列车供电[4]。直流制供电可以有效满足地铁牵引电机的需求，将整流装置设置在牵引变电所当中，从而减轻列车本身的重量。且直流制供电可以实现牵引网供电的连贯性，当出现故障时可以将双边供电切换为单边供电或大双边供电，增强供电的可靠性。但是，直流制供电也并非全是优点，也存在线路损耗大、供电距离短、杂散电流危害以及再生能量反馈难等问题。

（2）牵引网的构成。牵引网是牵引供电系统的关键构成部分，主要是由馈电线、回流线、走行轨以及接触网共同构成的，是列车受电的直接装置。牵引网的安装位置不同，所以可以将牵引网划分为接触轨与架空接触网等类型。

4 城市轨道交通中的电力技术

（1）谐波分析及治理技术。城市轨道交通的供电系统当中存在大量的非线性负荷，例如荧光灯、牵引整流机组以及UPS电源等都属于非线性负荷，会产生谐波，影响供电质量。同时，供电系统当中的谐波不仅会加大供电线路的损耗，导致电气设备无法正常运行，也会干扰到通信系统的正常运行。而在直流制牵引供电系统当中，整流机组会产生大量的谐波。为此，可以通过加装无源滤波器、加装有源滤波器或增加整流装置的脉波数等方式进行谐波治理，减少谐波对供电系统与供电质量的影响。

（2）无功功率补偿技术。城市轨道交通供电系统中的动力照明系统当中应用了很多低压用电设备，功率因数相对较低，这就会增加供电线路的损耗，导致变送配电设备出现严重的发热情况，且会增加供电线路的无功电压，这就会导致线路末端的电压过低，也会导致电压与电流之间产生较大的相位差，继而产生严重的谐波分量，为此应当通过无功功率补偿这一方法提高功率因数，减少影响。

（3）迷流腐蚀及防护技术。直流制供电方式采用了走行轨，将走行轨当作电流的回流线。但是，钢轨对地并不是完全绝缘的，所以部分电流就会流入道床当中，经过钢筋以及水管等金属导线后会流回牵引变电所，这就形成了迷流[5]。而迷流会腐蚀轨道交通当中的金属设备，损坏走行轨与地下金属设备。为此，需要科学处理迷流并坚持防治与检测相结合的原则。防治的主要目的是减少杂散电流值，主要措施包括加强走行轨对地的绝缘、在沿线设置迷流收集网以及排流柜等装置，从而使迷流流回牵引变电所的负极。而检测的主要目的是收集数据，可以通过专门的检测系统对轨地阻抗与运输结构的腐蚀电位进行检测，从而为迷流腐蚀的防护与轨道的养护工作提供数据支持。

（4）继电保护技术。继电保护技术在城市轨道交通供电系统中发挥着重要作用，可以保护供电系统，当供电系统出现故障时可以及时报警并切除故障设备。例如，交流供电中以零序电流保护与有过负荷保护为主，主要应用在进线电缆单相接地故障、配电变压器高压側故障以及负荷过载运行中。而直流馈线保护以大电流脱扣保护、电流上升率与电流增量保护、接触网热过负荷保护、双边联跳保护、过流保护以及自动重合闸为主。供电系统当中的继电保护主要应用了纵联差动保护措施，即利用通信信道将输电线两端的保护装置纵向联结起来，从而将两端的电气量传输到对端，并进行对比，从而判断是否需要执行保护动作。

5 结语

城市轨道交通的供电系统主要是由牵引供电系统、电源系统以及动力照明系统共同构成的，其中电源系统的供电方式包括集中式供电、分散式供电以及混合式供电，常用的电力技术包括供电系统中的谐波分析与治理技术、无功功率补偿技术、迷流腐蚀与防护技术以及继电保护技术，优化供电方式、灵活运用电力技术有利于优化城市轨道交通的供电系统，保障城市轨道交通的稳定运行。

参考文献：

[1]梁振刚.城市轨道交通牵引供电及电力技术分析[J].电子元器件与信息技术，2020（8）：111-112.

[2]赵晓莉，王露.城市轨道交通牵引供电系统及关键技术分析[J].今日自动化，2019（6）：2.

[3]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（21）：81.

[4]姜苏春.城市轨道交通牵引供电及电力技术分析[J].商品与质量，2018（28）：137.

[5]孙良军.城市轨道交通供电系统及电力技术分析[J].科学与信息化，2019（17）：147.