地铁供电系统外部电源供电方式的分析与比较

地铁供电系统外部电源供电方式的分析与比较

程魁

中铁武汉电气化局集团有限公司湖北武汉430000

摘要：目前，地铁在我国城市交通中占有重要地位，它给城市居民的出行带来了极大的便利。本文探讨了地铁供电系统外部电源供电方式的比较。

关键词：地铁供电系统；外部电源；供电方式

地铁运营是一项复杂的工程，整个过程都需慎重对待。特别是电力供应这一环节，它不仅关系到列车的正常运行，而且关系到所有乘客的人身安全。因此，在今后的地铁供电系统建设和供电方式的选择工程中，应更加注重其质量。

一、供电系统特点

社会发展中离不开城市电网的支持，而地铁供电同样依靠城市电网，通过城市电网一次电力系统与地铁供电系统实现输送和变换，然后转换成符合地铁等级的电压供给各个设备。根据用电负荷特征分为牵引供电系统与动力照明供电系统两部分。其中牵引供电系统主要由牵引变电所、电力监控、主变电所及供电缆网等组成，提供地铁车辆牵引动力电源，保证地铁在规定的时速内均衡运行。动力照明供电系统主要由低压母线排、线缆、降压变电所等组成，主要提供地铁机电设备的动力电源与照明电源，负荷基本稳定。在突发断电情况下，为了保证地铁内部秩序与地铁乘坐人人员安全等，有必要在地铁内部设置多个紧急电源系统，从而应对地铁高速运转过程中的突发事项。

二、各种供电方式的定义

1、集中供电方式。集中供电是沿着地铁线路根据用电需求，设有多座专为地铁供电的变电所，即主变电所；每座主变电所由城市电网提供两路电源，之后由主变电所集中对地铁牵引、动力系统负荷供电。通常，地铁建设的主变电所数量较少，供电负荷大，并且馈出供电距离较远，因此，变电所不仅要有大容量的变压器和传输系统，还要连接上电压等级较高的电源。

2、分散供电方式。分散供电方式是根据负荷情况，在地铁线路沿线建立多座开闭所，每座开闭所由城市电网提供两路电源，并由开闭所对本所和相邻变电所的牵引、动力系统供电。开闭所是将城市电源与牵引降压混合变电所合建在一起。其中，从开闭所馈向混合所的为馈出线，从混合所馈向开闭所的为联络线，用于开闭所间的联络。若一座开闭所故障时，相邻的开闭所通过联络线对其供电。开闭所与相邻变电所电压等级相同，因地铁沿线的开闭所数量较多，通常采用10kV的电压等级。

三、集中和分散两种供电方式的比较

1、供电质量的比较。分散式供电的外部电源大多取自城市10kV电网，通常直接从城市交通沿线附近的城网变电站引入，因此输电线路短，线损小。然而，由于10kV的低电压等级和大量的用户，因此系统网压波动很大。集中式供电的外部电源是从城市高压电网（如110kV）引进的，电压等级高，输电容量大，系统短路容量大，抗干扰能力强，电网电压波动小。此外，主变电站通常设有载调压装置，因此，中压35kV侧的电压比较稳定，其供电质量较高。

2、供电可靠性的比较。城市轨道交通开闭所在采用分散式供电方式时，必须直接从城网引入2路独立电源（10kV）。虽然该接线方式满足系统可靠性要求，但因城市电网10kV系统用户众多，各用户的负荷变化很大，并且10kV系统处于城网继电保护的中、末端，所以，城轨供电系统的运行不可避免地受到其他用户的干扰。此外，平均每4～5个车站要引入2路独立电源，这就要求沿城市轨道交通线有足够的供电点和备用容量，1条线路要对应城市的多个供电部门，管理更为复杂。

使用集中供电时，因主变电所具有较高的进线电压等级、绝缘等级、制造工艺水平和继电保护配置，设备和线路故障率相对较低；同时，主变电所与城网接口较少，形成了相对完整、独立的轨道交通供电系统网络和供电调度管理系统。其他负荷对城轨供电系统的干扰较小，减少了与城市供电部门的调度管理接口，有助于故障情况下的电力资源配置，提高了故障情况下的处理速度，使轨道交通安全、可靠、高效运行，因此系统可靠性相对较高。

3、地铁牵引系统对城市电网的影响。电力牵引系统对城市电网的影响主要表现在两方面，即谐波影响和网压波动。例如，铁路交流牵引系统产生的谐波含量较高，谐波治理是铁路供电部门的重要研究课题之一。我国地铁牵引系统均为直流牵引，但电压等级不同。当前，很多城市采用等效24脉波整流器，有的城市采用12脉波整流器以节约资金。

根据谐波理论，脉波数越多，产生的低次谐波就越少。所以，不论使用何种方式，地铁直流牵引系统注入城网的谐波含量都很低，对城市电网的影响很小。但与集中供电方式相比，高次谐波经过多级变电所变换、分流后，注入城市电网的谐波含量会减少。

从网压波动的角度来看，因地铁牵引系统是一个急剧变化的移动负荷，对供电电压影响很大。使用集中供电时，地铁供电系统是一个相对独立的小电网。在地铁供电系统中，采用两级变压器对牵引负荷引起的电压波动和闪变进行转换，使其逐渐平衡，对城市电网的其他用户影响小。

地铁牵引变电所采用分散供电方式时，直接与城市10kV电网相连，由牵引负荷引起的电压波动经过一级变压器转换后，会影响到与地铁接入同一供电系统的其它用户，若变压器容量小，影响将更加明显。

4、运行管理的比较。在使用分散供电方式时，由于城市轨道交通供电系统外电源的引入点往往涉及城市的多个行政区域，并与城网有很多接口，若牵引供电系统发生故障需改变运行方式，需与相关城区供电局协调配合改变其运行方式，工作效率显著降低。此外，作为城网的馈线，因受城市供电局的管理和限制，开闭所进线开关与分段开关不方便在城市轨道交通的内部运行。

使用集中供电方式时，城市轨道交通供电系统与城网的接口较少，系统相对独立，若牵引供电系统发生故障需改变运行方式时，属于系统内部调节，操作方便，调度简便，效率高。此外，集中供电与分散供电相比，其还具有明显的优势，如电力部门与城市轨道交通产权划分清晰、计量计费方便、维护维修简单等。

5、工程实施的难度比较。使用分散供电方式时，因与城网的接口较多，一些电力电缆敷设路径难于解决，特别是旧城区，地面建筑拥挤复杂，地下管线与结构错综复杂，电缆路径更难以解决。若改变开闭所位置或电源电缆路径，则很难保证供电质量和末端电压。此外，老城区的局部变电站负荷相对饱和，若新增城市轨道交通等大型用户，供电容量有时难以满足需求，供电局必须重建、扩建或新建一些变电所。

使用集中供电方式时，主变电所与城网的接口较少，电缆敷设路径相对较少。所以，建设单位、城市规划部门和城市供电局间的协调也相对较少，城市供电局的用电申请操作也易于协调实施，受其约束较少，项目易于实施。

6、项目投资的比较。资金是地铁建设的关键问题。一些城市由国家投资，条件较好，一些城市是自筹资金或股份制融资，资金方面应多考虑。毫无疑问，集中供电的使用需更多的投资，因提高了电压等级，设备容量、绝缘等级、建筑面积等相关要求较高。而使用分散供电方式，电源变电所和牵引变电所合建，电压等级低，设备要求相对简单，投资肯定会减少。但考虑到城市地铁系统未来的发展，主变电站也可为其他地铁线路供电，后续的项目可减少投资，所以从长远来看，使用集中供电方式比较合适。

四、结语

外部电源供电方式是地铁供电系统设计的重要组成部分之一，不仅关系到城市电网与地铁系统接口的难度，也关系到城市电网的质量，影响着地铁今后的成本投资、运行维护、可靠性等方面。

参考文献：

[1]张明锐.轨道交通供电系统现状分析[J].城市轨道交通研究，2014.