中铁第四勘察设计院集团有限公司 湖北省武汉市 430063
摘要：有轨电车与公交等并行于地面，仅在局部高架地段独享路权。这一鲜明的特点也使得其供电系统设计区别于传统轨道交通线路设计，有轨电车穿行于市区道路，所经路段多较为繁华，对景观要求相对较高，从储能型有轨电车线路特点来看，线路一般为全地面线路，牵引负荷、动照负荷均较小，采用蓄电池储能，充电站设置数量相对也较少。本文给出了传统适用于蓄电池储能的有轨电车供电系统设计的方案。
关键词：蓄电池储能；有轨电车；供电系统
1 引言
随着城市轨道交通的快速发展，国内引入有轨电车的城市越来越多，有轨电车输送旅客量介于城市公交系统和地铁之间，其建设成本每1km 造价1~2 亿，低于地铁。供电系统是有轨电车工程的重要组成部分，有轨电车工程供电距离平均在10km 左右，因此不会采用地铁供电系统昂贵的建设模式，而目前国内对有轨电车供电系统的建设方式没有统一的标准，设计院一般按照地铁供电系统标准进行简化设计。本文对蓄电池储能的有轨电车供电系统设计方案进行研究。
2 蓄电池储能车
2.1 蓄电池技术
蓄电池，指在放电后可通过充电方式使得活性物质激活而继续使用的电池，而有轨电车所使用的蓄电池需作为车辆动力电池，对蓄电池的功率、能量密度、安全性等都有着更高的要求，目前在车辆中作为动力电池用途的蓄电池主要为镍氢电池与磷酸铁锂、钛酸锂等锂离子电池。
2.2 蓄电池储能车对蓄电池需求
1）区间不挂网蓄电池储能车对蓄电池的需求
区间不挂网蓄电池储能车完全依靠电池的能量，动力电池能量越大，可以实现的续航里程越长，但电池的体积、质量也越大。需要根据车辆技术参数、线路情况、运行工况的不用来配置动力蓄电池。
2）区间部分挂网蓄电池储能车对蓄电池的需求
区间部分挂网蓄电池储能车不完全依靠电池的能量，以接触网作为主要电力来源。在无挂网区域利用蓄电池作为车辆牵引与辅助动力。需要根据车辆技术参数、线路情况、运行工况的不用来配置动力蓄电池。
3 适应于蓄电池的区间不挂接触网的运行模式
3.1电源及开闭所
1）外电源方案
外部电源供电方式，根据城市电网构成的不同特点，通常可采用集中式供电、分散式供电和混合式供电等不同形式的供电方式，各种供电方式各具特点。
集中供电要求轨道交通从城市电网引入较高电压等级的电源（如110kV），经主变电所进行电压转换，将外部电源降压（如35kV或10kV）后，由主变电所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。
分散供电不设主变电所，由沿线城市变电所直接向牵引变电所和降压变电所提供中压（35kV或10kV）电源的供电模式。该模式引入电源电压等级相对较低，每个电源点的供电能力弱，引入电源点多。
从储能型有轨电车线路特点来看，线路一般为全地面线路，牵引负荷、动照负荷均较小，采用蓄电池储能，充电站设置数量相对也较少，分散供电足以满足供电需求。
2）外电源回数
有轨电车各个牵引变电所的外部电源按满足《城市无轨电车和有轨电车供电系统 CJ/T1-1999》和《供配电系统设计规范 GB50052-2009》的相关要求，按“有两路电源，一路常用，一路备用”进行配置。
3）开闭所设置原则
（1）在设计考虑的各种运行方式下，外电源方案应满足系统负荷和电压质量要求。
（2）开闭所宜尽量靠近负荷中心。
（3）在条件许可条件下，外电源宜就近由电力变电所直接接入。
（4）避免两座相邻的开闭所从同一座地方变电站引入电源。
（5）在满足上述要求的情况下，尽量减少工程投资。
4）中压网络
中压环网供电系统方案采用分散方式、开闭所供电方案，中压环网供电网络采用10kV牵引动力照明混合网络。结合国内有轨电车工程中压供电网络的实际情况，提出了两个环网构成方案进行比较分析。
方案一：单环网方案，即相邻两座10kV电源开闭所间的牵引变电所均引入1回10kV电源，同时馈出1回10kV电源。两座开闭所直接通过变电所间的10kV单环网实现联络，环网构成方案如下图所示。近年来国内新建的有轨电车项目，如沈阳浑南有轨电车和珠海现代有轨电车均采用该接线方案。
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图3.1-1 中压环网构成示意图（方案一）
方案二：双环网方案，即两座10kV电源开闭所间的牵引变电所均引入两回10kV电源，同时馈出两回10kV电源。相邻两座开闭所直接通过变电所间的10kV双环网实现联络，环网构成方案如下图所示。目前国内的地铁线路中压环网基本都采用双环网方案。
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图3.2-2 中压环网构成示意图（方案二）
两个方案均可满足有轨电车正常及故障运行情况需求，相比而言方案二可靠性稍高；从经济性角度考虑，方案一环网电缆投资远低于方案二。
有轨电车中压环网接线在保证供电可靠性的前提下，应力求经济、简洁，因此推荐蓄电池储能型有轨电车中压环网采用方案一。
3.2牵引变电所
1）牵引变电所的设置
采用蓄电池储能式有轨电车，车辆充电电压范围一般为DC 500V～900V，在部分车站、场段设置充电装置进行充电。因而其牵引变电所可以采用集中和分散两种设置方式，分散设置方案在各个充电车站设置变电所，变电所设置的数量较多，区间仅需要敷设10kV交流电缆，减少了区间电缆敷设的工程量，供电方案较简洁。
集中设置方案的变电所数量较少，选址压力小，但是需要通过敷设大量直流电缆将区间牵引变电所的1500V直流电源输送至各个车站的现场充电装置，造成区间直流电缆敷设工程量增多，对于采用蓄电池储能的有轨电车来说，往往成本高于分散设置方案；同时若采用区间钢轨回流至牵引变电所处，还需专门设置杂散电流监测及排流系统，整个供电方案复杂，设备维护成本也较大，工程可实施性较差。
综合考虑技术经济、工程可实施性等方面，推荐蓄电池储能型有轨电车的牵引变电所设置采用分散设置方式，即在每个需进行充电的车站设置牵引变电所。
2）充电装置配置
（1）首末站充电装置配置
首末站应设置完整的两套充电装置，具备同时为上下行车辆充电的能力。两套装置输出端设置切换开关，正常运行时两套充电装置分别为上下行车辆充电，在一套装置故障情况下，由一套装置根据列车进站情况，通过切换开关向上行或下行位置车辆进行充电。
（2）中间站充电装置配置
考虑到保证运营具备一定灵活性，推荐中间站也设置两套充电装置，两套装置输出端设置切换开关，正常运行时两套充电装置分别为上下行车辆充电，在一套装置故障情况下，由一套装置根据列车进站情况，通过切换开关向上行或下行位置车辆进行充电。
（3）车辆基地充电装置配置
车辆基地充电装置配置根据库内停车列位数与远期同时需充电车数确定。
3）牵引变电所的主接线
牵引变电所（牵引降压混合变电所）主接线根据供电系统方案进行设计。
变电所10kV侧根据环网方案，采用单母线分段接线方式或单母线接线形式，若采用单母线分段方式两段母线间通过母联断路器互联，正常运行时，母联常开。
每段母线设置一路进线电源，并根据供电系统环网方案在各变电所的每段10kV母线各设一路或多路出线，向相邻变电所供电。
10kV进线、出线、母联及馈线开关均采用断路器。
10kV每段母线均设一组电压互感器，用于母线电压测量。
10kV每段母线均设一组避雷器，用于过电压防护。
每座变电所设置两台配电变压器，向变电所及附近车站供电。
正线每座牵引变电所设置两套充电装置，根据充电装置整流原理，若采用24脉波整流，则两套充电装置通过断路器并接于同一段10kV母线。正常运行时，两套充电装置分别向上下行列车充电。充电装置输出端设置转换开关，用于一套充电装置故障情况下的支援充电。
充电装置根据牵引变电所选址可设置于所内或车站旁。
车辆基地牵引变电所设置两套整流设备及多套DC/DC充电装置，正常运行时两套整流设备并列运行向各DC/DC充电装置供电。在一套整流设备故障情况下，由另一套整流设备向车辆基地充电装置供电，由调度控制充电车数避免过负荷。
4）一座牵引变电所故障情况下的运行
初近期，首末站、中间站牵引变电所故障退出运行情况下，车辆在故障站不充电，在其他充电站正常充电，维持正常运营水平。
远期，中间站牵引变电所故障退出运行情况下，车辆在故障站不充电，在其他充电站正常充电，维持正常运营水平。
远期，首末站牵引变电所故障退出运行情况下，车辆在故障站不充电，在其他充电站略微补充充电时间，对正常运营水平影响较小。
5）一套充电装置故障情况下的运行
正线牵引变电所单套充电装置故障情况下，由另一套充电装置为上下行列车充电，此时正线上下行列车无法同时充电。
车辆基地牵引变电所单套充电装置故障情况下，故障充电装置范围内车位通过联络开关由正常充电装置进行充电。
3.3动力和照明设备
动力照明系统设备主要由低压配电柜、各级配电箱和控制柜、供电电缆、电线以及照明灯具组成。动力照明系统主要功能是根据各系统专业的用电要求，安全、可靠、经济的对各系统专业设备供电，满足运营需要。
动力照明电源方案结合市政电源情况进行考虑，按如下原则执行：
（1）车站附近有可用市政电源时，直接从市政电源接引低压电源。
（2）车站附近无可用市政电源时，降压变结合牵引变电所设置，推荐采用箱变形式。
3.4杂散电流防护和接地
采用储能式有轨电车全线不挂网，仅需要在车站站台范围内、停车场库内充电位通过接触网充电，虽然在车站站台部分也使用钢轨回流，但回流路径短，通过在回流钢轨两端设置绝缘分段等防护措施后杂散电流很小，影响范围也非常小。因此，本工程不采用专门的排流措施和检测措施。
3.5车辆基地内的列车充电
根据车辆选型，车辆基地内不挂网，在车辆基地内库内、试车线设置相应充电位为列车充电。
蓄电池储能有轨电车在正线车站充电时，应充分利用停站时间进行大功率快速充电；而车辆基地内充电区域可采用小功率充电装置与隔离切换柜，为4～6列位的架空接触网分别供电。从而充分利用有轨电车停车时间为车辆充电，降低设备投资，库内充电装置设置形式如下图所示：
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图3.5-1 库内充电装置设置形式
充电柜总数量按远期需同时进行充电车数考虑，可分期实施。同时在相邻充电柜间设置联络开关，用以在故障情况下充电柜间支援供电。
4 结论
有轨电车工程供电方案的选择，主要取决于车辆的供电制式，直接影响整体工程的成本和供电能力的最优化利用，本文详细分析和比选了储能式有轨电车工程各种供电方案和，储能式有轨电车工程供电系统可靠、经济、实用，同时无接触网供电可以很大程度上降低对线路沿线景观的破坏，能够不受我国既有城市道路现状的影响，通过巧妙的设计，将有轨电车工程与城市景观融为一体。
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作者简介：
刘贯琨（1987-），大学本科，中铁第四勘察设计院集团有限公司，工程师，从事城市轨道交通供电系统设计工作。