现代有轨电车中压环网供电方式的研究
中交机电工程局有限公司的研究人员潘天晟，在2018年第8期《电气技术》杂志上撰文指出，现代有轨电车具有施工周期短、投资总额低、见效快的特点，但随着有轨电车工程的建设，其供电系统的投资依然十分高昂，在设计方案上也不尽相同。
本文针对现代有轨电车供电系统设计规范上的空白，从现代有轨电车的特点出发，对现代有轨电车的供电系统设计方案进行了分析。旨在通过与城市轨道交通的对比分析，借鉴其他行业类似供电设计方案的成熟经验，建议外部电源采用10kV分散式供电，中压环网采用单环网形式，并建议环网开关采用负荷开关环网柜替代断路器柜，以达到既满足各机电设备的用电需求，同时又能合理节约投资的效果。
现代有轨电车在城市交通中扮演着重要的角色，对发展交通、缓解城市拥堵具有重要的意义。在交通越来越便捷的时代，现代有轨电车的功能也日益得到彰显，它既作为城市骨干交通模式，承担大量的公共交通客流；又在城市经济活动密集的中心区域，提供便利的交通服务；同时它又作为快速轨道交通在城市特殊地区的延伸或加密。这些功能让有轨电车受到越来越多的青睐，也让它的建设如火如荼。
新建现代有轨电车的技术标准较高，使其造价不菲。与原先有轨电车的低成本、高效率的优势相左，在推广建设中易收到制约。
在国内现代有轨电车的供电系统设计中，尚未形成统一的设计标准，各家设计院对所执行的标准规范不同，导致供电系统的投资差异较大，同时供电系统在整个现代有轨电车的工程总投资中占比较高（约占10%～15%）。倘若可以借鉴城市轨道交通工程的相关设计经验，结合有轨电车的特点，确定技术经济合理的供电系统方案，是值得每一名设计人员思考的。
1 现代有轨电车的负荷等级确定
对于供电系统来说，确定所供电负载的负荷等级，是重要的环节，决定了供电系统外部电源的引接方式、系统接线和系统运行方式[1]。
1.1 现代有轨电车的运营特点
现代有轨电车作为一种城市中运量交通工具，通常基于城市既有现状进行规划和建设，通常来说，其高峰客流断面最大为7000人次/h，相较于地铁的30000人次/h而言，有轨电车不属于城市中的大运量交通工具。因此，即使由于城市电网的因素，中断运营时，其对公众的出行影响也并非是决定性的，对城市的整体运行也并非是冲击性的。可以通过应急预案，组织相应的接驳公交等手段，对有轨电车的客流进行疏解。
此外，现代有轨电车大都采用100%低地板或70%低地板车辆，车辆地板距离地面不高，不需要设置高站台乘降乘客。因此，即使在车辆遇到停电的状况时，也可以在第一时间组织乘客有序疏散。而空载状态下的车辆，也可以通过救援车辆牵引的方式，撤离路口等重要交通路段，避免对城市地面交通造成影响。
1.2 负荷等级的确定
参照GB 50052《供配电系统设计规范》中的相关要求，对一级负荷的定义，主要是根据其失去供电后，是否会造成人员伤亡、经济上的重大损失、重大政治影响或公共场所的秩序混乱。根据现代有轨电车的运营特点，现代有轨电车的牵引负荷可以确定为二级负荷较为适宜。
2 外部电源引接方案
现代有轨电车的外部电源一般引接自城市电网，大多采用10kV或35kV的电压等级向现代有轨电车的中压环网供电[2]。具体采用何种电压等级，应根据线路情况、供电范围、供电能力、外部电源分布状况来进行综合分析，详见表1。
表1 10kV与35kV外电源电压等级对比表
通过对比可以发现，10kV作为外部电源对现代有轨电车供电系统的适应性较好，技术经济指标优于35kV电源。
伴随国家电网和南方电网逐步推行20kV电压等级的要求，不少南方城市已开始在城市电网中采用20kV电压。在已采用20kV电压等级的城市中建设有轨电车时，宜优先考虑采用20kV电源作为外部电源，并采用20kV中压环网，以减少远期对中压环网系统进行更新改造，造成不必要的投资浪费。
3 现代有轨电车的中压环网方案
在现代有轨电车的中压环网设计方案中，通常有单环网和双环网两种结构形式。单环网具有环网电缆数量少、变电所主接线简单、高压开关设备少、变电所占地少、投资节省、继电保护方案简单，但可靠性不如双环网的特点；双环网具有较高的可靠性，但网电缆数量多、变电所主接线形式较复杂、高压开关设备数量较多、占地面积较大、投资较多和继电保护方案较复杂的特点[3]。
通过对现代有轨电车的运营特点和机电设备系统的负荷等级划分，对中压环网的结构宜满足N1原则校验供电可靠性。其校验成果见表2。
表2 中压环网N1校验方案表
综上所述，现代有轨电车的中压环网，应根据电源分布情况，合理确定每处电源的供电范围，合理划分供电分区。各供电分区间设置互相支援的环网联络开关。正常运行时，各环网联络开关打开，在故障状态下，闭合环网联络开关，实现支援供 电[4-5]。中压环网采用单环网接线即可。
4 一种新型中压环网供电模式的探讨
4.1 环网开关选型分析
现在，国内现代有轨电车的中压环网供电模式，仍然沿袭城市轨道交通的中压环网供电模式，即每处电源点向沿线路两侧的方向供电，相邻电源的供电分界一般在两个电源间。在中压环网开关的选择上，仍然以断路器作为环网开关。
在城市轨道交通中采用断路器作为环网开关：①因为断路器可以迅速切除故障线路，缩小停电范围，保障系统可靠运行；②通过定值，解决环网内多台断路器的保护配合问题。
在现代有轨电车工程中，由于有轨电车不新建电源系统，其中压环网直接引接自城市电网。因此，在保护配合上，需参考城市电网的保护定值和动作实现。
在华东地区，通过对10kV系统的接入设计工作，发现大部分城市电网的10kV出线均采用电流速断作为一段保护。其整定值一般包含动作时限和动作电流值。华东地区电网10kV出线保护定值见表3。
表3 中压环网N1校验方案表
若电源侧的电流速断动作时限为0s时，由于环网电缆短路或变电所10kV母线短路等情况下，其故障电流可达到2～15kA。此时，无论中压环网采用何种保护配置，都无法躲过上一级断路器的动作[6]。即便采用光差保护，也无法保障在电源侧断路器动作前，可靠切除故障。
若电源侧的电流速断动作时限为0.2～0.5s。可在中压环网内部增加一级极差，来切除故障。但此时中压环网内部可以耐受短时的故障电流，只需通过电源引入变电所的出线断路器切除故障即可。
综上所述，中压环网中的环网开关并非必须采用断路器。
4.2 采用负荷开关环网柜做环网开关的可行性
在国铁较大的货场、编组站等车站中，铁路电力系统通常采用站内环网供电的方式，在环网开关的选择上，通常选用SF6绝缘的负荷开关柜做环网柜[7]，变压器侧通常采用负荷开关加熔断器的保护方案。
随着制造工艺的不断成熟，产品可靠性的不断上升，近年来，不仅仅是铁路行业，就连电力行业也在推广采用将10kV SF6绝缘的负荷开关柜做环网柜的方案。这种环网柜其额定电流一般都可达到630A或1250A，短时耐受电流可达20kA（3s）。同时，由于采用SF6绝缘，使得柜体紧凑，免于维护，还可采用电动操作的特点。SF6绝缘的负荷开关柜其造价仅为一台断路器柜的1/2。
在电气功能上，SF6绝缘的负荷开关柜足以满足现代有轨电车的中压环网运行要求。在体积上，得益于紧凑的柜体结构，使其占地面积更小，在用地紧张的城市中，有更好的适应性。在工程造价上，SF6绝缘的负荷开关柜更为经济。
4.3 工程应用案例
鞍山有轨电车千山线项目全长约23km，沿线共设置12座车站，车辆采用镍碳电容电池储能的现代有轨电车。
本线供电系统采用分散式供电方式，全线分3处，共引进6回10kV电源，中压网络采用双环网接线。在各电源引接站设置10kV开闭所；在各车站设置降压变电所。中压环网接线形式如图1所示。
在本工程中，由于车辆储能能力较强，仅需在首尾车站设置牵引充电设施，因此仅在首尾车站和车辆段内设置了牵引变电所，各牵引变电所与10kV开闭所合建。10kV开闭所采用断路器作为开关；沿线各降压所采用SF6绝缘的负荷开关作为环网开关。
图1 中压环网接线形式图
采用此方案后，在保证系统安全可靠运行的同时，中压环网的运行方式得到了简化，优化了继电保护设置方案。同时，对比各站设置10kV断路器作为环网开关的方案，累积节约投资550万元。取得了良好的工程经济效益。
1）现代有轨电车的牵引负荷的负荷等级宜为二级负荷，其余各机电设备的负荷等级应参照相关设计规范进行划分。
2）现代有轨电车的外部电源一般应采用10kV电压等级，中压环网采用单环网结构，可以考虑采用SF6绝缘的负荷开关柜代替断路器柜作为环网开关。