城市軌道交通中壓供電網(wǎng)絡(luò)分區(qū)劃分的工程應(yīng)用*

戴麗君 楊立新 張喜海 成明華

(1.南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院鐵道供電系， 210031， 南京； 2.中國鐵路設(shè)計集團有限公司， 300251， 天津；3.中國鐵路上海局集團有限公司徐州供電段， 221000， 徐州∥第一作者， 副教授)

中壓網(wǎng)絡(luò)是由兩條以上與軌道交通線路平行敷設(shè)的電纜線路構(gòu)成，其作用縱向把上級的主變電所和下級的牽引變電所、降壓變電所連接起來，橫向把全線的各個牽引變電所和降壓變電所連接起來[1]。環(huán)網(wǎng)投資在供電系統(tǒng)中占比較大，因此有效降低中壓環(huán)網(wǎng)投資成牽引供電系統(tǒng)設(shè)計中亟待解決的問題。中壓環(huán)網(wǎng)分區(qū)劃分與每個分區(qū)所帶變電所數(shù)量及電纜截面積密切相關(guān)。電纜截面積直接影響環(huán)網(wǎng)投資，同時分區(qū)內(nèi)變電所數(shù)量對供電可靠性及中壓網(wǎng)絡(luò)保護(hù)的時限配合帶來一些問題。本文將對目前國內(nèi)的中壓網(wǎng)絡(luò)保護(hù)方案優(yōu)缺點進(jìn)行分析，結(jié)合實際工程對比不同分區(qū)方案中的電纜截面積及保護(hù)選擇，可供設(shè)計參考。

1 軌道交通供電系統(tǒng)中壓網(wǎng)絡(luò)保護(hù)方案

目前,我國直流牽引供電系統(tǒng)中壓環(huán)網(wǎng)的保護(hù)方案主要有兩種：一種是光纖縱差保護(hù)+后備過流保護(hù)；一種是電流選跳保護(hù)+后備過流保護(hù)[2]。其各自的基本原理與主要特點如下。

1.1 光纖縱差保護(hù)基本原理

縱聯(lián)差動保護(hù)是以電流比較為基礎(chǔ)的。在線路的兩端各安裝一臺保護(hù)裝置，兩側(cè)的保護(hù)裝置分別測量本地的電流，同時通過光纖連接將對側(cè)的電流參數(shù)傳動到本地保護(hù)裝置中進(jìn)行電流大小和相位的比較。當(dāng)比較電流的差值超出設(shè)定的整定值，線路兩端的斷路器就會同時跳閘，如圖1所示。

1.2 電流選跳保護(hù)基本原理

電流選跳保護(hù)是以過流保護(hù)裝置間的直接通信功能為基礎(chǔ)。它通過邏輯編程，對線路兩端過流保護(hù)裝置的電流元件動作與否進(jìn)行比較來判別線路故障區(qū)段，實現(xiàn)選擇性地切除故障線路。

圖1 中壓網(wǎng)絡(luò)保護(hù)原理示意圖

1.3 兩種線路保護(hù)方案的性能比較

1) 保護(hù)性能。若光纖縱差保護(hù)與電流選跳保護(hù)作為中壓網(wǎng)絡(luò)的主保護(hù)，由于保護(hù)原理的差別，兩種方案的動作時間差別比較大：光差保護(hù)動作時間小于12 ms；而選跳保護(hù)受過流保護(hù)原理的限制，最快跳閘出口時間為30 ms。光纖縱差保護(hù)使用分相差動加零流差動的原理，與負(fù)荷電流大小無關(guān)，其靈敏度很高；電流選跳保護(hù)必須躲開負(fù)荷電流，過流元件的啟動值必須設(shè)得較高，因此對故障靈敏度較低，無法清除高阻故障，且級聯(lián)的區(qū)間越多、離電源端越近，問題就越嚴(yán)重，靈敏度就越低。

2) 對故障的選擇性和可靠性。光纖縱差保護(hù)是專門針對35 kV及以上電壓等級的輸配電線路設(shè)計，國家對其有嚴(yán)格的動?？己酥笜?biāo)，光纖電流縱差保護(hù)對區(qū)內(nèi)外單相和多相永久故障、轉(zhuǎn)換性故障均能實現(xiàn)可靠動作。而電流選跳方案只能識別單一故障，對區(qū)內(nèi)外同相多點故障是無法區(qū)分的，可靠性低，電流選跳方案無法通過電力系統(tǒng)的動模試驗，不能提供入網(wǎng)許可報告，這給軌道交通系統(tǒng)的運行帶來風(fēng)險和隱患。

3) 對于供電系統(tǒng)運行方式適應(yīng)性，兩種方案存在很大的差別。光纖縱差保護(hù)方案中差動保護(hù)的設(shè)置僅與被保護(hù)線路有關(guān)，不受系統(tǒng)運行方式的改變和未來擴建的影響，保護(hù)裝置內(nèi)部邏輯不用作出相應(yīng)的變動。但電流選跳方案由于受選跳原理的限制，必須根據(jù)前后保護(hù)裝置中過流元件動作的信號來判斷故障點位置，從而有選擇性地切除故障線路。因此，對于已經(jīng)使用光纖縱差解決方案的軌道交通前期已投運的項目，在后期建設(shè)中用戶可根據(jù)前期的運行情況自由選擇不同品牌的供貨商；但對于電流選跳方案，用戶則必須接受同一品牌的解決方案。

1.4 后備保護(hù)的時限配合分析

當(dāng)主保護(hù)(光纖縱差保護(hù)或電流選跳保護(hù))退出運行時，主保護(hù)被閉鎖，同時投入后備過流保護(hù)。這時，兩種保護(hù)方案的選擇性都只能依靠過流保護(hù)的時限來完成。在這種情況下，由于各供電區(qū)間均采用梯級供電方式(如圖2所示)，因此區(qū)間內(nèi)的線路后備過流保護(hù)在時限上的級差配合是需要著重思考的問題。

圖2 中壓網(wǎng)絡(luò)保護(hù)原理示意圖

圖2中，若一個環(huán)網(wǎng)分區(qū)有5個變電所，當(dāng)故障發(fā)生在末端變電所時，如發(fā)生在故障點5時需E11開關(guān)跳閘切除故障，但為了保證A、B、C、D變電所不會誤動，根據(jù)過流保護(hù)時限配合的原理需將A、B、C、D變電所開關(guān)跳閘時間設(shè)定值大于E變電所開關(guān)跳閘時間。假設(shè)E變電所開關(guān)起跳時間為0.50 s，按照目前過流保護(hù)時限上的級差最小為0.25 s計算，D、C、B、A變電所開關(guān)起跳時間分別為0.75 s、1.00 s、1.25 s、1.50 s，此時若要保證主變電所進(jìn)線開關(guān)不會誤動，P11開關(guān)的起跳時間需大于1.50 s。目前，一般城市為地鐵主變電所設(shè)定的進(jìn)線開關(guān)起跳時間為1.50 s，個別地區(qū)為1.20 s。

通過上述分析可知，后備過流保護(hù)由于受時限上的級差限制，決定了中壓環(huán)網(wǎng)分區(qū)內(nèi)變電所不能過多，一般情況下不應(yīng)超過4個變電所。

2 工程應(yīng)用分析

本文以天津軌道交通10號線為例，通過計算對環(huán)網(wǎng)分區(qū)的分區(qū)方案進(jìn)行分析。天津地鐵10號線一期工程正線全長21.382 km，共設(shè)車站21座，均為地下站，平均站間距1.03 km。全線設(shè)梨園頭車輛段1座，設(shè)主變所2座、牽引降壓混合所8座、獨立降壓所13座。其方案一全線劃分為3個供電分區(qū)，方案二全線劃分為6個供電分區(qū)，其具體接線方案如圖3和圖4所示。

圖3 方案一：“長分區(qū)”供電方案

圖4 方案二：“短分區(qū)”供電方案

2.1 計算負(fù)荷選取

1) 牽引負(fù)荷。牽引供電負(fù)荷有動態(tài)性和瞬時性，各節(jié)點電流、電壓、功率等電氣參數(shù)隨在線列車數(shù)量、位置、旅行速度而變化[3]。本工程運用“運行圖”進(jìn)行仿真計算，結(jié)果如圖5所示。

圖5 牽引負(fù)荷選取情況

2) 動力照明負(fù)荷。本工程車站均為地下車站，降壓變?nèi)萘窟x擇為1 250 kVA，跟隨變?nèi)萘窟x擇為630 kVA。動力負(fù)荷功率因數(shù)按0.9考慮，動力負(fù)荷代入計算時按40%負(fù)荷率考慮，三級負(fù)荷按總負(fù)荷的30%考慮[4]。

2.2 最大負(fù)荷電流計算結(jié)果

最大負(fù)荷電流計算考慮發(fā)生在一座主變電所解列時或一路環(huán)網(wǎng)故障時，選取最大負(fù)荷電流作為電纜選型依據(jù)。按照以上思路，本次環(huán)網(wǎng)電纜計算結(jié)果如圖6和圖7所示。

圖6 長分區(qū)方案最大計算負(fù)荷電流

圖7 短分區(qū)方案最大計算負(fù)荷電流

2.3 電纜截面選擇

由以上不同運行工況下的負(fù)荷電流可以看出：方案一由于分區(qū)車站數(shù)量較多，最大的負(fù)荷電流明顯大于方案二，其電纜截面選擇要大于方案二電纜截面，其中，方案一主變電所A外側(cè)采用150 mm2電纜，兩座主變電所環(huán)網(wǎng)通道采用300 mm2電纜；方案二主變電所通道采用240 mm2電纜，其余均采用150 mm2電纜。分區(qū)接線方案圖如圖3和圖4所示。

2.4 方案的比較分析

1) 可靠性。兩個方案均滿足：當(dāng)主變電所的一臺主變壓器解列時，由另一臺主變壓器承擔(dān)該所正常供電范圍內(nèi)的牽引負(fù)荷和動力照明一、二級負(fù)荷；每座牽引變電所、降壓變電所均有兩回獨立可靠的進(jìn)線電源。當(dāng)一回進(jìn)線電源解列時，由另一回進(jìn)線電源承擔(dān)該兩回進(jìn)線電源正常供電范圍內(nèi)的牽引負(fù)荷和動力照明一、二級負(fù)荷。相對于方案一，方案二的供電分區(qū)中的變電所數(shù)目較多，故障影響范圍相對較大，可靠性相對較低。

2) 電纜通道。目前，國內(nèi)城市軌道交通工程中壓供電環(huán)網(wǎng)電纜大多采用沿線路區(qū)間敷設(shè)至沿線變電所。由于區(qū)間內(nèi)設(shè)置有疏散平臺，中壓供電環(huán)網(wǎng)電纜敷設(shè)在疏散平臺下方，敷設(shè)空間相對緊張。方案一中，單線區(qū)間內(nèi)敷設(shè)的中壓供電環(huán)網(wǎng)電纜數(shù)量均只有一回;方案二中，單線區(qū)間內(nèi)敷設(shè)的中壓供電環(huán)網(wǎng)電纜數(shù)量最多為三回。從電纜通道暢通、便于施工以及運營管理與維護(hù)的角度出發(fā)，方案一較優(yōu)。

3) 工程投資。兩個方案的中壓供電環(huán)網(wǎng)電纜數(shù)量和工程投資對比表如表1所示。

表1 中壓供電環(huán)網(wǎng)電纜工程投資對比表

由表1可知，方案一的電纜投資略低于方案二，因此方案一有利于節(jié)約中壓供電環(huán)網(wǎng)的電纜工程投資。

4) 運營電能損耗。供電系統(tǒng)電能損耗主要由牽引網(wǎng)電能損耗、動力照明電能損耗、中壓供電網(wǎng)絡(luò)電能損耗和變壓器電能損耗等組成。兩個方案的牽引網(wǎng)電能損耗、動力照明電能損耗和變壓器電能損耗基本相當(dāng)。相對于“長分區(qū)”而言，“短分區(qū)”的中壓供電網(wǎng)絡(luò)分區(qū)多，分區(qū)內(nèi)變電所數(shù)目較少、電流較小，中壓供電網(wǎng)絡(luò)電能損耗稍低。

5) 環(huán)網(wǎng)保護(hù)配置。方案一的中壓供電環(huán)網(wǎng)電纜采用光纖縱差保護(hù)作為主保護(hù)，數(shù)字電流通信保護(hù)和零序電流保護(hù)作為后備保護(hù)。方案二的中壓供電環(huán)網(wǎng)電纜采用光纖縱差保護(hù)作為主保護(hù)，過電流保護(hù)和零序電流保護(hù)作為后備保護(hù)。

6) 綜合比較。中壓供電網(wǎng)絡(luò)接線方案綜合比較如表2所示。

3 結(jié)論

1) 分區(qū)劃分應(yīng)結(jié)合運營需求。在設(shè)計中采用“長分區(qū)”方案主要原因是為了節(jié)省電纜投資，但實際情況并不一定能節(jié)省投資。以本工程為例，長分區(qū)方案節(jié)省電纜投資并不明顯。分區(qū)方案應(yīng)結(jié)合線路長度、主變電所設(shè)置、運營習(xí)慣等因素統(tǒng)籌考慮。由于大分區(qū)內(nèi)車站較多，故障及檢修影響范圍較大，考慮運營檢修方便，目前深圳、南京等城市已建議采用小分區(qū)方案。

表2 中壓供電網(wǎng)絡(luò)接線方案綜合比較表

2) 分區(qū)劃分宜結(jié)合網(wǎng)絡(luò)化供電。在工程實踐中，分區(qū)劃分中應(yīng)考慮城市軌道交通全線網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)化供電，廣州、重慶、武漢等城市在建線路有條件的換乘站預(yù)留兩面35 kV開關(guān)柜安裝位置，以便在外電源條件困難情況下利用換乘站進(jìn)行在軌道交通網(wǎng)絡(luò)化運營后的應(yīng)急支援供電。

3) 中壓環(huán)網(wǎng)分區(qū)中的電纜選型應(yīng)考慮留有合理的余量?？紤]到地下工程的電纜更換且對運營的影響較大，因此通過適當(dāng)增加前期投資，適當(dāng)放大電纜截面以應(yīng)對不可預(yù)見的需求。例如,應(yīng)考慮線路可能延伸、客流預(yù)測的不確定帶來運營組織方案的新需求等。

4) 保護(hù)的配置應(yīng)結(jié)合分區(qū)方案的劃分，同時應(yīng)提前考慮線路延伸等條件。對于“長分區(qū)”方案，分區(qū)內(nèi)變電所數(shù)量多，電流選跳保護(hù)是目前最適合的方案，但應(yīng)考慮延伸線路的保護(hù)選擇必須采用同一品牌。