海底地鐵隧道機電設(shè)備供電設(shè)置應(yīng)用研究

魏錦地

0 引言

廈門市軌道交通 3號線是廈門市線網(wǎng)規(guī)劃中西南至東北向骨干線，構(gòu)建了本島與翔安片區(qū)的快速跨海連接通道，起于思明區(qū)廈門火車站，終于大嶝島翔安機場，線路全長36.7 km。該線跨海段工程穿越廈門東海域，包含兩站兩區(qū)間，即體育會展站、東界站、五緣灣—體育會展和體育會展—東界區(qū)間，全長 6.5 km。五緣灣—體育會展區(qū)間全長4.9 km，其中穿越海域長度3.9 km[1]。該地鐵隧道最深處在海平面下75 m，是目前國內(nèi)超深的海底地鐵隧道之一。

海底地鐵隧道設(shè)置了用于抽排海底滲漏水的水泵等機電設(shè)備，為了確保海底地鐵隧道在極端天氣災(zāi)害工況下機電設(shè)備能夠持續(xù)正常供電，提高海底地鐵隧道機電設(shè)備供電能力和運行可靠性，防止極端天氣災(zāi)害時地鐵用電失電，機電設(shè)備退出運行及海底隧道被淹的風(fēng)險，研究海底地鐵隧道機電設(shè)備供電設(shè)置和運行控制具有十分重要的意義。

1 海底地鐵隧道機電設(shè)備供電設(shè)置研究

1.1 第一路電源（3號線主變電所供電）

目前國內(nèi)地鐵長大隧道區(qū)間的機電設(shè)備供電主要采用跟隨所配電的傳統(tǒng)方案，通過本線路兩個主變電所以 35 kV環(huán)網(wǎng)電纜的形式向區(qū)間隧道機電設(shè)備供電，供電方案簡單、安全可靠，能夠滿足運營需求。該方案以下簡稱為第一路電源方案。

本文所述的海底地鐵隧道第一路電源由廈門地鐵 3號線設(shè)置的蔡厝主變電所和火炬園主變電所通過 35 kV環(huán)網(wǎng)電纜聯(lián)絡(luò)開關(guān)向體育會展站牽引降壓所供電，再向3號線海底地鐵隧道泵房跟隨所供電（圖1）。跟隨所配電變壓器容量設(shè)置為 2×1 000 kV·A，低壓主接線采用單母線分段運行。正常情況下，兩臺動力變壓器同時運行，母聯(lián)開關(guān)斷開；當(dāng)一臺變壓器故障或失電時，母聯(lián)開關(guān)自動投入，由另一臺變壓器負(fù)責(zé)供電，確保海底地鐵隧道泵房水泵機電設(shè)備正常供電和正常運行。這一路電源作為海底地鐵隧道機電設(shè)備的第一路電源，方案設(shè)置合理，是機電設(shè)備日常供電的基本保證。

圖1 第一路電源供電示意圖

1.2 第二路電源（2號線線網(wǎng)支援供電）

青島地鐵于2021年4月完成了在青島北站由3號線35 kV電源支援8號線供電的改造，消除了8號線北段大長距離在本單線路供電故障情況下可能帶來的海底隧道機電設(shè)備不能連續(xù)抽排水造成隧道被淹的風(fēng)險，保證了8號線海底隧道兩路電源同時供電，該方案以下簡稱為第二路電源方案。

本文所述的第二路電源是根據(jù)廈門地鐵線網(wǎng)互相支援的供電原則，在廈門地鐵3號線體育中心站（體育中心站為2、3號線換乘站），通過地鐵2、3號線工程聯(lián)絡(luò)線設(shè)置了2號線支援3號線的供電線路。在3號線線路電源供電故障情況下，即3號線火炬園和蔡厝兩座主變電所故障退出運行時，由2號線古地石主變電所向體育中心站通過35 kV環(huán)網(wǎng)電纜聯(lián)絡(luò)開關(guān)對 3號線海底地鐵隧道跟隨所供電，作為3號線海底地鐵隧道機電設(shè)備的第二路電源（圖2），大大提高了海底地鐵隧道機電設(shè)備供電的可靠性。

圖2 第二路電源供電示意圖

1.3 第三路電源（柴油發(fā)電機組應(yīng)急保障供電）

2016年9月15 日第14號超強臺風(fēng)“莫蘭蒂”在福建省廈門市登陸，登陸時中心最大風(fēng)力48 m/s（年鑒上調(diào)至52 m/s，超強臺風(fēng)），全城大面積停水、停電，交通癱瘓，重創(chuàng)廈門市?？紤]到廈門地處沿海地區(qū)，多有臺風(fēng)發(fā)生，易造成市電癱瘓或電壓不穩(wěn)定，海底地鐵隧道機電設(shè)備若長時間失去電源，無法及時抽排隧道結(jié)構(gòu)滲漏水到隧道外地面排水網(wǎng)，將導(dǎo)致整條地鐵隧道被淹的嚴(yán)重后果。為杜絕廈門地鐵2、3號線地面3座主變電所因極端氣候災(zāi)害工況退出運行而均無法向海底地鐵隧道機電設(shè)備供電，在3號線體育會展站站外地面設(shè)置柴油發(fā)電機組，作為3號線海底地鐵隧道機電設(shè)備的第三路應(yīng)急保障電源[2]（如圖3所示），在地鐵市電失電情況下為機電設(shè)備提供應(yīng)急保障電源。目前，國內(nèi)暫無海底地鐵隧道機電設(shè)備第三路供電方案的設(shè)計和施工經(jīng)驗，本文著重研究第三路電源柴油發(fā)電機組應(yīng)急保障供電設(shè)置及運行控制模式。

圖3 第三路電源供電示意圖

2 第三路應(yīng)急保障電源設(shè)置及運行控制

2.1 應(yīng)急保障供電配置情況

海底地鐵隧道機電設(shè)備第三路電源應(yīng)急保障供電設(shè)備主要由箱式柴油發(fā)電機組和箱式升壓變壓器組成。箱式柴油發(fā)電機組配置為1臺1 000 L油箱的0.4 kV柴油發(fā)電機，標(biāo)準(zhǔn)集裝箱箱體尺寸為11 000×3 400×3 000(mm)；箱式升壓變壓器內(nèi)設(shè)置1臺0.4/35 kV升壓變壓器，1臺40.5 kV GIS進(jìn)線柜，1臺40.5 kV GIS出線柜，標(biāo)準(zhǔn)集裝箱箱體尺寸為5 500×3 000×3 400(mm)。

2.2 柴油發(fā)電機組技術(shù)參數(shù)

2.2.1 容量計算

柴油發(fā)電機組按照《火力發(fā)電廠廠用電設(shè)計技術(shù)規(guī)程》（DL/T 5153—2014）附錄 D給出的內(nèi)容和方法進(jìn)行計算。

極端情況下，海底地鐵隧道廢水泵房可6臺水泵同啟，每臺水泵額定功率為125 kW，額定電壓為400 V，額定電流為254 A，啟動方式為軟啟動，啟動電流按2倍計算，機組允許電壓降15%，每臺水泵順序啟動。計算6臺水泵總負(fù)載Sc1= 6×125 kW = 750 kW，電動機功率因數(shù)cosθ= 0.8，電機效率η= 0.9，運行功率合計為Se=Sc1/cosθ/η= 1 042 kV·A，故柴油機組容量最小穩(wěn)態(tài)功率應(yīng)大于1 042 kV·A。綜合考慮設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)容量選型以及水泵啟動電流因素，柴油發(fā)電機組選擇1 300 kW容量。

2.2.2 主要技術(shù)參數(shù)及主接線

柴油發(fā)電機為水平布置的無刷勵磁永磁同步交流發(fā)電機，額定容量1 200 kW（Pe值，功率因數(shù)為0.8），最大容量1 300 kW。

柴油發(fā)動機參數(shù)：功率約為1 320 kW（最大）；啟動方式為電啟動；冷卻方式為閉式強制水冷。

發(fā)電機參數(shù)：額定輸出容量1 625 kV·A；額定頻率50 Hz；額定電壓400 V（Ue）；絕緣等級為H級；溫升等級為B級；功率因數(shù)0.8；冷卻方式為空氣冷卻。

柴油發(fā)電機在12 h內(nèi)滿載持續(xù)運行，具有連續(xù)運行14天的能力；開機指令發(fā)出15 s內(nèi)加至滿載；設(shè)過電流主保護(hù)、定時限后備保護(hù)及自動電壓調(diào)整器故障保護(hù)等。

應(yīng)急保障電源主接線如圖4所示。

圖4 應(yīng)急保障電源主接線

2.3 第三路電源應(yīng)急保障供電接入方式

箱式升壓變壓器饋出一路 35 kV電源電力電纜，沿體育會展站站外新風(fēng)井進(jìn)入站內(nèi)，吊頂敷設(shè)至強電電纜井，然后垂直引下敷設(shè)至電纜夾層，繼續(xù)敷設(shè)至40.5 kV GIS開關(guān)柜的下方，最終實現(xiàn)在極端災(zāi)害情況發(fā)生時，通過已設(shè)置的海底地鐵隧道跟隨所對廢水泵房水泵進(jìn)行供電抽水。

2.4 第三路電源應(yīng)急保障供電運行控制

柴油發(fā)電機組應(yīng)急保障供電是用于在極端災(zāi)害情況下[3]，3號線蔡厝、火炬園兩個主變電所和2號線古地石主變電所線網(wǎng)支援供電同時解列時向海底地鐵隧道機電設(shè)備供電的應(yīng)急保障電源，當(dāng)向地鐵供電的兩路市政電源（第一路和第二路電源）失電時，作為柴油發(fā)電機的啟動信號，此時應(yīng)首先斷開供電系統(tǒng)中除為跨海段海底地鐵隧道機電設(shè)備供電外的其他進(jìn)出線及饋線開關(guān)斷路器，手動合閘40.5 kV GIS進(jìn)線開關(guān)柜斷路器，實現(xiàn)對跨海段海底地鐵隧道跟隨所的供電。

柴油發(fā)電機組應(yīng)急保障電源僅作為緊急情況下應(yīng)急使用，當(dāng)兩路電源（第一路或第二路電源）恢復(fù)送電時應(yīng)及時將柴油發(fā)電機組退出運行。

3 第三路電源應(yīng)急保障送電測試及安全風(fēng)險評估

本次測試和評估是指在極端災(zāi)害兩路電源失電情況下，采用應(yīng)急保障電源向海底地鐵隧道機電設(shè)備供電的測試和評估。測試為體育會展站站外箱式柴油發(fā)電機組供電至站內(nèi)應(yīng)急電源進(jìn)線柜，由應(yīng)急電源進(jìn)線柜向海底地鐵隧道跟隨所配電變壓器供電，保證跟隨所低壓開關(guān)柜電源正常運行，為水泵正常供電。

3.1 送電測試

組織各參建單位啟動海底地鐵隧道廢水泵房應(yīng)急保障電源條件核查，進(jìn)行耐壓測試并核對應(yīng)急保障電源進(jìn)線柜定值、所間電纜絕緣性能、開關(guān)狀態(tài)、接地狀態(tài)和水泵電源切換柜控制狀態(tài)。

為避免首次啟動柴油發(fā)電機組電流過大對水泵造成沖擊，每隔5 min啟動1臺水泵，30 min內(nèi)完成6臺水泵的送電啟動。

3.1.1 測試階段

海底地鐵隧道廢水泵房水泵PLC控制柜控制模式首先切換至就地/手動模式，跟隨所低壓開關(guān)柜母聯(lián)分段開關(guān)備自投退出，停止正在運行的所有水泵，將第1、2、3、4、5、6號水泵電源切換柜切換至手動運行模式，切換至低壓開關(guān)柜Ⅰ段供電；再根據(jù)送電方案啟動箱式柴油發(fā)電機組，按順序操作箱式升壓變壓器開關(guān)柜饋線柜、應(yīng)急電源進(jìn)線柜開關(guān)，每間隔 5 min逐臺啟動 1、3、5，2、4、6號水泵，并做好柴油發(fā)電機組現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)記錄（表1），最后1臺水泵啟動計時5 min后逐臺停止運行，結(jié)束測試。

表1 柴油發(fā)電機組現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)記錄

3.1.2 恢復(fù)階段

按照供電恢復(fù)方案，順序斷開體育會展站箱式升壓變壓器斷路器、隔離開關(guān)，箱式柴油發(fā)電機組停止運行?；謴?fù)3號線主變電所向體育會展站牽引變電所和海底地鐵隧道跟隨所供電，隧道廢水泵房水泵正常受電。

在供電專業(yè)恢復(fù)送電后，海底地鐵隧道廢水泵房6臺水泵電源切換柜切換至自動運行模式，廢水泵房水泵PLC控制柜控制模式恢復(fù)至遠(yuǎn)方/正常模式，水泵具備自動啟動條件。

3.2 送電測試安全風(fēng)險評估

3號線跨海段海底地鐵隧道機電設(shè)備應(yīng)急保障電源功能測試過程中，水泵電源由第一路電源供電切換到由第三路電源柴油發(fā)電機應(yīng)急保障供電，存在水泵失電和設(shè)備發(fā)生故障，未能正常啟動水泵排水的風(fēng)險。因此，在測試前需對操作人員進(jìn)行測試停送電方案培訓(xùn)，防止誤操作造成水泵失電風(fēng)險。

4 結(jié)語

地鐵海底隧道供電電源設(shè)置研究應(yīng)用，綜合考慮了本工程穿越海域段地質(zhì)復(fù)雜、地下水豐富、臺風(fēng)等極端災(zāi)害等多種交叉因素的影響，供電設(shè)置合理，各項安裝測試數(shù)據(jù)滿足要求，達(dá)到應(yīng)急保障的能力。建議在后續(xù)運營期間采用信息化手段和智能供電管理系統(tǒng)，加強跨海段海底地鐵隧道水量監(jiān)測及機電設(shè)備管養(yǎng)，保障跨海段超深海底地鐵隧道機電設(shè)備及列車運行安全。