城市軌道交通電力技術分析

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摘要：城市軌道交通供電系統的穩定性和可靠性是城市軌道交通正常有效運行的重要保障，該文介紹了城市軌道交通供電系統的組成、結構及各技術在地鐵中的應用，并對供電系統中的電力技術進行了分析，提出了解決問題的方法。

關鍵詞：城市軌道交通供電系統牽引變電電力技術

1城市軌道交通供電系統組成

城市軌道交通作為城市電網的重要用戶，一般直接從城市電網獲取電能，供電系統主要由電源系統、牽引供電系統和動力照明系統組成。其中外部電源可以看作是城市軌道交通供電系統與城市電網的接口，將電能從城市電網引入供電系統；牽引供電系統主要負責向全線運行的車輛提供電能，通常包括牽引變電所和牽引網兩大部分；動力照明系統為除城市軌道交通車輛以外的其他所有地鐵用電負荷提供電能，其中包括通信、信號、事故照明和計算機系統等許多一級負荷。

2電源系統供電方式

城市軌道交通的線路相對較長，供電范圍較廣，呈線性分布，根據各地城市電網的發達程度以及線路實際情況，大多采用集中式供電、分散式供電和混合式供電3種供電方式。

2.1集中式供電

所謂集中式供電，就是沿著城市軌道交通線路，根據用電容量和線路的長度，建立專用的主降壓變電所為整條線路供電的外部供電方式。每座主變電所設立兩路獨立的AC110kV進線電源，保證供電的可靠性,然后將電壓降壓為城市軌道交通內部供電系統所需的電壓等級(一般為AC35kV或AC10kV)。集中式供電有利于城軌交通公司的運營與管理，各變電所由環網供電，可靠性較高。但是需要建立單獨的主變電所，并且主變電所需配備2臺大功率降壓變壓器，投資成本較高。集中式供電系統相對獨立性較強，自成系統，目前國內外包括上海、廣州、南京、香港、德黑蘭等地均采用這種供電方式。

2.2分散式供電

所謂分散式供電，就是線路沿線分散從城市中壓網絡引入多路電源，直接或通過電源開閉所間接地為牽引變電所和降壓變電所供電的外部供電方式。分散式供電不需要建立主變電所，投資成本相對較低，但是由于直接從城市電網中壓引入，供電質量會被周圍居民用電影響，供電質量的穩定性較低，也不方便管理。分散式供電與城市電網關系緊密，運營管理相對復雜，最早應用于北京地鐵1、2號線，目前長春輕軌、大連輕軌、北京地鐵4、5、9等線均在使用。

2.3混合式供電

混合式供電是前兩種供電方式的結合，以集中式供電為主，個別地段引入城市電網中壓作為補充的供電方式。混合式供電是一種介于集中式供電和分散式供電之間的組合供電方式，根據城市電網現狀和未來規劃以及城市軌道交通供電系統的需要，吸收了前兩種供電方式的各自優點，供電方案更為靈活，供電質量較為可靠。目前武漢軌道交通一期工程采用了以集中式供電為主的混合式供電方案，北京地鐵10號線二期工程采用的是以分散式為主的混合式供電方案。無論哪種供電方式都要保證牽引供電系統和動力照明系統的供電可靠性，各變電所都應有兩路獨立的電源進線，互為備用。

3牽引供電系統結構和分析

3.1牽引供電系統供電制式

城市軌道交通牽引供電系統的供電制式多為直流制和交流制兩種形式，近年來也逐漸興起了將直流制和交流制相結合的模式，即雙制式供電系統。其中直流制是牽引供電系統中常用的供電制式，牽引變電所將從中壓網絡引入的電流經降壓整流機組變為直流電(DC1500V或DC750V),然后將直流電輸送到牽引網上，向列車提供電能。直流制供電是出于地鐵牽引電機的需求，可以將整流裝置安裝在牽引變電所，減輕車身重量；同時直流牽引網供電連貫，可以在故障運行時進行雙邊供電向單邊供電和大雙邊供電的供電方式切換，保障列車的可靠受電。但直流制供電也有著一定的弊端，如線路損耗較大、雜散電流危害、再生能量反饋難和供電距離較短等。

3.2牽引網的構成

城市軌道交通牽引供電系統中，牽引網是由饋電線、接觸網、走行軌和回流線構成的供電網的總稱，接觸網是列車受電的直接裝置之一，根據安裝位置的不同分為架空接觸網和接觸軌兩類。

4城市軌道軌道交通供電系統相關技術的探討

4.1供電系統中諧波分析及治理

在城市軌道交通供電系統中由于存在非線性負荷，如牽引整流機組、熒光燈和UPS電源等，會產生大量的諧波，降低電能質量。供電網絡中的諧波不僅會對供電線路產生附加損耗，影響系統中電氣設備的正常運行，還會對通信系統產生干擾。在直流制牽引供電系統中，整流機組是產生諧波的主要原因。限制諧波的方法有增加整流裝置的脈波數，加裝無源或有源濾波器等措施。

4.2供電系統中無功功率補償

城市軌道交通中的動力照明系統中包含了大量的低壓用電設備，功率因數較低。系統中功率因素過低，會使供電線路中損耗增加，導致變送配電設備發熱嚴重；還會增加供電線路的無功電壓降，導致線路末端端電壓過低，甚至會導致電壓和電流相位差變大，產生較為嚴重的諧波分量。因此應該進行無功功率補償來提高系統的功率因因數。

4.3迷流腐蝕及防護

直流制牽引供電系統中，利用走行軌作為電流的回流線，但由于鋼軌對地不是完全絕緣，會導致部分電流雜散流入道床，并經由鋼筋、水管等金屬導線流回牽引變電所，從而形成迷流。迷流會對軌道交通中的金屬產生電解腐蝕，導致走行軌以及地下金屬設備受到嚴重損壞。對迷流的處理方法主要是防治和監測相結合。防治主要是減少雜散電流值，常用的方法有加強走行軌對地絕緣，在沿線設置合理的迷流收集網和排流柜等排流裝置，以便將迷流引回牽引變電所負極。檢測是指通過專用檢測系統檢測軌地阻抗和運輸結構的腐蝕電位，為迷流腐蝕防護提供精確地數據，指導軌道的養護和保養等工作。

4.4供電系統繼電保護技術

在城市軌道交通供電系統中，繼電保護技術可以對供電的運行起到重要的保護作用，當故障發生時可以快速有效地切除故障設備或進行報警。對于交流供電部分，主要有過負荷保護和零序電流保護，分別應用于負荷過載運行和配電變壓器高壓側和進線電纜單相接地故障。對于直流饋線保護，主要有大電流脫扣保護、電流上升率和電流增量保護、過流保護、雙邊聯跳保護、接觸網熱過負荷保護和自動重合閘等。供電系統繼電保護中可以將靈敏性和速動性較高的縱聯差動保護措施作為主保護，即用通信信道將輸電線兩端的保護裝置縱向聯結，將兩端的電氣量傳送到對端，通過比較后進行判斷是否執行保護動作。

5結語

城市軌道交通為人們提供便利的同時，也提出了如何完善城市軌道交通供電系統，如何保證供電系統高效、安全、穩定的運行等難題。該文對城市軌道交通供電系統進行了詳細的介紹，并且就供電系統中的關鍵電力技術進行了分析，這對于城市軌道交通供電系統的改進和優化有著重要的意義，也值得人們對其展開更為深入細致的研究。

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作者：邢妍單位：上海市公用事業學校