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地铁轨道交通供电系统及其安全性研究

发布日期:2013-07-16 18:41

地铁轨道交通供电系统及其安全性研究
 
      进入21世纪,随着我国经济的快速发展以及城镇化的大力推进。城市客运量大幅增长,在一些特大城市单纯采用常规公共交通系统已不能适应我国城市发展的实际需求运输效率更高的城市轨道。交通建设步入快速发展阶段,同时地铁交通在资源节约、环境保护和舒适、安全、快捷等方面存在很大的优势。供电系统是地铁交通的重要组成部分,地铁要正常运行,就需要供电系统安全可靠地供电,一旦供电系统发生故障,将使整条线路失去运营能力,将会造成重大经济损失。
 
国内地铁轨道交通线网规划概况
      世界上首条地下铁路系统是在1863年开通的“伦敦大都会铁路”,是为了解决当时伦敦的交通堵塞问题。当时电力尚未普及,所以即使是地下铁路也只能用蒸汽机车。而在我国,第一条地铁线路始建于1965年7月1日,1969年10月1日建成通车,这也使北京成为中国第一个拥有地铁的城市。而在随后的几十年里,地铁的发展也如雨后春笋一般,在我国各地陆陆续续都建成或在建地下轨道交通系统,比如天津地铁,广州地铁,上海地铁,包括即将完工通车的武汉地铁2号线等。
      目前,新编武汉市轨道交通线网从功能上分为快线和市区线两个层次,由3条市域快线和9条市区县构成,3条市域快线总厂216km,设站74座,9条市区线总长324km,设站240座,共设过江通道7条。为了确保地铁交通轨道建设顺利推进,有必要对地铁轨道供电系统的外部供电方式、牵引供电制式、以及如何提高地铁供电系统的安全性进行深入研究,以确保地铁轨道交通顺利推进,并确保整个城市电网的安全可靠供电。
 
外部电源供电方式
      外部电源供电方式直接涉及城市电网与地铁轨道交通系统的接口问题,是地铁供电系统设计中的重要组成部分,正确选择外部电源供电方式对于地铁建设是非常重要的。目前国内地铁采用的供电方式主要有3种类型:集中供电方式、分散供电方式和混合供电方式。由于混合供电方式结构复杂,设备选型繁琐,并且外电源网压不同,难于调度,不便管理,所以一般不被采用。集中式供电相比于分散式供电,在供电可靠性、供电质量、运营管理、施工难易程度及其对城市电网的影响等方面都有很大的优势,目前我国主要城市的轨道交通供电系统多采用集中式的供电方式。从供电可靠性角度而言,采用集中供电方式时,由于主变电所进线电压等级较高,电气设备绝缘等级也相应提高;继电保护配置也较高,线路故障率相对较低;同时,主变电所与城市电网接口较少,城市其它负荷对地铁供电系统干扰较少。因此,采用集中供电方式时地铁供电系统可靠性比较高。一路电源或主变压器故障,都不会影响地铁供电系统的正常运行。即使在极端故障情况下,如1座主变电所全所解列时,通过闭合联络开关,仍可以由另1座主变电所向全线的地铁变电所供电。采用分散供电方式时,开闭所从城市电网的不同变电站引入两路独立电源,这种运行方式理论上讲是比较可靠的。但是由于城市电网10 kV系统接入用户较多,各种用户所带负荷不同,产生的影响也就不同(如电压畸变与电压波动等),而且10 kV处于城市电网继电保护的中、末端,因此地铁供电系统的运行难免会受到其它用户的干扰,其供电可靠性相对较差。
      目前武汉市已建的轻轨1号线一期和在建的地铁2号线一期、4号线一期均采用了集中供电方式。1号线一期供电系统采用两级电压,集中供电辅以城网10 kV备用电源,设1座110 kV/10 kV主变电所;4号线一期工程也采用了集中供电方式,与2号线共用中南路主变电所,并新建铁机路主变电所为该工程供电,铁机路主变电所预留远期向7号线供电的条件。在以后的轨道交通建设中,外部电源供电方式的可靠性也是一个必须考虑的问题。总的来说,集中式供电是一种较优的方式。
 
牵引供电系统的制式
      牵引供电制式是指轨道交通的供电系统向电动车组或电力机车供电所采用的电流制式、电压等级和供电方式。一个地区的轨道交通牵引供电制式,影响到整个线网的供电设施和车辆配置、城市景观、居民出行的方便、城市轨道交通工程建设的投资和效益等多方面,具有重要的社会意义和经济意义。
     城市轨道交通和地铁的牵引供电系统通常均采用较低电压的直流供电制式,主要原因是:(1)由于直流制供电无电抗压降,因而比交流制供电的电压损失小;(2)电网的供电范围、电动车辆的功率都不大,均不需太高的供电电压;(3)城市轨道交通和地铁的供电路线都处在城市建筑群之间,供电电压不宜过高,以确保安全。基于上述原因,世界各国城市轨道交通的供电电压均在550~1550V之间,我国国标亦规定为750V和1500V,不推荐600V电压等级。
      近年来,由于交流变频调速技术的发展,车辆的牵引电动机已主动采用结构简单、运行可靠、价格低廉的鼠笼式交流异步电动机替代原先的直流电动机。在城市轨道交通中采用交流变频调速异步牵引电动机是一项新技术,也是牵引动力的发展方向,具有非常广阔的发展前景。
      以武汉市城轨交通为例,由于其自身的特点,线网规模庞大,交通线网自成体系,不受周边城市影响,不仅市域快线与市区线之间供电制式的协调对供电的可靠性会产生影响,规划中共12条轨道线的线与线之间的关联也会对整个城市线网的供电可靠性产生影响。目前的城轨1号线、2号线和4号线采用了第三轨制式,在武汉市城市轨道交通牵引供电制式的研究中,从保证供电可靠性的方面考虑,对于采用何种供电制式,不能仅仅从接触网和接触轨本身的可靠性方面进行考虑,也必须结合武汉市城轨交通建设的实际和整个城轨交通线网规划,从整体上对城轨牵引供电制式进行合理的协调和适当的统一。
 
提高地铁供电系统安全性方法
      地铁轨道电调与市(地)调的协调。地铁轨道供电系统的调度与城市电网的电力调度密切配合是实现地铁轨道供电系统正常运行的重要保证。牵引供电系统是一个较为复杂的用户供电系统,地铁轨道电调中心采用电力监控系统对地铁轨道供电实行遥测、遥控、遥信、遥调。其主变电所是两个系统的接口点,因此它将受到牵引供电调度与城市电网调度的双重管辖,如何分配各个调度的职能是很关键的问题。从便于协调管理的角度,建议地铁轨道电调与城市电网调度管辖接口处为主变电所110 kV电源开关靠线路侧刀闸,该刀闸(含线路接地刀闸)及与其相连的线路侧设备加上主变压器高压侧中性点接地刀闸由市调调度,但仍由电调操作执行。牵引供电系统其余设备由电调调度,电调与市调的数据通道接口设在对应的主变电所控制信号盘内的通信设备接线端子处,电调与市调的调度电话接口设在相应的主变电所。轨道交通供电系统的电源取自城市电网,因此,轨道交通牵引供电系统的继电保护整定必须与上一级的城市电网继电保护相配合。轨道供电系统要求电网给予其继电保护整定的一定时限范围,以便能在尽可能大的时限范围内调整自身继电保护整定值,满足对保护整定级差的要求。
      完备的供电系统安全管理制度。规范完备的供电系统安全管理制度是实现地铁运营安全的基础。目前从保障我国地铁安全运营的实际情况来看,急需建立地铁灾害应急处理制度、地铁设施设备日常安全维护制度、地铁紧急状况定期演练机制及国民地铁供电系统安全教育计划。
      完备的供电系统检测系统、安全装置、消防设施和信息传输系统地铁供电系统也要严格贯彻“安全第一,预防为主”的方针。对于内和线路情况进行实时检测就是一项重要手段,在牵引变电所内安装摄像头,可以检测到任何牵引变电所故障情况。地铁供电系统安全装置一般包括所内报警按钮、只能烟感探头、紧急照明和通风系统。消防设施包括灭火器、自动水喷淋装置和排烟装置等。
      当发生爆炸、火宅、毒气时,第一时间掌握现场情况尤为重要。应急时应备有4个渠道:(1)FAS火宅自动报警系统;(2)无线电通讯;(3)有线电通讯;(4)站台内的CCTV视频传输系统。
      对供电系统设备设施的日常维护。保持地铁供电系统长周期的正常运行,要求对各类设施设备及时维护保养,以减少随即故障的影响。从防灾、抗灾的角度来讲,日常安全维护制度还要确保牵引变电所内设备的完备性,灭火装置的充分性及可用性。
      地铁轨道交通供电系统是一个牵涉到多种技术领域 ,由多种没备、多种硬软件、多种设施组成的复杂系统。目前地铁轨道交通问题的供电问题经过数十年的建设与经营,已经基本解决了可靠性的问题。目前突出的问题是怎样根据地铁轨道交通网络的总体规划和建设进度,对地铁轨道交通网络的供电系统做网络化规划,打破既有线路供电系统各自为政的局面,充分利用轨道交通供电网现有和建设中的资源,以从系统的角度降低重复建设成本,使地铁轨道交通更加健康有序的发展。