城市軌道交通供電系統(tǒng)功能核驗測試方案研究

程澤華 張凌云 黃明暘

摘 要：供電系統(tǒng)是否可靠，直接影響城市軌道交通運營安全和服務(wù)質(zhì)量。交通運輸部交辦運[2019]17 號文明確要求供電系統(tǒng)需完成功能核驗測試。文章通過研究供電系統(tǒng)功能核驗測試方案，并通過對呼和浩特市軌道交通 1 號線一期工程供電系統(tǒng)開展功能核驗測試進(jìn)行驗證，總結(jié)分析城市軌道交通供電系統(tǒng)功能核驗測試方案的必要性及可行性。

關(guān)鍵詞：城市軌道交通;供電系統(tǒng);功能核驗測試

中圖分類號：U223

1 研究背景

城市軌道交通以其較大的運輸能力、較高的準(zhǔn)時性和舒適性，得到廣大民眾的高度認(rèn)可，成為居民日常出行的首選公共交通方式。城市軌道交通車輛、信號、供電等系統(tǒng)各自運行、相互配合、密切聯(lián)動，保障列車的安全運行。供電系統(tǒng)作為列車運行的動力源，在城市軌道交通安全運行中發(fā)揮著不可替代的重要作用。為確保城市軌道交通的安全運行，交通運輸部交辦運[2019]17號文《城市軌道交通初期運營前安全評估技術(shù)規(guī)范第1部分：地鐵和輕軌》[1]第四十條提出對供電系統(tǒng)進(jìn)行功能核驗的明確要求，交通運輸部交運規(guī)[2019]1號文《城市軌道交通初期運營前安全評估管理暫行辦法》[2]第四條也明確規(guī)定：未通過初期運營前安全評估不得投入初期運營。

2 供電系統(tǒng)概述

城市軌道交通供電系統(tǒng)主要包括牽引供電系統(tǒng)、動力照明系統(tǒng)和電力監(jiān)控系統(tǒng)等。供電系統(tǒng)為城市軌道交通提供能源和動力，保障用電設(shè)備發(fā)揮各自的功能和作用，從而確保城市軌道交通安全可靠運營。

2.1 牽引供電系統(tǒng)

牽引供電系統(tǒng)為動車組提供電能，是列車運行的動力保障。牽引供電系統(tǒng)主要由牽引變電所、饋電線、牽引接觸網(wǎng)（軌）、回流線等組成。城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)示意圖如圖1所示，集中式供電在城市電網(wǎng)（外部電源）和牽引變電所之間設(shè)置有主變電所，負(fù)擔(dān)各自供電分區(qū)的牽引負(fù)荷和動力照明負(fù)荷。為保證供電的可靠性，通常設(shè)置2座或2座以上的主變電所，由2路獨立電源供電，內(nèi)部設(shè)置2臺相同的主變壓器，將城市電網(wǎng)的高壓110 kV（或220 kV）降壓為10 kV（或35kV）并通過中壓供電網(wǎng)絡(luò)為沿線各變電所供電。牽引變電所將電力系統(tǒng)引入的AC 10 kV（或35 kV）變換成DC1500 V（或DC 750 V），通過饋電線送至接觸網(wǎng)為列車供電。線路正常運行時，各供電區(qū)間均由相鄰牽引變電所雙邊供電，當(dāng)任一牽引變電所解列時，由相鄰變電所進(jìn)行越區(qū)供電。

2.2 動力照明系統(tǒng)

動力照明系統(tǒng)由降壓變電所、照明及低壓配電系統(tǒng)等構(gòu)成，為調(diào)度指揮、通信信號、旅客服務(wù)等業(yè)務(wù)提供可靠的電力保障。降壓變電所將主變電所提供的AC10kV（或35kV）降壓為AC 380/220V，通過低壓配電系統(tǒng)給車站、區(qū)間的動力、照明等不同負(fù)荷分級的設(shè)備供電。

2.3 電力監(jiān)控系統(tǒng)

電力監(jiān)控系統(tǒng)（PSCADA）是以計算機為基礎(chǔ)的變電所控制與調(diào)度自動化系統(tǒng)，通過計算機通信、網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)對變電所現(xiàn)場的運行設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視與控制，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制、參數(shù)調(diào)節(jié)以及信號報警等各項功能，可提高變電所運行效率和管理水平。

3 供電系統(tǒng)功能核驗測試方案

3.1 功能核驗要求

3.1.1 主變電所支援供電能力

為了驗證供電系統(tǒng)主變電所的主變壓器容量、可靠性、穩(wěn)定性及設(shè)備功能是否滿足設(shè)計要求，需檢驗在一座主變電所全部失電的情況下，采用另一座主變電所進(jìn)行支援的供電模式，測試主變電所支援供電能力是否符合設(shè)計要求。當(dāng)一座主變電所因故解列時，剩余主變電所應(yīng)能承擔(dān)全線的動力和照明一、二級負(fù)荷及牽引負(fù)荷，主變電所主變壓器總負(fù)荷功率應(yīng)小于設(shè)計容量。

3.1.2 牽引接觸網(wǎng)（軌）越區(qū)供電能力

GB 50157-2013《地鐵設(shè)計規(guī)范》第15.2.8條規(guī)定，當(dāng)正線的中間牽引變電所退出運行時，應(yīng)由相鄰的2座牽引變電所依靠2套牽引整流機組的過負(fù)荷能力實施大雙邊供電。因此需測試牽引接觸網(wǎng)（軌）越區(qū)供電能力是否符合設(shè)計要求。大雙邊供電時，DC 750 V和DC 1500 V牽引供電系統(tǒng)電壓波動范圍分別為500～900 V和1000～1800V。牽引整流機組的負(fù)荷特性見表1。

3.1.3 變電所 0.4 kV 低壓雙電源自動切換功能

自投是指當(dāng)其中一路電源出現(xiàn)問題時，雙電源開關(guān)自動切換到備用電源。降壓變電所0.4 kV側(cè)為單母線分段接線形式，正常運行時0.4 kV母聯(lián)斷路器斷開，2臺動力配電變壓器分列運行。當(dāng)一臺動力配電變壓器退出運行時，切除三級負(fù)荷，0.4kV母聯(lián)斷路器自動合閘，另一臺動力配電變壓器負(fù)責(zé)本站一、二級負(fù)荷的供電。備自投自動切換功能、切換過程的動作次序和時間以及電能參數(shù)、三級負(fù)荷回路的切除等應(yīng)符合設(shè)計要求，即0.4 kV低壓雙電源實現(xiàn)自動切換，三級負(fù)荷回路切除母聯(lián)斷路器自動合閘，另一臺配電變壓器的功率低于設(shè)計容量。

3.1.4 PSCADA系統(tǒng)遙控、遙信、遙測和遙調(diào)功能

GB 50157-2013《地鐵設(shè)計規(guī)范》第15.6章節(jié)規(guī)定，PSCADA系統(tǒng)功能應(yīng)包括遙控、遙信、遙測、遙調(diào)，并應(yīng)符合遙控命令時間≤3 s，遙控及遙信正確率≥99.9%，遙測綜合誤差≤1.5%等規(guī)定。

3.2 功能核驗測試方案

3.2.1 相鄰主變電所支援供電測試

2座及2座以上主變電所的線路，對擬退出主變電所相關(guān)開關(guān)設(shè)備及繼電保護(hù)作預(yù)定操作，將其兩段35kV母排上除環(huán)網(wǎng)饋線外的其他饋線開關(guān)全部分閘，退出運行且母線系統(tǒng)正常，操作環(huán)網(wǎng)聯(lián)絡(luò)開關(guān)由相鄰主變電所支援供電，12列電客車按照3 min間隔運行。記錄相鄰主變電所主變壓器功率、各站設(shè)備運行情況及各站供電系統(tǒng)有無報警、跳閘等情況。

3.2.2 牽引接觸網(wǎng)（軌）越區(qū)供電測試

模擬解列正線1座牽引變電所，進(jìn)行左右相鄰牽引變電所供電的倒閘操作，實現(xiàn)對解列牽引變電所供電區(qū)段進(jìn)行大雙邊供電，2列超載電客車在包括測試區(qū)段在內(nèi)的正線上下行往復(fù)運行（制動、通過、啟動）。測試過程中需記錄大雙邊供電時的牽引電壓和電流。

3.2.3 變電所 0.4 kV 低壓備自投測試

任選1座車站降壓變電所，在正常運行狀態(tài)下，模擬Ⅰ段動力變壓器的溫控跳閘繼電器動作，Ⅰ段動力變壓器的35 kV（或10 kV）斷路器跳閘失電，0.4 kV的Ⅰ段進(jìn)線斷路器跳閘，0.4 kV的Ⅰ段母線失電，同時0.4kV母線三級負(fù)荷斷路器自動分閘。經(jīng)延時2～3s后，0.4kV母線聯(lián)絡(luò)斷路器自動合閘，0.4 kV的Ⅰ、Ⅱ段母線均通過Ⅱ段動力變壓器供電。合上Ⅰ段動力變壓器的35 kV（或10 kV）斷路器，Ⅰ段動力變壓器送電，0.4kV母線聯(lián)絡(luò)斷路器自動分閘，Ⅰ段進(jìn)線斷路器合閘，0.4 kV的Ⅰ段母線由Ⅰ段動力變壓器供電，同時0.4 kV母線三級負(fù)荷斷路器手動或自動合閘，系統(tǒng)恢復(fù)。測試過程中需記錄測試操作過程和Ⅱ段動力變壓器功率。

3.2.4 PSCADA系統(tǒng)功能測試

PSCADA系統(tǒng)操作人員利用信號光字屏對中壓及以上電壓等級的斷路器、隔離開關(guān)進(jìn)行遠(yuǎn)程合閘、分閘，并與現(xiàn)場設(shè)備對照開關(guān)狀態(tài)及電氣量信息。現(xiàn)場設(shè)備廠家進(jìn)行確認(rèn)，通過對講機匯報設(shè)備動作結(jié)果及狀態(tài)信息。測試結(jié)束后恢復(fù)設(shè)備原狀態(tài)，測試過程中需記錄設(shè)備動作及狀態(tài)。

4 供電系統(tǒng)功能核驗測試方案工程驗證

4.1 工程概況

呼和浩特市軌道交通1號線一期工程供電系統(tǒng)采用集中式、110/35 kV兩級電壓供電方式，牽引供電系統(tǒng)和動力照明配電系統(tǒng)共用35kV中壓網(wǎng)絡(luò)，設(shè)有西龍王廟及南店2座主變電所，正線設(shè)置9座牽引降壓混合所，11座降壓變電所。PSCADA系統(tǒng)集中控制變電所內(nèi)二次設(shè)備，并集成于綜合監(jiān)控系統(tǒng)。

4.2 測試方案驗證對呼和浩特市軌道交通1號線一期工程進(jìn)行供電系統(tǒng)功能核驗測試，測試記錄表如圖2所示，測試結(jié)果如下。

（1）由南店主變電所支援西龍王廟主變電所供電，主變壓器功率分別為30994 kVA及30987 kVA，小于南店主變電所 2×50 MVA變壓器設(shè)計容量，相鄰主變電所支援供電測試記錄表見圖2a，結(jié)果符合設(shè)計要求。

（2）解列藝術(shù)學(xué)院牽引變電所，由新華廣場及內(nèi)蒙古博物院牽引變電所進(jìn)行越區(qū)供電，接觸網(wǎng)電壓<1800V，牽引接觸網(wǎng)越區(qū)供電測試記錄表見圖2b，結(jié)果符合設(shè)計要求。

（3）選取孔家營站降壓變電所進(jìn)行測試，三級負(fù)荷回路成功切除后，0.4 kV母聯(lián)斷路器自動合閘，變電所0.4 kV低壓備自投測試記錄表見圖2c，配電變功率符合設(shè)計要求。

（4）選取西二環(huán)路站、新華廣場站及白塔機場站進(jìn)行測試，可通過PSCADA遙控35 kV、0.4 kV開關(guān)柜內(nèi)斷路器、電動負(fù)荷開關(guān)及電動隔離開關(guān)，并能收到狀態(tài)信息及各類電器參數(shù)，PSCADA功能測試記錄表見圖2d，結(jié)果符合設(shè)計要求。

上述結(jié)果表明，測試方案滿足交通運輸部交辦運[2019]17號文中對供電系統(tǒng)功能核驗的要求，方案可行。

5 結(jié)束語

供電系統(tǒng)是城市軌道交通的重要組成部分，沒有供電系統(tǒng)的安全可靠供電， 就沒有城市軌道交通的正常運行。城市軌道交通初期運營前對供電系統(tǒng)進(jìn)行功能核驗，是檢驗供電系統(tǒng)可靠性、穩(wěn)定性的必要措施，更是后期城市軌道交通安全運營的重要保障。因此，對供電系統(tǒng)功能核驗測試方案進(jìn)行后續(xù)優(yōu)化研究仍具有重要意義。

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收稿日期 2019-12-19

責(zé)任編輯 宗仁莉