地鐵接地變選型設(shè)計要素分析

趙夢晨

摘 要：為了防止系統(tǒng)在嚴(yán)重偏執(zhí)中性電流的作用下出現(xiàn)跳閘等異常反應(yīng)，系統(tǒng)要設(shè)置大容量的接地變壓器用作中性點(diǎn)接地。重點(diǎn)研究了接地變壓器的選型，而接地變壓器的選型主要包括接地容量的驗算、站內(nèi)用電功率的計算、配合系統(tǒng)對接地變壓器的影響、柔性供電方案對接地變壓器的影響、接地變壓器的并列方案等。

關(guān)鍵詞：地鐵；接地變壓器；選型設(shè)計；中性點(diǎn)

中圖分類號：U231.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.02.088

地變壓器（簡稱接地變）的作用是在系統(tǒng)為△型接線或Y型接線中性點(diǎn)無法引出時，引出中性點(diǎn)用于加接消弧線圈或電阻。此類變壓器采用Z型接線（或稱曲折型接線），它與普通變壓器的區(qū)別是，每相線圈分成兩組分別反向繞在該相磁柱上。這樣連接的好處是零序磁通可沿磁柱流通，而普通變壓器的零序磁通是沿著漏磁磁路流通，所以，Z型接地變壓器的零序阻抗很?。?0 Ω左右），而普通變壓器要大得多。按規(guī)程規(guī)定，用普通變壓器帶消弧線圈時，其容量不得超過變壓器容量的20%. Z型變壓器則可帶90%～100%容量的消弧線圈，接地變壓器除了可以帶消弧圈外，也可帶二次負(fù)載，可代替所用變，從而節(jié)省投資費(fèi)用。

1 工程背景

某地鐵站總長為195.32 m（內(nèi)凈），標(biāo)準(zhǔn)段寬為18.3 m（內(nèi)凈），車站高度為14.51 m，主體建筑面積為8 805 m2，為局部地下3層10.5 m島式站臺車站。其地下一層為設(shè)備層，地下二層為站廳層，地下三層為站臺層，車站無軌道交通換乘，車站共設(shè)4個出入口。車站降壓變電所位于車站站臺層的西端，負(fù)責(zé)供車站和兩端相鄰各半個區(qū)間的動力照明用電。

因為地鐵站規(guī)模有限，所以，降壓變電站用作站內(nèi)低壓變電站，降壓變電站尾端引出三相400 V照明電電壓直接進(jìn)入站內(nèi)EPS系統(tǒng)。接地變壓器在地鐵接地系統(tǒng)中的應(yīng)用如圖1所示。

圖1 接地變壓器在地鐵接地系統(tǒng)中的應(yīng)用

2 用電源頭

地鐵站的用電源頭主要有以下4部分。

2.1 照明用電

因為地鐵站屬于地下設(shè)施，沒有自然光支持，所以，地鐵站運(yùn)行全時段需要不少于24 lm的全場照明，地鐵站關(guān)閉期間需要不少于9 lm的全場照明。同時，站內(nèi)的電子指示牌、通風(fēng)機(jī)等也需要照明用電的支持。

2.2 調(diào)度用電

地鐵站的調(diào)度信號機(jī)采用了場內(nèi)供電和連續(xù)供電兩種供電模式，采用ABB自動換向開關(guān)自動選擇調(diào)度用電。場內(nèi)的有人值守調(diào)度指揮系統(tǒng)也需要使用調(diào)度用電。

2.3 安保用電

場內(nèi)的消防泵、排煙風(fēng)機(jī)、門禁系統(tǒng)等均需要安保用電的支持。安保用電使用的是布置在站內(nèi)EPS之后的專用UPS實現(xiàn)電能質(zhì)量支持。

2.4 信號用電

信號用電與調(diào)度用電類似，而信號用電采用的是12 V的電路。目前，越來越多的信號采用了光纜信號，逐漸與信號電工任務(wù)脫離。

3 接地變選型的問題

接地變的主要用途是給無中性線、負(fù)載不均衡的供電系統(tǒng)提供中性線。地鐵屬于沖擊電流較大的偏執(zhí)電流，但是，其實際供電系統(tǒng)不存在中性線，而是采用了三相電中的兩相作為單向大功率供電的方式運(yùn)行。所以，地鐵供電實際上是在單向接地空載電流和兩相異地接地空載電流兩種形式之間轉(zhuǎn)換。因此，接地變的容量應(yīng)該與兩種接地發(fā)生時的中性線電流相對應(yīng)。但是，在沖擊電壓波動的情況下，如果在接地變上直接取400 V的站內(nèi)用電電源，就會嚴(yán)重影響站內(nèi)用電的電能質(zhì)量。

雖然接地變可以提供超低阻抗的中性接地，但是，當(dāng)大電流偏執(zhí)發(fā)生時，其浪涌電流足夠毀壞上文中提到的所有市電設(shè)備。鑒于此，在接地變后方設(shè)計了小容量大功率EPS系統(tǒng)，在信號系統(tǒng)、調(diào)度系統(tǒng)之前布置了專用的大容量小功率UPS系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上，應(yīng)當(dāng)配合變壓器的容量設(shè)計和斷路器的整定設(shè)計。

當(dāng)接地變的容量過小時，可能會使偏執(zhí)電流不能完整接地，甚至?xí)龤Ы拥刈?；?dāng)接地變過大時，會引發(fā)較多的無功功率，引起抗性升壓和比較嚴(yán)重的電能質(zhì)量問題。

4 解決方案分析

4.1 加強(qiáng)容量的驗算和整定

因為車輛的過站和運(yùn)行功率是可以通過車輛的額定功率和運(yùn)行狀態(tài)驗算的，所以，當(dāng)兩路車輛分別過站時，給770 V線路帶來的偏執(zhí)電流是可以計算的。通過計算不同車輛在不同運(yùn)行狀態(tài)（停車、起步）下的實際偏執(zhí)電流，可以計算出中性線的接地功率。雖然地鐵站的接地功率比較大，在其他電路系統(tǒng)中并沒有相似的研究，可以參考的文獻(xiàn)也較少，但是，這個驗算過程比較簡單。通過強(qiáng)化驗算規(guī)則，而不是采用經(jīng)驗法確定接地變的容量，就比較容易確定系統(tǒng)接地變的容量。但是，接地變的容量不僅僅是中性電流的容量，在接地變兼做站內(nèi)變壓器的系統(tǒng)中，接地變應(yīng)當(dāng)包括站內(nèi)系統(tǒng)用電的容量。而站內(nèi)系統(tǒng)的消防系統(tǒng)、排煙系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)和照明系統(tǒng)等均是用電量比較大的系統(tǒng)。

4.2 系統(tǒng)化的解決方案

要想有效解決地鐵線路的大功率中性電流偏執(zhí)問題，不僅要通過接地變壓器的容量支持，還要利用斷路器整定、動態(tài)無功補(bǔ)償、下級EPS支持等多種方案綜合實現(xiàn)其功能。

在斷路器整定過程中，應(yīng)將單相接地和兩相異地接地視為合法，且充分計算車輛進(jìn)出網(wǎng)絡(luò)的時間周期，從而設(shè)定斷路器的延

時時間。當(dāng)車輛通過時引起的單相接地或者兩相異地接地的時間足夠長時，則認(rèn)為出現(xiàn)了單相接地或者兩相異地接地故障。同時，應(yīng)該充分避免斷路器出現(xiàn)三相接地或者三相短路故障。

動態(tài)無功補(bǔ)償可以緩解系統(tǒng)空載時為接地變壓器帶來的抗性升壓，同時，也能迅速調(diào)整車輛通過時對系統(tǒng)電壓和電流造成的沖擊，特別是能有效避免車輛通過時造成無功升壓的劇烈變化。

下級EPS可以在大容量電池的支持下，通過微電腦輔助整理電能質(zhì)量，提升站內(nèi)用電的電能質(zhì)量。因為EPS對電能質(zhì)量的整理能力比UPS系統(tǒng)略差，所以，對于信號電部分和調(diào)度電部分，系統(tǒng)另外增加了專用UPS整理電能質(zhì)量。

4.3 采用柔性供電方案

在有條件的地鐵站，特別是大型換乘站等規(guī)模較大的車站，建議采用單相接地變的方式部署。利用這種方式可以有效地整理系統(tǒng)的電能質(zhì)量，進(jìn)而實現(xiàn)柔性供電。同時，部分新型地鐵線路采用直流供電，從直流換流站中直接將三相電流均衡換流為直流電，從而實現(xiàn)了完全均衡的直流供電。但是，地鐵直流供電在國內(nèi)早期地鐵中的升級改造工作尚沒有完全鋪開，僅是在目前新建的地鐵系統(tǒng)中局部應(yīng)用。但是，不得不說柔性供電和直流供電是未來地鐵供電的發(fā)展趨勢。

4.4 接地變的并列運(yùn)行

智能供電的理念在“十二五”期間已經(jīng)充分布局，在各企業(yè)內(nèi)部電網(wǎng)中，因為市面上的智能化供電設(shè)備逐漸普及，智能化用電逐漸體系化，所以，開始充分開展智能化供電模式。而變壓器的并列運(yùn)行也是智能供電模式的一種。對于站內(nèi)用電體系來說，三四臺小容量接地變并列運(yùn)行可以充分降低因為接地變故障引發(fā)的地鐵行車電或者照明電跳閘等事故。通過合理部署智能化系統(tǒng)和狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，在站內(nèi)變壓器和接地變壓器合并的狀態(tài)下，多臺熱備用和多臺同步在線的模式被廣泛應(yīng)用于目前的交流車輛系統(tǒng)供電中。這也是影響接地變壓器選型的主要因素之一。

5 結(jié)束語

經(jīng)過相關(guān)分析可知，接地變壓器的選型需要考慮的因素較多，主要包括接地容量的驗算、站內(nèi)用電功率的計算、配合系統(tǒng)對接地變壓器的影響、柔性供電方案對接地變壓器的影響和接地變壓器的并列方案等?？紤]了這些問題后，會讓接地變壓器的選型更加精確，從設(shè)計層面上減少接地變壓器出現(xiàn)故障的概率。

參考文獻(xiàn)

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〔編輯：白潔〕