城市軌道交通牽引變電所主接線的優(yōu)化研究

周才發(fā)

0 引言

目前，國內(nèi)城市軌道交通供電系統(tǒng)牽引變電所主接線大多采用如下形式：每座牽引變電所設(shè)2臺(tái)整流機(jī)組，均接于同一段母線上；每套整流機(jī)組分別通過斷路器與35 kV母線連接；直流1 500 V母線為單母線接線；每座牽引變電所內(nèi)饋出4回直流電源分別接至牽引網(wǎng)上下行，與相鄰牽引變電所構(gòu)成雙邊供電；直流進(jìn)線開關(guān)選用直流斷路器或者電動(dòng)隔離開關(guān)；直流負(fù)極開關(guān)選用手動(dòng)隔離開關(guān)或者電動(dòng)隔離開關(guān)；直流饋線開關(guān)選用直流斷路器。

筆者認(rèn)為該主接線形式雖然滿足城市軌道交通供電系統(tǒng)的運(yùn)行要求，但是有些方面還有待進(jìn)一步優(yōu)化。

1 牽引整流機(jī)組接入方式

牽引整流機(jī)組接入35 kV母線一般有2種方案：一是2套牽引整流機(jī)組進(jìn)線合并，二是2套牽引整流機(jī)組進(jìn)線獨(dú)立。

1.1 2套牽引整流機(jī)組進(jìn)線合并（方案1）

2套牽引整流機(jī)組并接在同1臺(tái)35 kV斷路器上，2臺(tái)整流變壓器并聯(lián)后，等效為1臺(tái)24脈波整流變壓器，接于同一段35 kV母線上，見圖1。

該方案的特點(diǎn)：

（1）正常運(yùn)行時(shí)，2套牽引整流機(jī)組同時(shí)投入；故障狀態(tài)下，2套牽引整流機(jī)組同時(shí)退出，由相鄰牽引所實(shí)現(xiàn)對(duì)牽引網(wǎng)的越區(qū)支援供電，管理和操作簡單。

圖1 進(jìn)線合并接入方案示意圖

（2）進(jìn)線回路共用，可以按照等效的1套24脈波整流機(jī)組設(shè)備來進(jìn)行整定計(jì)算，斷路器保護(hù)動(dòng)作后，某些故障區(qū)分較困難（如出現(xiàn)短路故障或過負(fù)荷，不能直觀判斷由哪一套設(shè)備引起）。

（3）聯(lián)鎖、聯(lián)跳關(guān)系減少，二次接線簡單。

（4）綜合投資費(fèi)用較低，按目前的價(jià)格水平，每臺(tái)35 kV開關(guān)柜（含保護(hù)）約為30萬元，考慮一條20多公里地鐵線路，牽引變電所數(shù)量按10座來計(jì)算，一次設(shè)備投資就可以減少約300萬元。

1.2 2套牽引整流機(jī)組進(jìn)線獨(dú)立（方案2）

2套牽引整流機(jī)組分別通過1臺(tái)35 kV斷路器并接在同一段35 kV母線上，見圖2。

該方案的特點(diǎn)：

（1）正常運(yùn)行時(shí)，2套牽引整流機(jī)組同時(shí)投入；故障狀態(tài)下，當(dāng)1套牽引整流機(jī)組退出運(yùn)行時(shí)，另 1套牽引整流機(jī)組在其允許過負(fù)荷情況下可繼續(xù)運(yùn)行，否則由相鄰牽引所實(shí)現(xiàn)對(duì)牽引網(wǎng)的越區(qū)支援供電，管理和操作較復(fù)雜。

（2）2套牽引整流機(jī)組設(shè)備及保護(hù)配置相互獨(dú)立，故障易判斷。

圖2 進(jìn)線獨(dú)立接入方案示意圖

（3）聯(lián)鎖、聯(lián)跳關(guān)系增加，二次接線較復(fù)雜。

（4）綜合投資費(fèi)用較高。

1.3 方案比較

2種方案的比較見表1。

表1 牽引整流機(jī)組接入方案比較表

根據(jù)以上分析、比較，方案1比方案2有明顯優(yōu)勢(shì)，雖然方案1不滿足單套整流機(jī)組運(yùn)行條件，但筆者認(rèn)為能否滿足單套整流機(jī)組運(yùn)行的條件并不重要，原因有以下3點(diǎn)：

（1）當(dāng)一套整流機(jī)組出現(xiàn)故障而退出運(yùn)行時(shí)，另一套整流機(jī)組也退出運(yùn)行，通過相鄰牽引所對(duì)牽引網(wǎng)越區(qū)供電已經(jīng)能滿足供電的可靠性。

（2）根據(jù)城市軌道交通的供電計(jì)算，為盡量減少安裝變壓器容量，允許單套整流機(jī)組運(yùn)行只限于初、近期客流不大的情況，隨著運(yùn)行負(fù)荷及諧波含量的增加，單套整流機(jī)組運(yùn)行條件已不能滿足系統(tǒng)要求。所以從長遠(yuǎn)來看，允許單套整流機(jī)組運(yùn)行意義不大。

（3）根據(jù)國內(nèi)已運(yùn)行線路的經(jīng)驗(yàn)來看，近、遠(yuǎn)期客流到來的時(shí)間大多比設(shè)計(jì)時(shí)間提前，有些城市軌道交通線路甚至在運(yùn)行2～3年后，客流就達(dá)到了遠(yuǎn)期的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致初、近期時(shí)間大大縮短，允許單套整流機(jī)組運(yùn)行條件的實(shí)際工程意義不大。

綜上所述，2套牽引整流機(jī)組進(jìn)線合并的接線方式值得推薦。

2 直流進(jìn)線開關(guān)的設(shè)置

直流進(jìn)線開關(guān)的設(shè)置有2種方案：方案1采用電動(dòng)隔離開關(guān)，見圖3。方案2采用直流斷路器，見圖4。2種方案在國內(nèi)實(shí)際工程中均被廣泛采用。

圖3 進(jìn)線采用電動(dòng)隔離開關(guān)接線圖

圖4 進(jìn)線采用直流斷路器接線圖

正常運(yùn)行情況下，2種方案均能滿足要求，無明顯差異。下面著重分析各種故障狀態(tài)下2種方案間的差異。

牽引變電所牽引整流部分故障按發(fā)生地點(diǎn)可劃分為3類：第1類故障發(fā)生在牽引整流機(jī)組進(jìn)線斷路器與直流進(jìn)線開關(guān)之間，如整流變壓器、整流器及連接電纜故障等；第2類故障發(fā)生在直流進(jìn)線開關(guān)與直流饋線斷路器之間，如直流母線短路故障；第3類故障發(fā)生在直流饋線斷路器以下，如接觸網(wǎng)短路故障。

2.1 故障切除

（1）直流進(jìn)線開關(guān)按方案1設(shè)置。第1類故障：跳開該所2路整流變壓器進(jìn)線斷路器和所有直流饋線斷路器；第2類故障：框架保護(hù)動(dòng)作，跳開該所 2路整流變壓器進(jìn)線斷路器和所有直流饋線斷路器，并聯(lián)跳相鄰牽引變電所相應(yīng)的直流饋線斷路器；第3類故障：直流饋線斷路器保護(hù)動(dòng)作，跳開直流饋線斷路器并聯(lián)跳相鄰牽引變電所相應(yīng)的直流饋線斷路器。

（2）直流進(jìn)線開關(guān)按方案2設(shè)置。第1類故障：跳開該所2路整流變壓器進(jìn)線斷路器和2路直流進(jìn)線斷路器；第2類故障和第3類故障均與方案1的對(duì)應(yīng)類故障切除相同。

可見，2種方案僅在發(fā)生第1類故障時(shí)有區(qū)別，下面對(duì)發(fā)生第1類故障時(shí)故障恢復(fù)時(shí)間進(jìn)行比較。

2.2 故障恢復(fù)時(shí)間

恢復(fù)方式是通過直流母線或接觸網(wǎng)越區(qū)隔離開關(guān)越區(qū)。

（1）通過直流母線恢復(fù)。方案1的動(dòng)作順序：該所 2路整流變壓器進(jìn)線斷路器和所有饋線斷路器均跳開，同時(shí)自動(dòng)重合閘閉鎖→2路進(jìn)線電動(dòng)隔離開關(guān)分閘→合直流饋線斷路器實(shí)現(xiàn)大雙邊供電，恢復(fù)故障時(shí)間一般小于1 min。

而方案 2在故障切除后，接觸網(wǎng)供電不受影響。

（2）通過接觸網(wǎng)越區(qū)隔離開關(guān)越區(qū)。方案 1的動(dòng)作順序：該所2路整流變壓器進(jìn)線斷路器和所有直流饋線斷路器均跳開，同時(shí)自動(dòng)重合閘閉鎖→雙邊聯(lián)跳相鄰牽引所相應(yīng)直流饋線斷路器→該所2路進(jìn)線電動(dòng)隔離開關(guān)分閘→該所越區(qū)電動(dòng)隔離開關(guān)合閘→相鄰牽引所直流饋線斷路器合閘實(shí)現(xiàn)大雙邊供電，恢復(fù)故障時(shí)間一般小于3 min。

而方案2與方案1基本相同，其動(dòng)作順序：該所2路整流變壓器進(jìn)線斷路器和2路直流進(jìn)線斷路器跳開并聯(lián)跳所有直流饋線斷路器→雙邊聯(lián)跳相鄰牽引所相應(yīng)直流饋線斷路器→該所越區(qū)電動(dòng)隔離開關(guān)合閘→相鄰牽引所直流饋線斷路器合閘實(shí)現(xiàn)大雙邊供電，恢復(fù)故障時(shí)間一般小于3 min。

可見，方案1與方案2的區(qū)別僅在第1類故障用母線越區(qū)供電恢復(fù)故障時(shí)有所區(qū)別。

2.3 技術(shù)方案比較

2種方案就保護(hù)動(dòng)作的可靠性、恢復(fù)故障的快速性、運(yùn)行方式及運(yùn)營管理等方面的分析見表2。

表2 2種方案的技術(shù)分析比較表

2.4 經(jīng)濟(jì)比較

按目前的價(jià)格水平，每臺(tái)直流進(jìn)線斷路器開關(guān)柜（含保護(hù)）約為38萬元，每臺(tái)直流進(jìn)線電動(dòng)隔離開關(guān)柜（含PLC）約為20萬元，若直流進(jìn)線采用電動(dòng)隔離開關(guān)，每座牽引變電所可節(jié)省投資 36萬元，牽引變電所數(shù)量按10座計(jì)算，一次設(shè)備投資就可減少約360萬元。當(dāng)前國內(nèi)一座城市規(guī)劃的軌道交通線路數(shù)量多，每條線路一般要設(shè)置十幾座牽引變電所，這樣算下來節(jié)省的投資相當(dāng)可觀。

綜上所述，方案1與方案2在技術(shù)性能上無明顯差異，均能滿足軌道交通的供電要求，但從投資來講，方案1比方案2節(jié)省投資，因此，從節(jié)省投資的角度，推薦直流進(jìn)線開關(guān)的設(shè)置采用方案1，即采用電動(dòng)隔離開關(guān)。

3 直流負(fù)極開關(guān)的設(shè)置

負(fù)極柜開關(guān)可以選用手動(dòng)隔離開關(guān)（圖5），也可選用電動(dòng)隔離開關(guān)（圖6），2種方案均有工程實(shí)例。

正常情況下，負(fù)極柜隔離開關(guān)常閉，直流設(shè)備向牽引網(wǎng)供電。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行方式改變時(shí)，負(fù)極柜隔離開關(guān)位置狀態(tài)可維持不變（如牽引變電所牽引整流機(jī)組退出運(yùn)行，相鄰牽引所大雙邊供電或越區(qū)單邊供電，負(fù)極柜隔離開關(guān)可不分開）。當(dāng)直流系統(tǒng)需要檢修維護(hù)時(shí)，負(fù)極柜隔離開關(guān)應(yīng)分開，在直流牽引設(shè)備與回流鋼軌間形成一個(gè)隔離斷口。在工程中，設(shè)備檢修周期固定，檢修作業(yè)在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行，負(fù)極柜隔離開關(guān)的操作頻率較低，手動(dòng)操作即可滿足要求。

圖5 負(fù)極采用手動(dòng)隔離開關(guān)接線圖

圖6 負(fù)極采用電動(dòng)隔離開關(guān)接線圖

因此，從節(jié)省投資的角度，負(fù)極柜開關(guān)推薦采用手動(dòng)隔離開關(guān)。

4 推薦的主接線形式

綜上所述，推薦的牽引變電所主接線形式，在滿足城市軌道交通供電系統(tǒng)運(yùn)行要求的前提下，將傳統(tǒng)的牽引變電所主接線做了如下改進(jìn)：

（1）將2套牽引整流機(jī)組獨(dú)立進(jìn)線改成合并進(jìn)線。

（2）將直流進(jìn)線開關(guān)由直流斷路器改成電動(dòng)隔離開關(guān)。

（3）將直流負(fù)極柜的隔離開關(guān)由電動(dòng)改成手動(dòng)。

城市軌道交通供電系統(tǒng)牽引變電所推薦的主接線形式如圖7所示。

圖7 牽引變電所主接線圖

按照推薦的主接線，一個(gè)牽引變電所比傳統(tǒng)的牽引變電所可以節(jié)省人民幣60多萬元。如果一條軌道交通線按10個(gè)牽引所（包括車場(chǎng)牽引變電所）考慮，則可以節(jié)省投資600多萬元。

5 結(jié)束語

推薦的城市軌道交通牽引變電所的主接線形式，既滿足城市軌道交通供電系統(tǒng)的運(yùn)行要求，主接線及運(yùn)行方式簡單、安全可靠，又節(jié)省投資，值得在國內(nèi)城市軌道交通建設(shè)中推廣。

[1]GB 50157-2003 地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國計(jì)劃出版社，2003.

[2]深圳地鐵3號(hào)線初步設(shè)計(jì)文件[R].中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司.深圳，2006.

[3]上海地鐵9號(hào)線初步設(shè)計(jì)文件[R].中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司.上海，2007.

[4]杭州地鐵1號(hào)線初步設(shè)計(jì)文件[R].中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司.杭州，2008.

[5]南昌地鐵 1號(hào)線供電系統(tǒng)投標(biāo)文件[G].中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司.成都，2009.