市域鐵路山嶺隧道段配電方案探討

段靜栝

（中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津300308）

1 引言

市域鐵路工程站間距較長(zhǎng)，區(qū)間內(nèi)設(shè)備距離車站變電所較遠(yuǎn)，給區(qū)間配電設(shè)計(jì)造成麻煩。尤其山嶺隧道等特殊位置，隧道內(nèi)設(shè)置射流風(fēng)機(jī)雨水泵等負(fù)荷容量較大。針對(duì)市御鐵路山嶺隧道內(nèi)用電設(shè)備制定合理的配電方案，對(duì)配電的可靠性和經(jīng)濟(jì)性起到重要作用。

2 設(shè)備運(yùn)行方式及配電要求

某市域鐵路工程，其運(yùn)營及建設(shè)方案按地鐵標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行并納入地鐵線網(wǎng)中。本工程中山嶺隧道一端與車站相聯(lián)通，另一端與區(qū)間橋梁相連。隧道為單洞單線設(shè)計(jì)，線間距14m 隧道峒口距離最近的車站為1.8km。隧道單線內(nèi)設(shè)置3 組射流風(fēng)機(jī)，共計(jì)6 組。每組射流風(fēng)機(jī)由2 臺(tái)，每臺(tái)30kW 組成。隧道內(nèi)發(fā)生阻塞或火災(zāi)工況的情況下，3 組風(fēng)機(jī)同時(shí)運(yùn)行。為避免起動(dòng)壓降過大，射流風(fēng)機(jī)2 臺(tái)/組，采用同一回路配電。一組內(nèi)2 臺(tái)射流風(fēng)機(jī)分時(shí)起動(dòng)。目前的地鐵設(shè)計(jì)中均按照單線發(fā)生火災(zāi)時(shí)考慮，不考慮2 條線同時(shí)發(fā)生事故工況。

隧道峒口處設(shè)置3 臺(tái)雨水泵，每臺(tái)水泵22kW，雨水泵根據(jù)雨量大小及水池液位大小開啟水泵，暴雨時(shí)3 臺(tái)水泵同時(shí)開啟。

射流風(fēng)機(jī)、雨水泵均為一級(jí)負(fù)荷，就地設(shè)置雙電源切換柜，由變電所兩段0.4kV 母線各引出一回電源供電，兩回電源互為備用、末端切換，以實(shí)現(xiàn)不間斷供電。

風(fēng)機(jī)及水泵容量較大，若采用直接起動(dòng)，起動(dòng)電流為額定電流的7~8 倍，增加風(fēng)機(jī)起動(dòng)難度，通過軟起動(dòng)，起動(dòng)電流可控制在額定電流的2~5 倍，能較好地解決風(fēng)機(jī)啟動(dòng)問題[1]。

3 配電方案

由距離隧道用電設(shè)備的車站內(nèi)的降壓變電所提供電源，若直接利用低壓電纜直接供電至用電設(shè)備配電距離過長(zhǎng)，影響安全性和經(jīng)濟(jì)性。利用在隧道內(nèi)設(shè)置跟隨式變電所，由相鄰車站高壓室通過35kV 電纜供電至隧道內(nèi)跟隨所。由該35/0.4kV 跟隨所供電至各低壓設(shè)備，以縮短末端設(shè)備配電距離。

3.1 土建配合

利用隧道兩線間8.9m 空間布置跟隨式變電所，該處電力洞室結(jié)合聯(lián)絡(luò)通道位置進(jìn)行擴(kuò)挖，避免變電所設(shè)置于線側(cè)需額外開挖空間的影響。

3.2 綜合接地

為減少造價(jià)，降低土建風(fēng)險(xiǎn)，降低土建施工難度，利用山嶺隧道兩洞間8.5m 空間布置電力洞室。

隧道內(nèi)跟隨所設(shè)置接地網(wǎng)以滿足接地電阻≤4Ω 的要求。

接地系統(tǒng)由人工接地網(wǎng)和自然接地體組成，自然接地體由二襯內(nèi)結(jié)構(gòu)鋼筋相互焊接或綁扎組成，在電力洞室的側(cè)墻上引出接地端子。人工接地網(wǎng)由水平接地體、垂直接地體、均壓帶及接地引上線構(gòu)成。水平接地體均壓帶設(shè)置于結(jié)構(gòu)二次砌襯層防水混凝土下，與結(jié)構(gòu)初期支護(hù)緊貼敷設(shè)。接地引上線與結(jié)構(gòu)鋼筋絕緣。

根據(jù)詳勘提供土壤電阻率為900Ω·m，為避免接地網(wǎng)不能滿足接地電阻要求，通過與自然接地體相連通，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量接地電阻為2.1Ω，可滿足接地電阻要求。同時(shí)接地網(wǎng)引上端子預(yù)留引至隧道外增加接地網(wǎng)條件。

3.3 變壓器容量選擇

區(qū)間跟隨所所帶負(fù)荷主要為風(fēng)機(jī)、水泵等電機(jī)性用電負(fù)荷，區(qū)間跟隨所內(nèi)的變壓器容量需要結(jié)合電機(jī)性負(fù)載的運(yùn)行特點(diǎn)，一方面避免變壓器容量小不能滿足設(shè)備起動(dòng)條件；另一方面避免變壓器容量過大，變壓器負(fù)載率過低，不符合經(jīng)濟(jì)性。

假定為無窮大容量電源系統(tǒng)，根據(jù)《工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊(cè)》（第四版）相關(guān)計(jì)算公式，對(duì)變壓器容量進(jìn)行驗(yàn)算。

按照GB 50055—2011《通用用電配電設(shè)計(jì)規(guī)范》要求：交流電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，配電母線上的電壓應(yīng)符合下列規(guī)定：配電母線上接有照明或其他對(duì)電壓波動(dòng)較敏感的負(fù)荷，電動(dòng)機(jī)頻繁起動(dòng)時(shí)，不宜低于額定電壓的90%；電動(dòng)機(jī)不頻繁起動(dòng)時(shí)，不宜低于額定電壓的85%[2]。

并且保證起動(dòng)時(shí)風(fēng)機(jī)及水泵控制柜的接觸器線圈的電壓不低于釋放電壓，根據(jù)GB 14048.4—2003《低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備，第4-1 部分接觸器》要求，單獨(dú)使用或裝在起動(dòng)器中使用的電磁式接觸器，在其控制電源U0的85%~110%范圍內(nèi)可靠吸合，為此末端電壓不應(yīng)低于85%[3]。

極端運(yùn)行工況，即一臺(tái)變壓器退出運(yùn)行，另外一臺(tái)變壓器帶全部負(fù)載，此時(shí)最后一臺(tái)風(fēng)機(jī)起動(dòng)，即此時(shí)系統(tǒng)中預(yù)接入設(shè)備為5 臺(tái)射流風(fēng)機(jī)，3 臺(tái)雨水泵。

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)如下：

射流風(fēng)機(jī)：額定功率PrM=0.03MV·A，功率因數(shù)cosφ=0.8，額定啟動(dòng)電流倍數(shù)kst=5；

雨水泵：額定功率PrM=0.022MV·A，功率因數(shù)cosφ=0.8，額定啟動(dòng)電流倍數(shù)kst=5；

變壓器一次側(cè)短路容量Sk=200MV·A；變壓器電抗相對(duì)值xT=6%；

射流風(fēng)機(jī)配電線路度l=0.2km，電纜截面積S=50mm2。

假定變壓器容量為0.25MV·A，驗(yàn)算結(jié)果如下：

預(yù)接負(fù)荷設(shè)備功率為：Pfh=0.216MW，無功功率Qfh=0.162MV·A；

起動(dòng)回路輸入容量：Sst=0.144MV·A；

母線短路容量：Skm=5.1MV·A；

母線電壓相對(duì)值ustm=0.95≥0.85；

電動(dòng)機(jī)端子電壓相對(duì)值ustM=0.89≥0.85；

變壓器容量選用250kV·A，可以滿足電機(jī)啟動(dòng)要求。

3.4 配電電纜選擇

低壓配電電纜選擇參照表1。

表1 低壓配電電纜選擇

4 結(jié)語

在隧道內(nèi)長(zhǎng)距離配電設(shè)置區(qū)間跟隨所能較好地解決配電可靠性和經(jīng)濟(jì)性的相關(guān)問題，實(shí)際工程中應(yīng)結(jié)合用電負(fù)荷的配電距離、運(yùn)行特性確定各設(shè)備參數(shù)的合理性。