浅谈城轨交通供电系统中外部电源的供电方式

刘 童 陈家莉

宁波市轨道交通集团有限公司运营分公司 浙江 宁波 315100

1 城轨交通供电系统

1.1 概况

地铁作为目前常见的城市轨道交通类型，在运行时电力是驱使其快速运行的重要能源。加强供电系统运行管理，一方面，可以确保城市轨道交通运行时的稳定性；另一方面，能够降低轨道交通运行安全问题发生几率，为城市居民提供良好的出行环境。

1.1.1 供电系统基础内容

轨道交通供电系统的组成相对复杂，系统组成包括变电站、升压系统、牵引供电系统、降压系统、接地系统等。同时在系统运行时也具备了以下特点：第一，系统整体体积较大，地铁在运行过程中所需要的电力负荷较大，为确保系统供压的安全性与稳定性，需要设置大功率变压器、蓄电池、保护装置等设施，这些设置单体体积较大，所组成的系统整体体积也处于较大状态。第二，转移难度大，系统体积较大的同时也具备了质量较高的特征，这样在突发事故需要对其进行转移时的难度较大，这也对前期选址、保护措施的拟定提出了高要求，以确保供电系统运行状态的稳定性[1]。

1.1.2 变电方式与接地方式

从目前的使用情况来看，在地铁供电系统的设计中，会为其配置单独的主变电站，而地铁的供电电压为110KV/35KV，为确保变压器运行时的安全性，会利用星形法和三角接法来进行处理，同时为了防止系统接地故障带来的供电问题，变电器中还会增加继电保护装置，保护原理是利用中性点接地来降低接地故障带来的危害性，确保故障发生后设备不会出现损坏。在对地铁供电系统接地方式进行选择时，需要考虑地铁运行时存在电网制式和电压等级差异，同时系统中电缆铺设长度较大，运行电压较大，所产生的接地电流处于较高状态，在突发断电事故时也将威胁到地铁运行时的安全性。一般情况下，会设计两路供电系统，在其中一路供电系统出现故障时，会及时切换到另一路供电系统继续供电，以此来维持地铁运行时的安全性。针对故障电流较大（在100—1000A）的情况，在接地方式的选择中，会使用小电阻接地模式来维持稳定的接地状态。

1.2 电源的组成

城市轨道交通供电系统的电能来源于国家电网，而国家电网的电能来源于各种发电厂。

1.2.1 牵引供电系统

它是城市轨道交通供电系统的核心，负责向轨道交通车辆提供电能，其主要作用是降压，整流和传输电能。该系统主要包括牵引变电所，馈电线，接触网（或者接触轨）等。牵引变电所是牵引供电系统的心脏，它的主要作用是生产出满足要求的电能，馈电线则负责把合格的电能输送到轨道沿线的接触网上；而接触网则负责把电能不间断地输送到运行的车辆设备受电弓，接触轨上等。而牵引变电所在运行中，可以把三相高压交流电转换为满足地铁正常运行所需的低压直流电。随后依托于馈电线可以将已经完成转换的直流电输送到接触网当中，而列车则会以受流器与接触网作为载体，成功接收电能并用于驱动列车运动。总结地铁运行规律后发现，导致地铁运行时使用较低电压直流电的原因如下：（1）相比于交流供电，直流电供电过程中不会出现电抗压降，所带来电压损失较低；（2）列车的运行功率相对较小，不需要为其提供较高电压，较低电压直流电便可满足运行要求；（3）城市轨道交通服务于城市居民，运营线路穿过城市内的许多建筑群，若使用较高供电电压，存在较大的安全隐患；（4）直流制供电的应用，更加契合列车的牵引特征[2]。

1.2.2 动力照明供电系统

该系统在运行时的主要功能，是为地铁照明系统、动力设备提供电力支撑，包括区间照明、车站照明、风机运行、水泵运行等。该系统在应用中主要由降压变电所、供配电线缆、动力照明系统、应急电源等内容构成。

（1） 降压变电所

相比于列车运行时所需要的较高电压，动力照明运行时的电压需求较低，因此需要利用降压变压器（数量为两台）将电压下调到系统运行所需电压，以维持系统工作状态的稳定性。而两台变压器运行时的容量应满足以下要求：在系统处于正常运行状态时，降压变电所中的两台变压器保持同时运行的状态，以此来分摊供电压力，将负荷率控制在70%以内。如果其中某台变压器发生运行故障，那么此时系统会自动切除三类负荷，可以正常运行的变压器只负责承担一，二级负荷，维持系统运行的安全性。

（2） 动力照明

在系统运行期间，主要采用了放射供电模式，使用380/220V TN-S系统来提供电力保障，部分负荷则利用树干供电模式，确保整个动力照明过程的稳定性。在一级负荷运行状态下，需要配置双回路电源和双回路电缆来维持系统正常运行，一路出现故障时，另一路替换继续供电，修复后切换为初始状态；在二级负荷运行状态下，需要配置双回路电源和单回路电缆来维持系统正常运行；在三级负荷运行状态下，需要配置单回路电源和单回路电缆来维持系统正常运行。

1.2.3 应急电源系统

除上述提到的内容外，在地铁动力照明供电系统设计中，还需要预设应急电源系统，该系统主要由小型发电机，EPS电源，UPS电源等内容组成。

1.3 对电源的基本要求

地铁在运行过程中，所需要的负荷较大，用电性质归类为一级负荷。因此在对系统电源进行设计时应注意以下内容：（1）为确保系统运行状态的稳定性，需要设置两路供电电源，电源带可以来源于同一个变电所或者不同的变电所；（2）两路供电线路的容量需满足一、二级负荷运行需求；（3）两路电源使用时保持单独运行状态，某一路出现故障时自动切换到另一路继续供电；（4）为了降低运营损耗，需采用集中式管理，即设置一个主供电变电所和若干个分散电源点，同时缩减距离地铁线路的距离，减少电力运输的损耗[3]。

1.4 供电系统设计的可靠性

1.4.1 供电系统的冗余设计

展开供电系统设计活动时，需要考虑到系统运行时可能存在的停运问题，依托此内容来完成系统冗余设计。此项设计的主要作用是在可以争取更多的轻微故障检修时间，使系统负荷较轻时可以顺利完成状态维护，减少轻微事故带来的负面问题。在具体的设计中，冗余设计包含以下两种形式：①备用冗余，系统设计了两组运行设备，设备相互备用，某设备出现运营故障时，备用设备顶替故障设备继续维持正常的工作状态。②并列冗余，主要针对无法进行备用设计的系统，会根据设备运营时间、安全系数定期进行设备更换，以此来确保系统运行状态的安全性与稳定性。

1.4.2 外部电源

在系统设计中，也需要做好外部电源的设计工作，为维持供电过程的稳定性，也会设置双电源来为系统提供电力。在供电方式的选择中，常见选择方式如下：第一，专用线路供电，两路电源均利用专用线路进行供电，这样能够有效提升系统运行状态的安全性，减少不确定因素带来的负面影响。第二，其中一路电源设计为专用线路，另一路电源设计为共享电路，虽然可以减少应用成本，但是抵御突发问题的应变能力较差，可靠性相对较低。

1.4.3 环网设备

除上述提到的设计内容外，在系统设计中还需要增加网设备，以维持系统的正常工作状态。在具体的设计中会采用双环网结构，借助环串的方式将变电所两路进出线关联在一起，以此来提高供电过程的稳定性。同时在设计中也需要做好开关、电缆等结构的布设，而容量方面的设计也需要综合考量设备运行故障时另一路设备是否可以承担所有负荷，以此来提高设计内容的合理性，提高环网设备工作状态的稳定性。

1.5 供电系统结构的可靠性

1.5.1 电气主接线的可靠性

在对系统结构可靠性进行分析时，需考虑主接线结构的稳定性。从实际应用情况来看，经常会使用内桥接线的方法进行组接，有时也会利用线路变压器进行组接，前者的安全要求较高，在电源出现运行故障时，不会对整个系统运行产生影响，后者则是依靠单台主变压器来维持系统运行，要求相对较低，安全性相对较低。

具体选择哪一类接线方法，需要综合考虑设备运行要求、电力部门运行规范等内容，从而提高整个系统运行状态的稳定性。

1.5.2 继电保护配置的可靠性

在对系统结构可靠性进行分析时，也需要对继电保护配置情况进行客观评价，该装置在使用中的主要功能，是对整个系统的运行过程进行保护，在系统运行出现过载电流、负荷过载等问题时，系统可以通过快速断开、零序等方法来保护故障设备和相关联系统，避免突发故障问题带来的设备损坏问题。直流系统保护配置的过程比较复杂，其主要的 响应内容是在牵引网出现短路故障时启动保护措施，减少过载电流对其他设备的损害。在具体的设计中，会在每座牵引所处增设泄露保护装置，在发现问题时通过及时切断连接来提升保护过程的及时性。

2 外部电源的系统供电方式

轨道交通从外部电源引入的形式上一般分为集中式供电，分散式供电和混合式供电三种模式。国内大部分采用集中式供电，一些城市采用分散式供电，部分线路采用混合式供电。

2.1 集中式供电

集中式供电是指轨道交通从城市电网引入较高电压等级的电源（如110KV，220KV），经主变电站进行电压转换，将外部电源降压（如35KV或10KV）后，由主变电站集中向牵引变电所和降压变电所供电的外部电源引入模式。该模式引入电源电压等级高，电源点供电能力较强，引入电源点较少，有利于管理。

集中供电方式的优点：

（1）供电可靠性高，受外界因素较小；（2）主变电所采用110/35KV有载自动调压变压器，并有专用供电回路，供电质量好；（3）地铁供电可独立进行调度和运营管理；（4）检修维护工作相对独立方便；（5）可提高地铁供电的可靠性和灵活性；（6）牵引整流负荷对城市电网影响小。

集中供电方式的缺点：

（1）投资较大；（2）因同时受110KV和10KV电网故障的影响，故受外界因素影响较多；（3）10KV电网直接向一般用户供电，引起的故障几率较大，可靠性较低；（4）与城市电网的接口多，调度和运营管理环节增多，故障状态的转电不方便；（5）牵引整流机组产生的高次谐波直接进入10KV电网对其他用户的影响较大。

2.2 分散式供电

分散式供电要求城市电网资源充足，安全运营水平高，供电可靠。

分散式供电的优点：

（1）投资较小；（2）便于城市电网进行统一规划和管理。

分散式供电的缺点：

（1）与城市电网的接口多，调度和运营管理环节增多，故障状态下的转电不方便；（2）牵引整流机组产生的高次谐波直接进入10KV电网对其它用户的影响较大；（3）要求城市电网的变电所应具有足够的备用容量，以满足地铁牵引供电的要求，涉及较多110KV变电的增容改造，工程量较大。

表1 分散与集中的比较

2.3 混合式供电

是指将两种供电方式结合起来，一般以集中式供电为主，个别地段引入城市电网电源作为集中式电源的补充，使供电系统更加完善和可靠。北京地铁一线和环线，建设中的武汉轨道交通工程，青岛地铁南北线工程等即为混合式供电方案。它可以发挥分散式供电和集中式供电的优点，而又避免其缺点，是系统更加优化，有两种模式：第一，集中式供电为主，分散式为辅；第二，分散式为主，集中式为辅[4]。

2.4 外部电源系统的供电方式选择

对于某一城市究竟应采用那种供电方式，需要根据地铁和城轨交通用电负荷并结合该城市电网的具体情况进行分析。若城市电力资源较丰富，沿地铁和城轨交通线路的地区变电站较多且容量也足够给地铁和城轨交通供电，采用分散式供电节约建设资金。当城市电网介于两者之间时，采用混合式供电方式，以此来提高整个系统运行状态的稳定性与安全性。