比亞迪膠輪有軌電車供電方案研究

1、    比亞迪膠輪有軌電車供電方案研究    王志宏摘   要：本文介紹了小運(yùn)量軌道交通制式比亞迪膠輪有軌電車的供電特點，深入分析了傳統(tǒng)軌道交通常用的各種供電方式。結(jié)合膠輪有軌電車小運(yùn)量、動力電池牽引供電等特性，對膠輪有軌電車用電負(fù)荷、中壓電源的環(huán)網(wǎng)形式、變電所的電氣接線、變電所設(shè)備選型、平面布置及系統(tǒng)接地方式等項目進(jìn)行了深入研究，在保證合理的可靠性基礎(chǔ)上，盡可能選取系統(tǒng)簡單、建設(shè)費(fèi)用少、運(yùn)營成本低的供電方案。為我國小運(yùn)量軌道交通制式供電方案的選擇提供了參考。關(guān)鍵詞：比亞迪  膠輪有軌電車  供電方案 

2、中壓網(wǎng)絡(luò)  變電所：f407                                    ：a                         ：1674-098x（2019）07（a）-0114-041  工作背景我國現(xiàn)有城市軌道交通系統(tǒng)常用供電方式主要有集

3、中式供電、分散式供電和混合式供電三種，中壓供電網(wǎng)絡(luò)主要有雙環(huán)網(wǎng)和單環(huán)網(wǎng)形式。地鐵、有軌電車和跨座式單軌等大、中運(yùn)量軌道交通多采用集中式雙環(huán)網(wǎng)供電方式。比亞迪膠輪有軌電車作為一種小運(yùn)量的新型軌道交通制式，全程采用動力電池牽引供電，僅在綜合車場、停車線和存車線設(shè)置充電裝置。正線各車站設(shè)置降壓變電所，為動力照明、通信信號、fas、bas、站臺門、afc、變電設(shè)備自用電源、檢修電源及電梯等電力設(shè)備提供低壓電源。車站的用電設(shè)備較少，且低壓用電負(fù)荷的容量較低，牽引供電和低壓配電的需求和目前地鐵、跨座式單軌等交通制式完全不同?，F(xiàn)膠輪有軌電車交通工程項目設(shè)計中，設(shè)計院仍沿用地鐵和單軌等傳統(tǒng)軌道交通供電方案，供

4、電系統(tǒng)設(shè)計冗余大、造價高，不適合膠輪有軌電車等小運(yùn)量軌道交通制式，迫切需要開展膠輪有軌電車供電方案的研究。2  研究目的對各種傳統(tǒng)供電方案進(jìn)行深入研究，結(jié)合膠輪有軌電車小運(yùn)量、動力電池牽引供電等特性，在保證合理的供電可靠性基礎(chǔ)上，盡可能選取系統(tǒng)簡單、建設(shè)費(fèi)用少、運(yùn)營成本低、技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)實用的供電方案。作為膠輪有軌電車交通工程的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計，用于項目的初步設(shè)計和施工圖設(shè)計等。3  研究內(nèi)容研究內(nèi)容主要包括用電負(fù)荷分析、電源選擇、中壓電源的環(huán)網(wǎng)供電形式、變電所的電氣主接線、變電所設(shè)備選型、設(shè)備平面布置及系統(tǒng)接地方式等。4  技術(shù)現(xiàn)狀4.1  傳統(tǒng)供電方式國內(nèi)

5、外傳統(tǒng)軌道交通采用的供電方式主要有集中式供電、分散式供電和混合式供電。（1）集中式供電，是在城市軌道交通沿線，建設(shè)專用的主變電所，進(jìn)線一般為110kv，降壓至35kv或10kv，供給牽引變電所和降壓變電所。集中式供電有利于軌道交通供電系統(tǒng)形成獨(dú)立體系，方便于管理和運(yùn)營。目前，上海地鐵、廣州地鐵、深圳地鐵、南京地鐵、香港地鐵、德黑蘭地鐵等普遍使用集中式雙環(huán)網(wǎng)供電方式。（2）分散式供電，是在軌道交通沿線引入城市電網(wǎng)中多路電源形成供電系統(tǒng)，一般采用的電壓等級為中壓10kv（或20kv/35kv）。目前，國內(nèi)北京地鐵5號線、大連輕軌、沈陽地鐵、北京八通線、北京城鐵、長春地鐵等軌道交通采用的是分散式雙環(huán)

6、網(wǎng)供電。（3）混合式供電，即結(jié)合集中式和分散式供電，一般由集中式供電為主，特殊區(qū)段引入城市電網(wǎng)中壓電源作為補(bǔ)充。青島地鐵南北線、武漢軌道交通、北京地鐵一線和環(huán)線等軌道交通使用的是混合式雙環(huán)網(wǎng)供電。4.2  城市電網(wǎng)國家能源局、中國電力企業(yè)聯(lián)合會發(fā)布的2017年全國電力可靠性年度報告顯示，南方電網(wǎng)公司供電可靠率為99.818%，中壓用戶平均停電時間（中壓）15.96h/戶，佛山、中山、珠海、深圳等地方供電局供電可靠性超過99.99%，用戶年平均停電時間僅5min，達(dá)到世界一流水平1。4.3  膠輪有軌電車用電負(fù)荷比亞迪膠輪有軌電車全程采用動力電池牽引供電，車站降壓變電所僅為動

7、力照明、通信信號、fas、bas、站臺門、afc、應(yīng)急疏散設(shè)施、變電設(shè)備自用電源、檢修電源、電梯及廣告設(shè)施等電力設(shè)備提供低壓電源。綜合車場用電負(fù)荷除了動力照明、通信信號、通風(fēng)空調(diào)、綜合監(jiān)控及變電所所用電外，還有停車庫、檢修庫、洗車庫、綜合樓控制中心及列車電池充電等，其中，通信信號、控制中心及列車電池充電等都是膠輪有軌電車正常運(yùn)行的保障，必須要有較高的可靠性。對于此類直接關(guān)系行車安全的低壓負(fù)荷，按規(guī)范要求應(yīng)該由兩路低壓電源同時供電2。比亞迪膠輪有軌電車交通工程一般在綜合車場、停車線和故障存車線設(shè)置充電裝置，充電裝置電源一般由就近變電所引入交流380v，每套充電裝置的容量為150kw，滿足一列車的

8、充電需求。膠輪有軌電車車輛的充電負(fù)荷作為整個系統(tǒng)正常運(yùn)行的最重要保障，必須要具備較高的可靠性。因此，為了確保列車充電系統(tǒng)的可靠性，可以在綜合車場等設(shè)置充電裝置的變電所采用雙變壓器，低壓0.4kv母線使用單母線分段方式。5  電源選擇由上述技術(shù)現(xiàn)狀可知，現(xiàn)有城市電網(wǎng)可靠性較高，故障處理時間較短。為了保證膠輪有軌電車供電系統(tǒng)的可靠性、適用性和經(jīng)濟(jì)性，其供電系統(tǒng)應(yīng)充分考慮依托城市電網(wǎng)，采用分散式供電，不設(shè)置主變電所。進(jìn)線電源應(yīng)結(jié)合城市整體規(guī)劃和電力系統(tǒng)近遠(yuǎn)期規(guī)劃，從就近電力系統(tǒng)引入交流10kv、20kv或35kv電源，或與地鐵、單軌等交通換乘時，直接從地鐵或單軌的供電系統(tǒng)引入交流中壓電源。

9、全線應(yīng)引入至少兩路相互獨(dú)立的外部電源，設(shè)置內(nèi)部中壓供電網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)全線單環(huán)網(wǎng)供電。0.4kv作為城市低壓配電電壓，電源點多但可靠性較低，并且其實施可行性和維護(hù)便利性均較差，如非迫不得已不應(yīng)采用。35kv電壓等級適合于大容量負(fù)荷集中場所，常用于地鐵中壓網(wǎng)絡(luò)，且國家電網(wǎng)正逐步取消35kv電壓等級。20kv輸電容量和傳輸距離較10kv更好，但目前設(shè)備技術(shù)成熟度較低、選擇性較少。10kv作為現(xiàn)階段城市中壓配電網(wǎng)核心，輸電容量、傳輸距離和投資適中，電源點豐富。因此，膠輪有軌電車交通工程項目應(yīng)優(yōu)先考慮從城市電網(wǎng)引入10kv電源。6  供電網(wǎng)絡(luò)我國供電系統(tǒng)常用的中壓網(wǎng)絡(luò)一般有單環(huán)網(wǎng)和雙環(huán)網(wǎng)兩種，地鐵

10、、輕軌和有軌電車等多采用雙環(huán)網(wǎng)形式?？紤]到中壓環(huán)網(wǎng)開關(guān)柜和變壓器技術(shù)成熟、故障率低，膠輪有軌電車交通工程可選用的變電所接線方案有單環(huán)網(wǎng)單變壓器、單環(huán)網(wǎng)雙變壓器和雙環(huán)網(wǎng)三種。單環(huán)網(wǎng)中壓供電網(wǎng)絡(luò)示意圖見圖1，雙環(huán)網(wǎng)中壓供電網(wǎng)絡(luò)示意圖見圖2。從供電可靠性、經(jīng)濟(jì)性、運(yùn)營成本、設(shè)備數(shù)量、建設(shè)工期、運(yùn)營維護(hù)及風(fēng)險點等方面對三種中壓環(huán)網(wǎng)方案進(jìn)行對比分析，見表1。綜上所述，城市電網(wǎng)可靠性高;膠輪有軌電車交通工程車站動力負(fù)荷小;10kv開關(guān)柜采用安全可靠的gis設(shè)備，母線故障率非常低;變壓器技術(shù)成熟，可靠性高;單環(huán)網(wǎng)供電形式滿足膠輪有軌電車工程可靠性要求，在工程投資、施工難度、運(yùn)營成本和工程管理方面均具有顯著優(yōu)

11、勢。另外，膠輪有軌電車交通系統(tǒng)的車輛采用動力電池儲能供電，故障列車能夠依靠其他列車推行到車站，而且區(qū)間設(shè)有便捷、安全的疏散平臺，有條件適當(dāng)降低對供電可靠性的要求2。因此，比亞迪膠輪有軌電車交通工程推薦采用單環(huán)網(wǎng)單變壓器供電方案。同時，為了進(jìn)一步提高膠輪有軌電車信號系統(tǒng)和充電裝置的可靠性，信號集中站和綜合車場可考慮采用單環(huán)網(wǎng)雙變壓器供電方式。7  變電所7.1 接線形式7.1.1 車站變電所每座車站設(shè)置一座降壓變電所，從兩端車站變電所分別就近引入兩路相互獨(dú)立的中壓電源，通過中壓環(huán)網(wǎng)實現(xiàn)全線所有變電所單環(huán)網(wǎng)供電。當(dāng)一路電源退出運(yùn)行時，另一路電源不應(yīng)同時受到損壞，可通過聯(lián)絡(luò)開關(guān)繼續(xù)對全線供

12、電?？紤]到膠輪有軌電車軌道交通一般承載的客流量不大，運(yùn)營故障對整個城市交通系統(tǒng)產(chǎn)生的影響較小，車站供電系統(tǒng)的冗余設(shè)置適度即可。為了保證影響行車的通信信號、站臺門、綜合監(jiān)控等重要負(fù)荷的供電需求，變電所內(nèi)應(yīng)設(shè)置一套電池儲能的綜合ups系統(tǒng)。車站變電所的接線參見“圖3車站變電所主接線”。7.1.2 綜合車場變電所相比于地鐵等傳統(tǒng)軌道交通系統(tǒng)，膠輪有軌電車交通的綜合車場規(guī)模較小，但同樣具備全線調(diào)度控制、列車充電和運(yùn)行維護(hù)等重要功能，因此，綜合車場供電可靠性要求同樣較高、用電容量較大。為了提高綜合車場變電所供電系統(tǒng)的可靠性，變電所可設(shè)置兩臺降壓變壓器，低壓母線使用單母線分段方式。當(dāng)一臺變壓器故障退出運(yùn)行

13、的情況下，可通過閉合低壓400v母線聯(lián)絡(luò)開關(guān)，實現(xiàn)低壓母線支援供電。綜合車場變電所的接線參見“圖4  綜合車場變電所主接線”。7.2 設(shè)備選型變電所的主要設(shè)備包括交流中壓開關(guān)柜、交流低壓開關(guān)柜、動力變壓器、充電裝置和所用電電源裝置，設(shè)備選型與系統(tǒng)的可靠性、運(yùn)營方便性、可維修性和工程投資等均有直接影響。根據(jù)當(dāng)前國內(nèi)電氣設(shè)備的整體技術(shù)水平、可靠性指標(biāo)、設(shè)備價格、設(shè)備外形尺寸等參數(shù)，提出設(shè)備選型如下：（1）交流中壓開關(guān)柜（12kv、24kv或40.5kv）選用氣體絕緣或固體絕緣固定式開關(guān)柜。（2）交流低壓開關(guān)柜選用空氣絕緣固定式開關(guān)柜。（3）動力變壓器選用環(huán)氧樹脂澆筑干式變壓器。（4）直流

14、充電裝置選用模塊并聯(lián)金屬鎧裝結(jié)構(gòu)變流器。（5）所用電電源裝置選用金屬外殼固定式開關(guān)柜。7.3 設(shè)備房平面布置7.3.1 通道尺寸根據(jù)20kv及以下變電所設(shè)計規(guī)范（gb 50053）和低壓配電設(shè)計規(guī)范（gb 50054-2011）的規(guī)定，變電所內(nèi)高、低壓設(shè)備柜前、柜后最小檢修寬度見表2。同時國標(biāo)規(guī)定“固定式開關(guān)柜為靠墻布置時，柜后與墻凈距應(yīng)大于50mm，側(cè)面與墻凈距宜大于200mm”3-4。7.3.2 設(shè)備布置在工程實踐中，車站的建筑面積受到多方限制，需要盡可能減小變電所設(shè)備房的尺寸。根據(jù)調(diào)研的設(shè)備技術(shù)現(xiàn)狀，提出變電所設(shè)備平面布置建議，見圖5、圖6和圖7。圖中，g為交流中壓開關(guān)柜，tm為變壓器，

15、a為交流低壓開關(guān)柜，dyp為所用電電源交流柜，xdc為所用電電源直流柜。8  系統(tǒng)接地膠輪有軌電車交通的綜合車場、車站和區(qū)間有很多弱電和強(qiáng)電設(shè)備，各設(shè)備間管線聯(lián)系較多，電磁關(guān)系也較復(fù)雜。為了保障運(yùn)營人員和乘客的人身安全，綜合車場、車站和區(qū)間的各設(shè)備系統(tǒng)不能獨(dú)立接地，應(yīng)采用綜合接地系統(tǒng)。膠輪有軌電車交通工程采用綜合接地方式，要求將全線的車站、區(qū)間和綜合車場的接地進(jìn)行可靠的金屬連接，使整個系統(tǒng)構(gòu)成整體連通的綜合接地系統(tǒng)，全線的所有強(qiáng)電設(shè)備、弱電設(shè)備、人員安全和防雷的接地均與綜合接地系統(tǒng)合理、可靠連接2。9  研究結(jié)論（1）膠輪有軌電車交通工程供電系統(tǒng)的中壓電源應(yīng)當(dāng)優(yōu)先考慮當(dāng)?shù)仉娏ο到y(tǒng)核心中壓電源，全線所有變電所設(shè)置中壓單環(huán)網(wǎng)供電網(wǎng)絡(luò)。（2）車站和綜合車場均應(yīng)設(shè)置變電所，車站變電所設(shè)置一臺降壓變壓器，中壓母線和低壓母線均采用單母線方式，綜合車場和信號集中站可設(shè)置兩臺變壓器，中壓母線采用單母線方式，低壓母線采用單母線分段方式。（3）變電所的交流12kv開關(guān)柜選用630a的氣體絕緣或固體絕緣環(huán)網(wǎng)柜，交流0.4kv開關(guān)柜選用固定式開關(guān)柜，變壓器選用200kva干式變壓器。（4）在綜合車場集中設(shè)置