城市有轨电车供电系统设计与仿真计算

城市有轨电车供电系统设计与仿真计算张明锐 龚晓冬 唐贾言 钟建辉同济大学电子与信息市城市建设设计研究总院第一作者摘要 对城市有轨电车供电系统的方案选择工程设计的主要计算供电系统的关键技术指标和参数确定作了详细的介绍。并以苏州市高新区有轨电车１号线为例建立了供电系统整体模型对供电系统设计所需的牵引容量触网电压、迷流轨电位短路电流等工程数据进行仿真计算分析其化规律为有轨电车供电系统的设计提供参考依据。有轨电车；牵引供电；轨电位；短路电流

补充和延伸例如张江科技区在经济受限的中小型城市以有轨电车为主承担大部分客流量例如苏州高新区有轨电车１号线。现代有轨电车具有广阔的发展前景将成为未来城市公共交通体系的重要组成值得大力推广和发展。表１各种公共交通方式比较号 道路指 共交

快速道路交通

现代有轨电

轻 地ｎｎｏｆｎｒｙｍｉｎ， ｍ

运营速度 运能造价ｎｅ ｈ能耗污染高高较高较高较低低低低低低ａｎｅｌａｎ，ｈｎ ｈｅｍ．ｄｓｔｕｓｎｒｉ现代有轨电车是在传统有轨电车的基础上发展起来的采用现代交流电传动技术经不断完善形成的一种介于公共汽车和轻轨之间的中低运量轨道交通系统［１］。与道路交通相比有轨电车具有运营速度快运能大能耗低污染小的优势与轻轨和地铁相比其建造经济运营灵活管理便捷的特点又得以体现详细对比见表。因此现代有轨电车系统在以下两种环境首先得到重视与应用在特大城市的功能新区内建设有轨电车作为主体公共交通的

１有轨电车供电系统１．１有轨电车总体供电方案的确立可从供电方式、供电制式电压等级和运行模式等几方面进行考虑。供电方式有集中式半集中式分散式混合式等不同形式。集中式需专门设置３５ｋＶ及以上的主变电所降压后向牵引变电所统一供电半集中式是指设置若干１０ｋＶ开闭所由自建１０ｋＶ配电网向全线牵引变电所以下简为牵引变供电分散式则由城市３５ｋＶ或１０ｋＶ变电所直接向沿线牵引变供电混合式则介于集中式和分散式之间。轨道交通领域主要有两种供电制式一种是第三轨供电另一种是接触网供电。两种供电制式下常用的电压等级采用的是国际电工ＤＣ７５０Ｖ，其供电距离更远供电质量更高。两种供电制式的特点如表２所示。第三接触表 两种供电制式的主要优第三接触

全线拟设开闭所座正线牵引变座车辆牵引变１座供电系统如图１所示。 构造简单，可靠性高，坚固稳定维修量小 速度受限供电安全性要

架设在线路上空，供电安全性高机械故障多发维修量

系统运行方式系统运行方式分为正常运行方式和故障运行方式两种。如图１所示正常运行方式下每座变电所由两不同于轻轨和地铁有轨电车属地面交通运里程短运量中等用电负荷小但作为一个公交系统其供电可靠性依然不容忽视。苏州有轨电车１号线线路全长约１８ｋｍ，根据实际线路条件供电方

回互为备用的１０ｋＶ电源供电。每座牵引变电所的两套１２脉波整流机组并联运行构成等效２４脉波整流器向接触网供电。正线接触网由相邻牵引变电所双边供电。故障运行方式有以下３种

图 苏州高新区有轨电车１号线供电系统标进行仿真计算其中整流机组需要作过负荷指标牵引混合变电所的任一回１０ｋＶ进线电源故障切除故障电源合上母联分段开关由另一电当正线牵引变一套整流机组故障时另一套整流机组在其允许过负荷的情况下继续向接触网

的校验触网电压和钢轨电位也有明确的考核指标。详细参数见表３。表３供电系统关键参数考核标准考核对 标 连供电保持列车正常运行。 牵引整流负荷 １５０％额定负荷２ｈ３００％额定负荷１正线任一牵引变解列区间联络开关合上相邻变电所实现越区大双边供电 牵引供电计算主要计算内容牵引供电计算是供电初步设计中的重要一环，其计算结果是牵引变容量确定地址选择重要开关设备选型的依据。牵引计算内容包括牵引变容量、整流机组功率馈线有效电流触网电流触网电压降迷流及钢轨电位直流侧短路电流谐波分析等。本文建立图１所示的供电系统模型对以上

触网电 任一点触网电压不低于钢轨电 任一点钢轨电位不高于在工程设计中往往考虑最恶劣运行工况下系统的供电能力和安全性。在轨道交通供电系统中一般考虑远期运行小时内任意一座牵引变解列，相邻牵引变越区大双边供电上下行行车密度最大，且列车均处于启动加速状态的条件下各项供电指标是否合格并以此作为供电方案调整的重要技术依据。供电方案调整的重要措施包括：①调整牵引变位置改变供电距离；②增大变压器整流机组等设备容量；增大电缆导体截面；增加直流馈线。以上调整措施不能满足要求的情况下则需要在紧急情况下通过减小行车密度降低行车速度等运行管理措施来配合。２．２苏州高新区有轨电车１号线工程供电系统的主要参数如表４所示牵引变间距如表５所示。表苏州高新区有轨电车号线供电系统主要模块及参数

图２５模块有轨电车牵引特性曲线 建模及仿真电 牵引电压：１０ｋＶ

容量：２×６３０ｋＶＡ变压器变比：

３．１解列运行工况牵引系统的供电能力与安全性指标需要通过最短路电压百分比６％线 车 牵引网阻抗０４Ωｋｍ） 电机数：４钢轨阻抗） 驱动方式：１Ｃ２Ｍ牵引变对地电阻 牵引特性曲线如图

恶劣运行工况的校验与考核。以图１中４＃牵引变解列为例。若列车最高速度为旅行速度为２５最小发车间隔为则取列车平均间隔为。供电区间长度为由此确定上下行各有３辆列车同时运行其均匀分布于线。当末端牵引变解列时邻近牵引变越区单边供电。牵引变序

表 苏州高新区有轨电车１号线牵引变间距车辆段牵引变不计 间 ０ １ ２ ２ ２ ２ ２ ２ １ １迷流及轨电位模采用图３的分布参数模型对迷流及轨电位仿真计算。列车模块采用电流源模拟电流大小取列车最大牵引电流分布间隔取０．１ｋｍ，对沿线迷流及轨电位循环计算。

流线负母线最后流回牵引变负极。所有牵引变都并联在直流母线上因此均会提供短路电流。一般针对以下三种情况进行直流侧短路电流计算：正常双边供电时；任一中间牵引变解列相邻牵引变越区大双边供电时；末端牵引变解列临近牵引变单边供电时。仿真计算结果牵引变解列运以４＃牵引变解列运行工况为例对列车启动加速阶段进行仿真仿真时间为波形如图４～图８所示。图３迷流及轨电位分布参数模型短路计算任意触网点发生短路短路电流从牵引变正极流出经正母 馈 触 短路 钢 图４列车牵引电 图５列车牵引网图６触网电图７整流机组功

图８牵引变容列车从静止加速到给定速度首先进入恒转矩区此时列车从牵引网吸收功率牵引电流增大网压急剧降低。达到一定速度后列车进入恒功区网压逐渐升高。最低网压出现在启动后６ｓ，约为由图６～图８可知触网电流最大值约为１１３０此时需要牵引变提供的容量。选择额定容量为２×６３０ｋＶＡ的牵引变短时过载倍数约为倍满足要求。对牵引变解列运行工况进行循环计算。由于一座牵引变解列时相邻牵引变过载运行引起短时过载同时造成牵引网电压降加大。表６仿真结果显示最大过载率达到最低网压为均能满足工程要求。表６牵引变解列运行仿真结解列牵引相邻牵引变容量１１１１１１１１１１整流机组功率１１１１１１１１１１过载率触网电流最低网压迷流及轨电位取列车牵引电流１０００Ａ钢轨阻抗５仿真得到迷流轨电位分布如图９图１０

图９迷流分

图１０轨电位分钢轨各点迷流均通过大地流向邻近牵引变的负端因此牵引变位置处的迷流及轨电位为负值列车位置处轨电位较高。轨电位大小主要取决于钢轨泄漏电阻和列车牵引电流大小轨电位分布主要取决于牵引变间距和列车分布最大轨电位出现路中间最大值为符合工程要求。３．２．３直流侧短路正常双边供电以３＃４＃区间内发生短路为例分析短路电流与短路位置的关系。两牵引变间距为２．５ｋｍ，短路电流稳态值如表７所示。表中的短路电流只给出了３＃４＃牵引变提供的电流数值。事实上所有牵引变电所都会提供短路电流只是随着变电所与短路点的距离加大远端的变电所提供的短路电流值比较小。

相邻牵引变越区供电以４＃牵引变解列＃５＃越区供电为例同时考虑２＃６＃牵引变的影响仿真得到短路电流稳态值如图１１所示。由图１１可知短路电流与供电距离近似呈反比关系最大短路电流出现在靠近牵引变出口处。在距３牵引变出口５０ｍ处发生短路时＃牵引变提供的短路电流为当在距５＃牵引变出口５０ｍ处发生短路时，其提供的短路电流表７正常双边供电时短路电流稳态 短路点位置０００００００００１１１３＃侧电流８４３３４＃侧电流２２２３短路点位置１１１１１１１２２２２２３＃侧电流２２２３４＃侧电流３４对供电系统的方案合理性和关键工程设计指标进行了论证和仿真计算。仿真结果表明各项指标满足设计要求。本文建立的仿真模型和计算方法对现代有参考文献图１１３＃牵引变提供的短路电流与短路点位置关系单边供以１０牵引变解列９＃牵引变单边供电为例，并且考虑８＃牵引变对９＃牵引变的影响仿真得到短路电流稳态值如图１２所示。

［］訾海波过秀成杨洁现代有轨电车应用模式及地区适应性研究城市轨道交通研究［］王建试论有轨电车和轻轨系统的相互关系中国城市交［３］杨敏陈学武王炜