城市軌道交通直流供電系統(tǒng)研究

鄭鎮(zhèn)江

（廣東自動化電氣股份有限公司，廣東 汕頭515041）

在進行A 號線地鐵改造時，新建主所2 座，牽引供電系統(tǒng)采用DC1500V 架空接觸網(wǎng)供電、走行軌回流方式。共設置16 座牽引降壓變電所，2 座牽引變電所，16 座降壓變電所。要對環(huán)境條件進行嚴格控制。環(huán)境溫度要保持在-5℃～40℃。相對濕度：日平均值不大于95%；月平均值不大于90%，有凝露情況發(fā)生，投標方應采取措施防止凝露對設備的危害。海拔高度：≤2000m，地震烈度：≤7 度。遵照IEC 標準和中國國家標準（GB）及電力行業(yè)（DL）標準，以及國際單位制（SI）進行了系統(tǒng)的設計[1]。

1 城市軌道交通直流電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計

1.1 交流盤

分為三種：A 型盤為牽引變電所和牽引降壓混合變電所用，B 型盤為降壓變電所用，C 型盤為主變電所用[2]。

主要技術(shù)參數(shù):

1.1.1 交流輸入電壓：三相額定電壓（Un）為380V，允許波動范圍（85%～120%）Un，交流電源額定工作電壓AC400V，絕緣電壓690V。

1.1.2 額定容量:A 型盤不小于50kVA，B 型盤不小于50kVA，C 型盤不小于150kVA。實際容量在設計聯(lián)絡時確定[3]。

1.1.3 額定頻率：50Hz。

1.1.4 系統(tǒng)接地方式：TN-S。

1.1.5 交流進線斷路器分斷能力不小于25kA，饋線斷路器分斷能力不小于10kA。

1.1.6 應能承受2kV、50Hz 或DC 2.8kV 一分鐘的耐壓試驗。

1.1.7 溫升：符合IEC947-1 有關(guān)溫升的規(guī)定。連接外部絕緣導線的端子，不能大于70K。母線固定連接處（銅-銅），不能大于50K。在進行操作手柄設計時，金屬的不大于15K，絕緣材料的不大于25K?？山佑|的外殼和覆板設計，金屬的表面不大于30K，絕緣的表面不大于40K[4]。

1.2 主要技術(shù)性能及回路要求

1.2.1 正線及場段交流盤采用單母線分段接線形式，由本所交流0.4kV 兩段母線分別引入兩回電源作為交流自用電系統(tǒng)的進線電源。兩路交流進線互為備用，不分主次?？勺詣?手動切換，在電源切換過程中應保證先斷后合，可自投自復[5]。

主所交流盤采用單母線分段接線形式，由站用變0.4kV 側(cè)引入作為進線電源，通過雙電源自動轉(zhuǎn)換開關(guān)與另一臺站用變低壓側(cè)切換，兩路進線斷路器應采用高分斷自動空氣斷路器，帶有電動操作機構(gòu)及分勵、失壓脫扣器（投退可設定），同時帶有缺相保護及檢壓繼電器，斷路器輔助觸點不應少于3 對。進線斷路器的過流保護應具有閉鎖自動投切裝置的功能。母聯(lián)開關(guān)采用帶電動操作機構(gòu)的空氣斷路器。以上開關(guān)均采用4 極斷路器[6]。

1.2.2 交流饋出回路：配電采用母排方式，饋線輸出AC400/230V。（饋線數(shù)量及各路容量待設計聯(lián)絡時確定）。每路輸出均配有帶報警輔助接點的高分斷自動空氣斷路器，并配置信號指示等組件，信號燈采用節(jié)能型。空氣斷路器的技術(shù)特性滿足系統(tǒng)短路容量的要求。進線與饋線斷路器必須在線路故障時確保跳閘時間相協(xié)調(diào)。

1.2.3 與直流盤共用一套監(jiān)控單元，相關(guān)信號通過直流盤的監(jiān)控單元以網(wǎng)絡方式接入變電所綜合自動化系統(tǒng)。能夠?qū)λ羞M線、饋線開關(guān)及所有故障信息進行監(jiān)視，對進線電流、母線電壓進行監(jiān)測，所有數(shù)據(jù)應能夠通過監(jiān)控單元的通信接口接入綜合自動化。

1.2.4 防雷裝置（SPD）

防浪涌保護器技術(shù)要求：

(1)防浪涌保護器的最大抗浪涌電流不低于40kA（8/20μs）。

(2)殘留電壓小于或等于1500V（測試波形：5kA，8/20μs）。

(3)浪涌保護器應具有熱插拔功能。

(4)浪涌保護器具備失效狀態(tài)顯示，和失效自動脫開線路功能。

1.3 主要饋出回路如下

A 型盤：不少于34 路單、三相饋線(TN-S 接線)。

B 型盤：不少于24 路單、三相饋線(TN-S 接線)。

C 型盤：不少于72 路單、三相饋線(TN-S 接線)。

1.4 交流裝置信號

信號包括故障信號和工作狀態(tài)指示信號兩類。當交流裝置處于工作狀態(tài)下，投入1 號電源，存在撤除信號和轉(zhuǎn)換開關(guān)信號。投入2 號電源，存在撤除信號和轉(zhuǎn)換開關(guān)信號。1 號電源投入期間，信號燈閃爍。2 號電源投入期間，信號燈閃爍。在故障狀態(tài)下，信號存在饋電開關(guān)故障信號和信號燈。故障信號采用接點發(fā)送方式，每一故障信號有至少三對各自獨立的接點分別用于本屏故障顯示和變電所綜合自動化系統(tǒng)。在屏上的故障信號顯示，在故障消除后自動復歸，且故障顯示配有燈光試驗按鈕。盤面上應設有：進線3 相電流表、母線電壓表等。

1.5 電氣絕緣性能

1.5.1 絕緣電阻

用開路電壓為下表規(guī)定的測試儀器測量以下部位的絕緣電阻，滿足以下要求：柜內(nèi)各獨立帶電回路與地（金屬框架）之間、各獨立帶電回路之間的絕緣電阻，不小于10M。

1.5.2 介電強度

柜內(nèi)各獨立帶電回路與地（即金屬框架）之間、無電氣聯(lián)系的各電路之間，按其工作電壓應能承受下表所規(guī)定的歷時1 分鐘的工頻試驗電壓，試驗過程中應無擊穿和閃絡現(xiàn)象。絕緣試驗的試驗等級分明。

1.6 直流盤

直流盤主要分為三種形式。A 型盤為牽引變電所和牽引降壓混合變電所用，B 型盤為降壓變電所用，C 型盤為主變電所用。

主要技術(shù)參數(shù):

1.6.1 交流輸入電壓：三相額定電壓（Un）為380V，允許波動范圍（85%～120%）Un。

1.6.2 交流輸入額定容量：不小于15kVA，實際容量在設計聯(lián)絡時確定。

1.6.3 交流輸入額定頻率：50Hz±2%。

1.6.4 直流額定輸出：DC220V。

1.6.5 均流不平衡度≤±5%。

1.6.6 電壓紋波系數(shù)：＜0.3%。

1.6.7 穩(wěn)壓精度：≤±0.5%。

1.6.8 穩(wěn)流精度：≤±1%。

1.6.9 直流饋線斷路器分斷能力不小于10kA。

1.6.10 噪聲正常運行時≤55dB。

1.6.11 采用自冷式產(chǎn)品。

1.6.12 綜合效率≥90%。

1.6.13 充電模塊效率＞92%。

1.6.14 功率因數(shù)＞0.92。

1.6.15 設備的負荷等級為一級，能連續(xù)輸出額定電流。

1.6.16 絕緣電阻：在正常試驗大氣壓下，絕緣電阻大于10MΩ（用500V 兆歐表）。

1.6.17 耐壓水平：柜內(nèi)各獨立帶電回路與地（即金屬框架）之間、無電氣聯(lián)系的各電路之間的絕緣強度，應能承受2.5kV、50Hz 或DC3.5kV 一分鐘的耐壓試驗，不應出現(xiàn)擊穿或閃絡現(xiàn)象。

1.6.18 沖擊試驗電壓：設備各電路對地（即金屬框架）之間，交流電路與直流電路之間，能承受上表規(guī)定的沖擊試驗電壓。

1.6.19 溫升：

高頻開關(guān)管外殼（散熱器） 不大于70K。

高頻、低頻整流橋外殼 不大于55K。

導線與半導體器件的連接處 不大于55K。

與半導體器件連接的塑料絕緣線 不大于25K。

高頻變壓器、電抗器線圈 不大于80K。

高頻變壓器、電抗器鐵芯 不損傷相接觸的絕緣零件。

電源模塊外殼：不大于40K。

降壓硅堆外殼：不大于85K。

電阻發(fā)熱元件：不大于25K（距外表30mm 處空間）。

直流屏內(nèi)其它各元件的允許溫升應滿足設備穩(wěn)定運行要求。

1.6.20 電氣間隙：電氣間隙6mm，爬電距離8mm(根據(jù)DL/T459-2017 標準，柜內(nèi)兩帶電導體之間、帶電導體與裸露的不帶電導體之間的最小距離，電氣間隙6mm，爬電距離8mm。小母線匯流排或不同極的裸露帶電的導體之間，以及裸露帶電導體與未經(jīng)絕緣的不帶電導體之間的電氣間隙不小于12mm，爬電距離不小于20mm。

1.7 蓄電池設計

1.7.1 蓄電池采用高品質(zhì)性能良好的閥控式鉛酸免維護膠體蓄電池，蓄電池容量應保證所內(nèi)經(jīng)常性負荷、事故負荷2 小時放電容量以及事故放電末期最大沖擊負荷容量的要求。放電末期不能低于90%額定電壓，充電10 小時后應能充到100%Ah容量，否則考慮可靠系數(shù)。

1.7.2 蓄電池容量

A 型盤 牽引變電所和牽引降壓混合變電所：120Ah，12V 單體電池19 只/組，1 組。

B 型盤 降壓變電所：100Ah，12V 單體電池19 只/組，1 組。

C 型盤 主變電所：200Ah，2V 單體電池（108 只/組，2 組）。

1.7.3 蓄電池槽、蓋、安全閥、極柱封口劑等材料應具有阻燃性。外觀不應有裂紋、變形和污跡。

1.7.4 蓄電池在充電過程中，遇外部明火時，不應內(nèi)部爆炸。

1.7.5 在標準環(huán)境溫度25℃時，設計壽命不少于12 年。具有閥門自調(diào)制電解液吸收結(jié)構(gòu)，應密封性能好，在使用壽命內(nèi)電解液質(zhì)數(shù)量保持不變。

1.7.6 A、B 型直流盤電池應單獨成柜。C 型（主變電所）電池安裝方式采用在專用蓄電池室鋼架組合結(jié)構(gòu)，多層迭放。

1.7.7 蓄電池組應設計有總開關(guān)，便于維護檢修時的投切。

1.7.8 蓄電池應滿足DL/T637-1997 的各項要求，未涉及的保障電池性能和質(zhì)量的其它技術(shù)要求，均應符合最新國家標準和行業(yè)標準的有關(guān)規(guī)定。

1.7.9 對單只電池有在線測定電壓、內(nèi)阻、容量功能，并可實現(xiàn)電壓異常報警、電池開路或短路報警功能。

1.8 蓄電池在線監(jiān)測系統(tǒng)設計

這項系統(tǒng)僅對主變電所直流電源系統(tǒng)存在要求。系統(tǒng)具備自動監(jiān)控、顯示和記錄本特性說明列明的所有電池參數(shù)的能力。系統(tǒng)采用以太網(wǎng)或標準現(xiàn)場總線網(wǎng)方式上傳數(shù)據(jù)。相關(guān)信號采用以太網(wǎng)方式或標準現(xiàn)場總線方式直接接入變電所綜合自動化系統(tǒng)。

1.9 充電模塊設計

充電電源選用智能型高頻開關(guān)電源充電模塊，全線采用同一種規(guī)格，各模塊通用，數(shù)量及容量均按(N+1)熱冗余方式并聯(lián)組合考慮，一個模塊故障不應影響系統(tǒng)正常運行。充電機的容量應滿足系統(tǒng)運行要求。

1.10 其它裝置設計

如圖1 所示，在對系統(tǒng)其他裝置進行設計時，還存在電壓監(jiān)察裝置、直流母線調(diào)壓裝置、智能監(jiān)控單元、降壓硅鏈、主要饋電回路。其中直流盤主要分為三種形式。A 型盤為牽引變電所和牽引降壓混合變電所用，B 型盤為降壓變電所用，C 型盤為主變電所用。A 型盤不少于50 路，B 型盤不少于28 路。C 型盤不少于100 路。在進行直流裝置信號設計時，信號包括正常狀態(tài)顯示信號及故障狀態(tài)顯示信號兩類。

2 城市軌道交通直流供電系統(tǒng)優(yōu)化設計措施

如圖2 所示，在對供電系統(tǒng)進行設計的過程中，需要根據(jù)城市軌道交通要求，對直流側(cè)短路電流計算方法進行深入的研究。要選擇合適的計算公式，保證最終計算結(jié)果的準確性，還要做好直流供電系統(tǒng)的饋線保護。在進行直流供電系統(tǒng)設計時，要對各項參數(shù)進行全面的了解，在此基礎上開展設計工作。還要提高整體饋線保護能力，防止地鐵車輛在運行時，出現(xiàn)短路或者過負荷等問題。

圖1 系統(tǒng)運行要求

圖2 系統(tǒng)設計

結(jié)束語

綜上所述，軌道交通交直流系統(tǒng)涉及各種設備的供電，屬于整個軌道交通系統(tǒng)的動脈，安全性是軌道交通系統(tǒng)中最高級別，一定要高標準高質(zhì)量的交直流系統(tǒng)保證軌道交通正?？煽窟\行。