摘要：研究目的：目前，城市轨道交通低压配电系统广泛采用交流供电系统。随着直流用电负荷在城市轨道交通的大量应用以及分布式发电系统、储能技术的不断发展，采用低压直流供电系统将成为趋势。但是，国内外均缺乏城市轨道交通低压直流供电系统的应用和设计标准。因此，结合城市轨道交通用电负荷特性，对直流供电的电压等级选取、供电网络结构、接地类型和保护方式、节能效果进行研究。
研究结论：（1）城市轨道交通的多数用电负荷可以采用直流供电方案。（2）相同供电距离时，DC 750（±375）V供电网络的供电能力约为AC 400V的4倍。DC 220V（±110）V供电网络的供电能力与AC 220V相当。根据城市轨道交通用电负荷特点，低压直流供电系统主母线电压等级应采用DC 750（±375）V、DC 220V（±110）V两级，供电网络结构采用双极三线制。（3）城市轨道交通低压直流供电系统应采用IT接地型式，既能提高供电可靠性，又能有效抑制直流短路故障时的电弧效应。（4）在输送相同功率、相同的供电线路的情况下，直流供电网络的功率损耗仅为交流供电网络的45%，直流供电系统中换流器损耗较交流供电系统减少5.5%～14.4%。
关键词： 低压直流供电系统 城市轨道交通 电压等级 接地类型 节能 Research of Low-voltage DC Power Distribution in Urban Rail Transit Long Tan1 Cui Hongmin1 He Shuai2
（1.China Railway Eryuan Engineering Group Co.Ltd，Chengdu 610031；
2.Southwest Jiaotong University Electrical Engineering College，Chengdu 610031） Abstract：Research purposes：At present，LVAC power supply system is widely used in low voltage distribution system of urban rail transit.With the extensive application of DC load in urban rail transit and the continuous development of
distributed generation system and energy storage technology，the use of low voltage DC power supply system will become a trend.However，there is a lack of application and design standards of low voltage DC power supply system for urban rail transit at home and abroad.Therefore，combined with the electric load characteristics of urban rail transit，the voltage level selection，power supply network structure，grounding type，protection mode and energy saving effect of DC power supply are studied.
Research conclusions：（1）most of the electric loads of urban rail transit can be supplied by DC power supply scheme.（2）At the same power supply distance，the power supply capacity of DC 750V power supply network is about 4 times that of AC 400V power supply network.The power supply capacity of DC 220V（±110）V power supply network is equivalent to that of AC 220V.According to the characteristics of electric load of urban rail transit，the main bus voltage level of LVDC power supply system should be DC 750V and DC 220V（±110V），and the power supply network structure should be bi-polar three-wire system.（3）The IT grounding type should be adopted in the LVDC power supply system of urban rail transit，which can not only improve the reliability of power supply，but also effectively restrain the arc effect in the case of DC short circuit fault.（4）Under the condition of the same power and the same power supply line，the power loss of DC power supply network is only 45% of that of AC power supply network，and the converter loss of DC power supply system is 5.5% and 14.4% less than that of AC power supply system.
Key words：low-voltage direct current power distribution system；urban rail transit；voltage classes；grounding type；energy-saving
1 引言
城市轨道交通交流供电系统分为列车牵引供电和动力照明供电（包括降压变电和低压配电）两大部分。我国城市轨道交通牵引供电已广泛应用了DC 1500V、DC 750V系统为列车供电[1]。而动力照明供电中的低压配电部分是采用AC
220/380V系统为车站、区间等用电设备供电的。因此，城市轨道交通供变电系统是交、直流混合供电网络结构。根据GB/T35727-2017《中低压直流配电电压导则》的定义[2]，低压直流供电系统是指电压等级为DC 110V～DC 1500（±750）V的供电网络，由直流电源、换流器、供电线路、负载等组成，因此，当牵引供电和动力照明供电均采用直流系统，供变电系统将是全低压直流供电网络。
与交流供电系统相比，直流供电系统具有供电线路损耗低、电能质量高、电能变换装置少等显著优势。而在民用领域，直流供电系统在光伏发电、电动汽车充电桩、公共通信已有大量成功的应用案例。随着城市轨道交通低压直流用电负荷的增多，直流供电向末端的低压配电部分延伸是未来发展的趋势。
城市轨道交通用电负荷主要包括照明、动力、弱电、供变电等4大种类。供变电类负荷主要是变电所操作电源直流控制系统；弱电类负荷包括通信、信号、综合监控、自动售检票等；动力类负荷包括水泵、风机、自动扶梯、电梯、站台门、空调等；照明负荷包括正常照明、消防应急照明、广告及装饰照明等。表1列出城市轨道交通主要用电负荷情况，为适应车站交流系统AC 220/380V电源，各用电设备不得不在其内部电源增加AC/DC整流、滤波、功率因数补偿电路（power factor correction，简称PFC）[3]，将外接交流电源转换成直流电后为设备供电，这不仅大量增加了整流变压器件成本，在电源的转换过程中消耗电能，而且容易产生谐波，影响供电电能质量。随着机电设备节能技术进步，用电负荷日趋“直流化”，如直流变频空调（永磁同步电动机压缩机）、直流电梯（永磁同步电动机曳引系统）、LED照明等。 2 电压等级的选取
低压直流供电涉及到各个系统用电设备，用电设备种类多、电源需求差异大、用电安全要求不同、具有不同的工作环境，各系统用电设备分布在车站设备区、公共区、出入口通道、区间等场所，情况十分复杂。合理选取电压等级不仅决定了低压直流供电系统的供电能力、接地类型、保护措施，而且决定了工程实施难度和工程造价，是研究的核心内容。 2.1供电能力分析
供电能力分析是合理选取电压等级的重要依据。假设在相同的线缆绝缘水平下，交流供电网络的电压有效值为，如果直流供电网络配出中间极，采用双极三线制，则其极间电压。
经换算，AC 400V与DC 640（ 320）V供电系统理论上是大致相当的。根据GB/T35727-2017《中低压直流配电电压导则》取优选电压等级DC 750（ 375）V与AC 400V进行对比分析，则。
1）当不计供电线路电压降时，且假定交、直流供电方式下电缆的长期运行允许工作温度相同，则供电电缆线路的最大载流量相同，若交、直流供电线路都以最大运行方式，则交、直流供电线路供电能力分别为：
。结果表明，双极三线制直流供电网络比三相交流供电网络的供电能力略大。 2）当计及线路末端电压降幅不大于5%的要求时，则交流供电线路压降为：
表1 城市轨道交通主要用电负荷表
若供电线路采用单芯XLPE绝缘电缆YJV22-0.6/1kV-50mm2（单位长度电阻
r0.387Ω/km，单位长度电抗x0.0313Ω/km，线缆平行排列敷设）。采用AC 400V（功率因数为0.9）与DC 750（375）V的供电线路作对比分析，参考文献[4]的计算方法，经MATLAB计算，交、直流系统的供电能力与供电距离的关系如图1所示。
图1 交、直流供电线路供电能力与供电距离的关系
Fig.1 Relationship between Power supply capacity and Power supply distance of AC and DC Power supply Line
显然，交、直流供电线路在供电距离较短时，其供电能力基本保持恒定。当供电距离大于300m时，由于受线路电压降的影响，交流供电网络的供电能力开始逐渐下降，当供电距离达到600m时，供电能力大约仅为直线恒定段的最大供电能力的50%。而采用直流供电时，在供电距离大于500m时，其供电能力才开始缓慢下降。当供电距离为500m时，则DC 750（375）V供电线路供电能力大约是AC 400V供电线路的4倍。由此可见，在远距离供电时，直流供电比交流供电具有更大的优势。
目前，国内外应用直流供电技术的几个行业都有不同的电压等级规定。例如，通信行业数据中心采用DC 240V、DC 336V直接向服务器、计算机类设备供电。光伏发电站的设备、元件基于DC 800～1000V的电压等级开发和制造。民用建筑领域，通常300kW以上大功率设备采用DC 750V，其他人员密集场所、中等功率设备多的情况采用DC 375V。
为便于工程实施，轨道交通车站直流供电系统的电压等级不能过多，低压直流供电系统电压等级按不多于三级。根据GB/T 156-2017《标准电压》、GB/T35727-2017《中低压直流配电电压导则》，直流供配电系统应采用表2中的优选标称电压等级。 表2 中低压直流配电电压等级
备注：表中标有“±”号的为双极性线路，无“±”号的为单极性线路；带“（）”的为备选标称电压值，不带“（）”的为优选标称电压值。 2.2照明、自动控制类负荷用电压等级
近年来，城市轨道交通已广泛应用LED光源。每套LED灯具需要设置恒流直流电源模块（AC/DC整流器），与灯具整合后形成一体式的产品，再接入AC 220V电源。城市轨道交通照明车站内供电距离约300～400m，区间照明供电距离可长达约1000～2000m，如果完全采用直流特低压供电，配电线路导线截面显著增大，供电距离大大减少，工程经济性差。文献[4]研究表明：DC 220V供电能力与AC 220V基本相当。另外，消防应急照明要求直流特低电压DC 36V、DC 24V供电，局部照明可采用DC 110V，区间照明应采用DC 220V。在照明配电系统内部配套DC/DC变换器以便获得不同的电压。
信号、综合监控、自动火灾报警、自动售检票、变电所直流控制系统、站台门等自动控制类负荷是直流用电设备，均设置在车站范围内，供电距离近且用电功率小，可直接采用DC 220V供电。信号系统内配DC 220V/DC 48V变换器，综合监控、自动火灾报警、自动售检票统内配DC 220V/DC 24V变换器，变电所直流控制系统、站台门直接接入DC 110V电源。 2.3动力、通信类负荷电压等级
直流DC 336V供电技术已经在通信行业大量应用于数据中心[5]。在城市轨道交通内专用通信设备用电功率约120～160kW，电源电压DC 48V；民用通信（移动、联通、电信等运营商）的设备用电功率约120～400kW，完全可以直接借鉴通信行业数据中心的直流供电方案，为服务器供电，直流供电系统相比传统交流UPS电源，减少DC/AC逆变环节。同时，服务器设备端又减少AC/DC整流环节，直接取消了两级变换，大大减少了供电回路结构。实验结果
表明[6]：大多数负载可以在直流条件下正常使用，并可适应较宽范围的直流电压水平，即使电压偏差10%。城市轨道交通的民用通信系统可以采用标称电压DC 375V为DC 336V的通信设备直接供电。
根据电机节能技术的发展，自动扶梯、电梯逐步应用永磁同步电动机技术，可以直接采用直流供电。通常情况下，自动扶梯、电梯设备功率为10～44kW，水泵、风机设备功率为1.1～160kW均属于中、小功率负荷，并且考虑到自动扶梯、电梯在车站的出入口通道，风机、水泵在车站主体建筑外，供电距离有超过500m以上的情况。因此，自动扶梯、电梯、水泵、风机等电动机类动力设备，尤其是大功率设备，如冷水机组应采用DC 750（±375）V供电。这样，既线路功率损耗小，适合远距离供电，又无需在整流、逆变之间转换，简化设备，对土建面积、空间的要求降低。
结合国家标准、参考其他行业直流供电系统的应用以及城市轨道交通用电负荷功率、车站供电距离一般不超过500m。图2显示，动力类以及其他需要取得DC 300～400V的用电负荷，功率小（≤100kW），站内供电距离较短时，可采用DC +375V或DC -375V；当用电负荷功率较大（＞100kW），且供电距离远时，可采用DC 750V。另外，DC +375V、DC -375V两极之间可互为备用，供电可靠性高。同样，照明类、自动控制类以及其他需要取得DC 110～220V的用电负荷，可采用DC 220（110）V。低压直流DC 750（375）V、DC 220（110）V能适合城市轨道交通用电负荷的多样性、是可靠性高的供电网络结构。
表3 城市轨道交通低压直流供电系统电压等级
Fab.1 Main Power load Table of Urban Rail Transit
图2 车站全直流供电系统主接线示意图
Fig.2 Schematic diagram of main wiring of full DC power supply system in station
3接地类型和保护措施
低压配电系统中最常见的故障是线路、设备的过负荷和短路，尤其是短路中的接地故障引起的间接接触电击事故是最常见的电击事故[7]。过负荷保护和短路保护对于交、直流系统的导体（线缆、母线）和保护电器的配合整定原则是等同的。由于直流电流不存在过零点，直流电流的分断比交流电流更困难，这就要求直流保护电器的电流分断能力、熄灭电弧能力要远大于交流保护电器，尤其是电压等级越高，分断越困难。在直流保护电器尚不成熟、产品标准不完善的情况下，采用一种故障电流小、供电可靠性高的接地类型既有利限制故障电流幅值，又能降低工程造价。
GB16895.1-2008《低压电气装置 第1部分：基本原则、一般特性评估和定义》
（IEC60364-1：2005）规定低压配电系统除TN系统外，还可以根据交、直流供电系统的故障类型、保护电器（断路器、熔断器等）参数、运维方式等选用TT、IT等接地型式[8]，以满足用电安全和供电可靠性的要求。
TN系统接地故障电流一般为若干A至数十kA，故障电流大，采用直流供电系统时灭弧困难。TT系统发生故障时，故障点多数情况下不易熔焊，阻抗值难以确定，实际配电线路故障电流、供电可靠性、电击防护性与理论计算、设计有较大误差，存在较大的不确定性。IT系统在电源端不接地，或经高阻抗接地，接地故障电流一般为若干μA，电流很小，供电可靠性高，但是需要在相线和地之间设绝缘监测器。对于低压直流供电系统，TN、TT、IT接地型式的对比分析见表4所示。表4 TN、TT、IT接地型式的对比分析
Fab.4 Comparative Analysis of grounding types of TN，TT and IT
目前，低压直流断路器价格昂贵，可选的品牌和规格少。IEC/TS61200-102 《ED1：
Electrical installation guide，Part 102：Application guide on Low Voltage direct current electrical installation not intended to be connected to Public Distribution Network》中建议采用交流断路器对直流低压供电系统进行保护，为避免交流断路器应用于直流供电系统失效，必须参考厂商的产品应用于直流时的修正系数和选型说明[9]。
GB16895.1-2008《低压电气装置 第1部分：基本原则、一般特性评估和定义》
（IEC60364-1：2005）、欧盟2014/35/EU也对IT接地类型的低压直流配电系统保护做了规定，要求如表5所示。
表5 IT接地类型的低压直流供电系统保护规定
Fab.5 Protection regulations of low Voltage DC Power supply system for IT grounding Type
综合以上对接地类型、保护方案的分析并结合城市轨道交通运维方式，城市轨道交通低压直流供电系统的接地型式应采用IT系统，当电路电气装置绝缘水平降低到整定值时IMD即发出报警信号以便及早消除绝缘隐患。 4节能分析
4.1线路功率损耗大幅度降低
在AC 400V交流供电网络中，其供电线路功率损耗为：
式中： 电缆末端电压，近似于额定电压； 负载功率因数；
单位长度电缆有效交流电阻； 电缆长度。
在DC 750（±375）V双极三线制的低压直流供电网络中，其供电线路功率损耗为：
式中： 电缆末端电压，近似于额定电压； 负载功率因数； 单位长度线路电阻； 线路长度。
将式（2）比式（1）得：
近似取、功率因数，另将代入式（3），得出交、直流供电网络的功率损耗比：
由式（11）可知，在输送相同功率、相同的供电线路的情况下，直流供电网络的功率损耗仅为交流供电网络的45%。 4.2换流器功率损失减少
文献研究表明[10]，电能转换一次，能量损失约为 2.4%。因此，用额定功率大AC/DC 整流器代替额定功率小的整流器，电能转换所产生的能量损失将会减少；用电设备中，用相同额定功率的 DC/DC 换流器代替 AC/DC 整流器，电能转换所产生的能量损失也会减少。在普通高层建筑中，直流配电系统用电设备换流器损耗较交流配电系统减少5.5%～14.4%[11]。 4.3大量节省电缆铜材
通常，城市轨道交通交流低压配电系统采用TN-S接地类型，即配电电缆采用3根相线+1根中性线+1根保护线的“五线制”。当采用直流系统的IT接地型式时，配电电缆采用1根正极线+1根负极线的“二线制”。
GB/T5023.1-2008《额定电压450/750V及以下聚氯乙烯绝缘电缆 第1部分 一般要求》明确规定：“当用于直流系统时，该系统的标称电压应不大于电缆额定电压的1.5倍”。[12]因此，可将交流供电线路的电缆用于1.5倍直流电缆额定电压线路上。以交流额定电压450/750V的聚氯乙烯绝缘电缆为例用于DC 750V供电线路。表6是额定电压450/750V聚氯乙烯绝缘电
缆在采用前述交、直流系统接地型式和供电网络结构时的铜材节省对比分析。表6显示，低压直流供电系统比交流系统节省了大量铜材。
表6 450/750V聚氯乙烯绝缘电缆铜材节省对比分析
Fab.6 Comparative Analysis on Copper Saving of 450 /750V PVC insulated Cable
5 结论
城市轨道交通车站之间距较短，列车会经常启动、同时伴随着频繁的制动，这是轨道交通工具最为显著的特点。利用列车制动产生的能量将其存储到超级电容、蓄电池、飞轮储能装置中，然后将储能装置中的能量直接向直流供电网络传输，进行“削峰填谷”控制，不需要DC/AC逆变装置，能极大提高列车制动能量的利用效率。城市轨道交通有应用低压直流供电技术的先天条件。随着节能、储能技术的发展，传统的中低压交流供电网络会逐渐被低压直流网络全面取代。
低压直流供电系统可显著降低损耗、提高电能质量、节约大量铜材并且与分布式电源（太阳能光伏发电、隧道风力发电、制动存储能量）无缝连接。目前，各行业直流供电系统设计和实施处于方兴未艾的探索阶段，国内外还缺少相应的设计标准，城市轨道交通可在一定的范围内进行探索试点，比如车站采用直流照明取代交流照明，探索直流断路器、熔断器、线缆等设计和选型的方法，理论研究和实际工程进行对比、验证、修订，以便做好技术储备。 参考文献
[1]标准电压：GB/156―2017[S]．北京：中国标准出版社，2017．
Standard voltage：GB/156―2017[S].Beijing：China Standard Press，2017.
[2]中低压直流配电电压导则：GB/T35727―2017[S]．北京：中国标准出版社，2017． Guideline for standard voltages of medium and low voltage DC distribution voltage system：GB/T35727―2017[S].Beijing：China Standard Press，2017.
[3]雍静，徐欣，曾礼强，等．低压直流供电系统研究综述[J]．中国电机工程学报，2013，33（7）：42—52，20．
YONG Jing，XU Xin，ZENG Liqiang，etc.A review of low voltage DC power distribution System[J].Proceedings of the CSEE，2013，33（7）：42—52，20． [4]Borioli E，Brenna M，Faranda R，et al．
A comparison between the electrical capabilities of the cables used in LVAC and dc power lines[C]//11th International Conference on Harmonics and Quality of Power，New York，American：IEEE，2004：408-413．
[4]Borioli E，Brenna M，Faranda R，et al．
A comparison between the electrical capabilities of the cables used in LVAC and dc power lines[C]//11th International Conference on Harmonics and Quality of Power，New York，American：IEEE，2004：408-413．
[5]通信用336V直流供电系统：YD/T3089-2016[S]．北京：人民邮电出版社，2016．
336V Direct current power supply systems for telecommunication：YD/T3089-2016[S].Beijing：Posts＆Telecom Press，2016.
[6]Techakittiroj K，Wongpaibool V．Co-existance between ac-distribution and dc-distribution in the view of appliances[C]//2nd International Conference on Computer and Electrical Engineering，Dubai，United Arab Emirates：International Association of Computer Science and Information Technology，2009：421-425
[7]王厚余.建筑物电气装置600问[M]．北京：中国电力出版社，2013.
Wang Houyu.Electrical installations of buildings 600 problems[M].Beijing：China Electrical Power Press，2013.
[8]低压电气装置 第1部分：基本原则、一般特性评估和定义：GB16895.1-2008（IEC60364-1：2005）[S]．北京：中国标准出版社，2008.
Low-voltage electrical installations -Part1：Fundamental principles，assessment of general characteristics，definitions：GB16895.1-2008（IEC60364-1：2005，IDT）[S].Beijing：China Standard Press，2008.
[9]ED1：Electrical installation guide，Part 102：Application guide on Low Voltage direct current electrical installation not intended to be connected to Public Distribution Network：IEC/TS61200102[S].International Electrotechnical Commission，2018.
[10]Hammerstrom D J．AC versus DC distribution systems-did we get it right[C]//IEEE Power Engineering Society General Meeting，Tampa，America：IEEE，2007：1-5． [11]Pang H．Lo E．Pong B．DC electrical distribution systems in buildings[C]//2nd
International Conference on Power Electronics Systems and Applications，Hong Kong，China：IEEE，2006：115-119．
[12]额定电压450/750V及以下聚氯乙烯绝缘电缆：第1部分 一般要求：GB/T5023.1-2008（IEC 60227-1：2007，IDT）[S]．北京：中国标准出版社，2008．
Polyvinyl chloride insulated Cables of rated voltages up to 450 /750V：Part 1：General
requirements：GB/T5023.1-2008（IEC60227-1：2007，IDT）[S].Beijing：China Standard Press，2008.
☆作者简介：龙潭，男，1979年10月生，西南交通大学本科，工学学士，高级工程师 作者简介：龙潭，男，高级工程师，从事新型轨道交通供电、电气节能等机电系统理论与技术的设计和研究，Daniel_long@126.com
上接第343页
图3 外立白名单原理图
外立白名单能够用于核电厂仪控平台内的操作员站、工程师站、服务器与通讯站网关等计算条件中，以达到管理外设的目的。 1、核电厂仪控系统安全防护策略
白名单防护对策的实行通常包含如下几个步骤。
（1）设计。在方案设计执行前，应当先设计，明确白名单计划包含的业务、地区与主机，明确白名单计划采取的技术；依靠主机、网络，或是两者同步应用。
（2）规划选型。按照规划，设计恰当的网络白名单和主机白名单计划，根据业务与网络拓扑，规划白名单部署计划，选取恰当的表名单产品。
（3）原型检验。按照规划，依靠实验环境展开白名单的原型检验，以保证白名单产品性能完整、对业务运行无任何干扰。
（4）实施。通过验证后，白名单计划进到实施过程。实施前，应当保证主机未被恶意软件入侵[4]。白名单产品在生效之前通常需要通过一个学习环节，即创建白名单的环节。若将恶意软件融入白名单，则白名单计划也不能保障主机安全。 参考文献
[1]赵季红，孙永滨，张亚栋，赵娜，裴红伟.核电厂安全级数字化仪控系统设备鉴定样机的设计方法及实践[J].仪器仪表用户，2019，26（09）：74-77.
[2]郝则胜，张亚栋，王嫘，高玉斌，周洋，张磊.核仪控系统物项替换抗震评估方法研究及应用[J].自动化仪表，2019，40（06）：72-75+79.
[3]杨景利，刘元，孟庆军，高超，王童生.核电厂仪控系统安全防护策略研究及应用[J].自动化仪表，2019，40（06）：93-97.
因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容