末端牽引變電所直流供電系統(tǒng)研究

朱江

（南寧軌道交通建設(shè)有限公司，廣西 南寧 530022）

1 總述

隨著國內(nèi)軌道交通的持續(xù)發(fā)展，城市軌道交通線網(wǎng)日益密集，為城市軌道交通提供能源的供電系統(tǒng)的重要性日益突出。目前，城市軌道交通供電系統(tǒng)通過中壓環(huán)網(wǎng)（AC10kV、AC20kV、AC35kV）分配高壓電力，在線路沿線設(shè)置多座降壓變電所和牽引與降壓混合變電所用以變換電能形式，供車站與機車牽引使用。降壓變電所是利用降壓變壓器，將引入的高壓電降壓為工業(yè)與民用適用的AC0.4kV 電力，配送給車站內(nèi)用電設(shè)備使用；牽引與降壓混合變電所除了具備給車站內(nèi)電設(shè)備供給AC0.4kV 電力之外，還利用牽引變壓器、整流器等，將引入的高壓電變換為城市軌道交通列車使用的DC1500V 或DC750V 電力。

2 現(xiàn)有技術(shù)應(yīng)用情況

2.1 典型城市軌道交通供電系統(tǒng)牽引與降壓混合變電所主接線方案

當(dāng)前典型城市軌道交通供電系統(tǒng)牽引與降壓混合變電所主接線方案如圖1 所示，通常利用交流系統(tǒng)變壓器降低電壓后，經(jīng)過整流機組，將電能變換為直流系統(tǒng)供給機車使用，這種配置既可以滿足高壓交流供電系統(tǒng)長距離輸電需求，滿足車站普通工業(yè)與民用電能需求，還能滿足城市軌道交通車輛直流用電需求，滿足城市軌道交通供電系統(tǒng)的高效性和可靠性要求。高壓系統(tǒng)部分采用單母線分段形式[1]，一般正常工況下，母線打開，交流高壓一、二段母線分列運行。給配電系統(tǒng)提供0.4kV 電力的配電變壓器分別掛載在高壓一、二段母線上，互不影響，互為主備，共同給車站配電系統(tǒng)供電；給機車提供電力的直流系統(tǒng)部分的整流變壓器掛載在同一段母線上（圖1 中掛載于二段母線上，臨站掛載在一段母線上，有利于整個供電系統(tǒng)的功率平衡），1#和2#整流變壓器為相移角+7.5°和-7.5°的一組，經(jīng)低壓側(cè)兩個Y、Δ 接線分裂線圈，將高壓電降壓分裂為24 脈波交流電，在提高整流機組可靠性的同時，也可以降低整流機組給高壓系統(tǒng)反向輸入的諧波，而后，經(jīng)過兩臺整流器整流輸出到直流單母線上，通過直流斷路器分配電力，利用直流電纜向軌道上的機車輸送電能。

圖1 典型牽引與降壓混合變電所主接線圖

2.2 牽引變電所布置原則

城市軌道交通牽引變電所布置應(yīng)盡量靠近交通線路，以減少牽引電力輸送距離，降低線路損耗和避免直流電力供電質(zhì)量問題，一般情況下，線路每隔一定的距離就需要布置一座牽引變電所，而城市軌道交通一般修建在城市區(qū)域，允許布置的空間有限，也受到征地拆遷的限制，因此在設(shè)計和布置牽引變電所時，應(yīng)優(yōu)先考慮與城市軌道交通車站合建，既可以保障站點的工業(yè)用電與民用電，還可以優(yōu)化站點空間，減少后期維護與巡視的人工成本。牽引變電所的布置除受到土建因素制約外，還需遵循以下原則（以DC1500V 系統(tǒng)為例）：一是牽引網(wǎng)最低電壓水平不低于1000V；二是牽引網(wǎng)屬于一級負(fù)荷中的特別重要負(fù)荷，因此若出現(xiàn)電壓過低或失電現(xiàn)象則需支援供電；三是鋼軌對地電壓需滿足《地鐵設(shè)計規(guī)范》（GB 50157—2013）等規(guī)范的要求[2]。

基于以上原則，通過供電計算，如圖2 所示，一般牽引變電所根據(jù)線路情況布置如下：牽引變電所間距Lcb、Lab 在2～3km 左右，保證牽引變電所B 退出供電時，其相鄰兩牽引變電所A、C 能同時對牽引變電所B 形成“大雙邊”供電，“大雙邊”供電距離一般不超過6km；末端牽引變電所與相鄰牽引變電所距離Lab一般小于2km，末端牽引變電所與線路末端距離Lam一般不超過1km，保證當(dāng)牽引變電所A 退出供電時，由牽引變電所B 向線路末端單邊供電。線路上布置多座牽引變電所，以滿足機車全線運行過程中的供電需求。

圖2 末端牽引變電所位置關(guān)系簡化示意圖

3 增強型末端牽引變電所直流供電系統(tǒng)研究

3.1 現(xiàn)有末端牽引變電所直流供電系統(tǒng)存在的問題分析

現(xiàn)有牽引變電所一般與車站進行合建，能最大程度地利用車站資源，減少土建的投入。但土建站位布點不一定滿足車輛牽引供電需求，如圖2 所示，若A、B 牽引變電所位置選取不佳，如需跨江、穿越地質(zhì)條件復(fù)雜的隧道時，或牽引變電所A 為本期線路末端牽引站，并到本期線路末端間距Lam 過長，牽引變電所A、B 在雙邊供電下能滿足列車牽引供電需求，但當(dāng)A牽引變電所退出供電時，B 牽引變電所向線路末端Lab+Lam 供電臂供電時，可能造成牽引網(wǎng)網(wǎng)壓在列車遠(yuǎn)期高峰小于行車交路時，供電電壓低于1000V 的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，或鋼軌對地電位超出《地鐵設(shè)計規(guī)范》（GB 50157—2013）運行要求等問題[3]。

針對上述問題，當(dāng)前普遍的設(shè)計方案是在牽引變電所A、B 之間或牽引變電所至線路末端的區(qū)間風(fēng)井或橋面路基下增設(shè)區(qū)間牽引變電所，用以減小牽引變電所A、B 或線路末端單邊供電的距離，達(dá)到當(dāng)牽引變電所A 退出供電時，風(fēng)井B 的區(qū)間牽引變電所可以向線路末端單邊供電，或風(fēng)井A 與牽引變電所B 構(gòu)成雙邊供電，風(fēng)井A 牽引變電所減小了其到線路末端單邊供電的距離，達(dá)到滿足機車牽引供電需求的目的。

城市軌道交通線路由于供電質(zhì)量不佳，而需增設(shè)區(qū)間風(fēng)井，不僅帶來區(qū)間風(fēng)井土建及設(shè)備投資成本的增加，還可能面臨一些技術(shù)問題和困難，具體包括：一是地鐵線路通常會穿越各種不同的地質(zhì)構(gòu)造，如巖層、軟土、泥炭等，對于增設(shè)區(qū)間風(fēng)井的設(shè)計和建設(shè)都帶來了一定的挑戰(zhàn)。二是增設(shè)區(qū)間風(fēng)井需要針對復(fù)雜的地下結(jié)構(gòu)進行設(shè)計和建設(shè)，包括開挖隧道、安裝隧道支護結(jié)構(gòu)、埋設(shè)風(fēng)井等一系列工程，需要具備先進的技術(shù)和施工能力。三是地鐵區(qū)間風(fēng)井的建設(shè)需要進行大量的開挖和支護施工，可能對周圍環(huán)境造成噪聲、振動等影響，同時也需要考慮到施工對周圍地下管道、地下水等的影響，需要采取相應(yīng)的環(huán)保措施。四是可能引起規(guī)劃、征地等政策問題。

產(chǎn)生以上問題的根源在線路牽引變電所的布點方案與車站、線路布點不匹配，尤其是末端車站牽引變電所的位置選取，需要兼顧的問題較多，無法有效兼顧在減少牽引變電所的同時又滿足機車牽引供電需求。

3.2 末端直流系統(tǒng)主接線新方案

針對以上既有工程末端牽引變電所直流供電系統(tǒng)的問題，提出的末端牽引與降壓混合變電所主接線新方案如圖3 所示。

圖3 末端牽引與降壓混合變電所主接線新方案示意圖

與圖1 典型牽引與降壓混合變電所主接線圖不同的是，新方案的牽引與降壓混合變電所高壓母線與直流母線都設(shè)計為雙母線形式。交流高壓斷路器101、102、201、202、301、302 和直流斷路器201、202、211、212、213、214 與其所搭配的1#、2#隔離開關(guān)配合使用。

高壓35kV 雙母線是一種電力系統(tǒng)中常用的布置方式，其采用兩條35kV 電壓等級的電力母線運行，以提高電力系統(tǒng)的可靠性和安全性。其運行方式為：一是每條母系都可以獨立運行，也可以同時運行。當(dāng)一條母線出現(xiàn)故障或進行維護時，另一條母線可以繼續(xù)為電網(wǎng)供電，從而保證供電的連續(xù)性和可靠性。二是兩條母線之間設(shè)有切換開關(guān)，以便在必要時切換電源。例如，當(dāng)一條母線需要進行維護時，可以通過切換開關(guān)將負(fù)載轉(zhuǎn)移到另一條母線上，然后進行必要的維護。三是在35kV 雙母線的運行中，需要對母線進行定期的檢修和維護，以確保其正常運行。例如，對母線和開關(guān)設(shè)備進行過電壓、過電流保護，以防止由于外部干擾或內(nèi)部故障導(dǎo)致電力系統(tǒng)的故障和損壞。結(jié)合圖3 說明其具體設(shè)置如下：401 與402 為常規(guī)配置高壓斷路器，分別接入A 段和B 段母線給配電變壓器使用，A、B 段母線分別置于不同氣室內(nèi)，保證互相的電氣隔離。正常工況下，只有1#隔離開關(guān)閉合，同一時間內(nèi)，不允許2#隔離開關(guān)合閘。母線間快速聯(lián)絡(luò)斷路器120 正常工況下處于分閘狀態(tài)，當(dāng)發(fā)生一路電源失電時，閉鎖失電回路進線合閘，并通過自身快速合閘達(dá)到A、B 母線間互相快速支援的目的。整流機組掛接于同一段母線（B 母線）上，產(chǎn)生完整的24 脈波交流電，降低整流機組反向?qū)﹄娋W(wǎng)輸入的諧波。

DC1500V 雙母線是一種電力系統(tǒng)的運行方式，它通常應(yīng)用于直流供電系統(tǒng)中，例如鐵路牽引系統(tǒng)、電動車輛、工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域。直流雙母線指的是在電力系統(tǒng)中，將電源分為兩個相互獨立的母線，采用數(shù)字化控制技術(shù)和通信技術(shù)，實現(xiàn)對系統(tǒng)運行狀態(tài)的監(jiān)測和控制，可以及時發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中的故障和異常情況，并采取相應(yīng)的措施進行處理，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，一般情況下，DC1500V 雙母線系統(tǒng)配置過流保護、過壓保護、過溫保護等裝置，以有效地防止系統(tǒng)因故障而受到損壞，保障系統(tǒng)的可靠運行。結(jié)合圖3 說明其具體的設(shè)置如下：直流系統(tǒng)設(shè)置兩條相互獨立絕緣安裝的直流母線DC_A 與DC_B。正常工況下，所有直流電動隔離開關(guān)都只有1#隔離開關(guān)閉合，2#隔離開關(guān)打開，1#、2#整流機組分別對直流母線DC_A 與DC_B 供電，直流斷路器203 閉合，兩段直流母線連通，減小輸出的直流脈沖電流與電壓。為避免直流設(shè)備框架泄漏導(dǎo)致全所直流系統(tǒng)退出，設(shè)置了多套框架泄漏保護裝置，分別為DC_A 段母線，DC_B 段母線，1#整流器，2#整流器，201、211、212 組斷路器室，202、213、214 組斷路器室，203 斷路器室。組間框架泄漏保護裝置內(nèi)的器件各自絕緣安裝，保證在直流系統(tǒng)發(fā)生框架泄漏時不擴大停電范圍。

3.3 末端直流系統(tǒng)采用主接線新方案將帶來的效益收獲分析

采用全所直流部分與交流部分全部按主備母線方案進行配置，供電可靠性高，運行方便靈活，由于直流與交流部分都配置了主備冗余的設(shè)計方案，任一組母線或設(shè)備故障，均可通過倒閘操作進行支援供電，便于不停電檢修和擴建，能靈活應(yīng)對系統(tǒng)各種運行方式下的需求，在適當(dāng)增加牽引變電所設(shè)備投資的情況下，減少了新設(shè)牽引變電所帶來的技術(shù)、經(jīng)濟與政策困難。既保障了變電所自身可靠性，也滿足了給特別重要設(shè)備供電的持續(xù)性與備用冗余性要求，減少了“大雙邊”供電帶來的各種技術(shù)難題，有效降低了牽引變電所布置的難度。

4 結(jié)語

本文通過對城市軌道交通末端牽引變電所直流供電系統(tǒng)的研究分析可知：既有工程末端牽引變電所直流供電系統(tǒng)采用典型主接線方案，會帶來土建、規(guī)劃、征地等方面的問題?；诘湫椭鹘泳€方案，提出了直流系統(tǒng)采用雙直流母線方案，有效解決了為了保障城市軌道交通線路末端直流系統(tǒng)機車取流而增設(shè)牽引變電所帶來的技術(shù)、經(jīng)濟與政策上的問題，有效降低了末端牽引變電所的布置難度。