接線方案在城市軌道交通工程的應用

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摘要：介紹了城市軌道交通供電系統牽引變電所設置原則，結合牽引變電所設置原則和個別線路末端牽引變電所故障退出時存在的問題，提出了一種新的變電所主變接線方案及相應的保護配置方案。

關鍵詞：牽引變電所；主接線；故障；保護配置

目前國內軌道交通牽引供電系統大多采用DC750和DC1500V兩種電壓等級，供電方式分為接觸軌和接觸網兩種。無論哪種供電方式，供電系統均需根據線路、車輛和運營組織等在線路上設置多座牽引變電所，將交流電源（AC35kV、AC20kV或AC10kV）降壓整流后轉換為24脈波直流電供車輛使用。正線直流牽引供電系統全線連通，相鄰的牽引變電所間可以實現正常雙邊供電及“大雙邊”供電，保證了直流供電系統的可靠性。

1城軌牽引變電所設置原則及存在問題

城市軌道交通牽引變電所的設置原則：（1）牽引變電所的分布應滿足在遠期高峰小時行車交路下，任一座牽引變電所故障解列并由相鄰牽引變電所支援供電時，牽引網最低電壓水平不低于1000V[1]。（2）牽引變電所的分布應結合牽引負荷的分布進行設置，鋼軌電位滿足GB50157、GB50490、GB/T28026.1以及IEC62128.1規范要求。（3）在滿足以上2條原則的前提下，應盡量考慮以下因素：a.正線正常運行時采用雙邊供電，因此線路兩端車站應設置牽引變電所。b.在滿足牽引網電壓和鋼軌電位要求的情況下，牽引變電所應設置在車站，以方便運營管理。c.場段正線接入站應盡量設置牽引變電所，以提高當場段牽引所故障退出時正線對場段支援供電工況下的供電質量。d.牽引變電所的分布應考慮在不影響供電質量的前提下盡量在規模較大的、有配線的車站設置牽引變電所；對于地下區段區間牽引所，盡量選取在區間風井處設置，以減少因設置牽引變電所而增加的土建投資。e.牽引所布點應兼顧考慮雜散電流防護。結合上述供電系統的特點和牽引變電所設置原則，線路末端車站均設置牽引變電所，若末端站后無車輛段或停車場，當末端站牽引變電所故障退出運行，需要相鄰的牽引變電所“單邊”供電至線路末端，此時牽引網電壓和鋼軌電位仍需要滿足標準要求。但個別線路在末端牽引變電所設置時會存在如下困擾：以圖1所示的線路為例，在建線路末端區間的間距較大且后期有延伸線路，經仿真模擬計算，末端3個站均需設置牽引變電所，能保證正常雙邊供電和車站2牽引變電所故障退出運行時由車站1和車站3牽引變電所“大雙邊”供電時的電能質量要求。當車站3牽引變電所故障時，車站2牽引變電所需單邊供電至線路末端，經仿真模擬計算，此時牽引網電壓滿足不低于最低電壓1000V的標準要求，但鋼軌電位高達180～200V，供電質量不能滿足要求。若末端區間增加區間牽引所，可以解決供電質量問題，但增加牽引變電所會帶來土建及設備投資增加，對于與區間風井合建的地下變電所增加的土建和設備投資約600～700萬元，對于地面變電所增加投資約500～600萬元，同時地面變電所建設還可能涉及規劃、征地等接口問題。當線路后期延伸后區間牽引變電所的功能弱化，若延伸線路的車站4設置牽引變電所，車站3牽引變電所故障退出運行，車站2牽引變電所和車站4牽引變電所“大雙邊”供電可以滿足供電質量需求，此時區間牽引變電所又可以取消。此種線路末端牽引變電所的設置方案給設計帶來了困擾。

2變電所主接線新方案

目前城市軌道交通牽引變電所一般主接線方式如圖2所示，該接線方式下，全所設置3套框架泄漏保護，由于所有直流斷路器采用1套框架泄漏保護，當該框架泄漏保護動作后，本所直流進線和饋線斷路器斷開，末端牽引變電所直流系統退出運行，此時只能采取單邊供電方式。結合牽引變電所設置原則和上述示例線路末端牽引變電所整流機組故障退出時存在的問題，提出一種新的變電所主接線方案及相應的保護配置方案。上述線路中牽引變電所設置方案存在的困擾主要是末端牽引變電所整流機組故障退出運行時，相鄰牽引變電所單邊供電至線路末端的供電質量不滿足要求，若能夠改變末端牽引變電所的主接線方式，達到在整流機組退出情況下仍可以提供直流電源的目的，就能夠在不增加區間牽引變電所的情況下滿足供電質量要求。因此，在末端牽引變電所增加1套整流機組或利用雙向變流裝置（若設計方案中已存在該裝置）整流功能作為第3套整流機組使用，并對直流主接線方式進行調整，具體主接線方式（以下簡稱新主接線方式）如圖3所示。相對于一般主接線方式，新主接線方式增加2臺直流母聯斷路器，故障情況下將直流正母線分為2段，同時新增了3套框架泄漏保護裝置。在該接線方式下，所有直流斷路器及電動隔離開關均處于閉合狀態。

3新變電所主接線的運行方式分析

對采用新主接線方式后對末端牽引變電所的運行方式進行分析。3.1正常運行方式分析。2套整流機組并聯運行共同構成24脈波整流，所有直流斷路器及電動隔離開關均處于閉合狀態。雙向變流裝置具有雙向變流功能，在車輛取流時，其作為整流裝置向車輛提供直流電，當需要吸收車輛多余的再生制動能量時，其作為逆變裝置將再生制動能量反饋回35kV環網。3.2故障運行方式分析。當1套整流機組故障退出運行，斷開故障整流機組對應的交流40.5kV斷路器及直流進線斷路器，由另1套整流機組和雙向變流裝置向牽引網供電。當2套整流機組同時故障退出運行，斷開整流機組對應的交流40.5kV斷路器及直流進線斷路器，由雙向變流裝置向牽引網供電。當雙向變流裝置故障退出運行，斷開其對應的交流40.5kV斷路器及直流進饋線斷路器，由2套整流機組向牽引網供電。當直流Ⅰ段母線故障，斷開該段的直流進線和饋線斷路器，同時斷開2臺直流母聯斷路器，由直流Ⅱ段母線對應的單整流機組及Ⅱ段母線上的開關向牽引網供電。當直流Ⅱ段母線故障，斷開該段的直流進線和饋線斷路器，同時斷開2臺直流母聯斷路器，由直流I段母線對應的單整流機組、雙向變流裝置及I段母線上的開關向牽引網供電。上述運行方式最大限度地保證了牽引變電所直流電源不退出，減少了單邊供電的幾率，保證了供電質量，提高了供電可靠性。

4新變電所主接線的保護配置

為實現上述運行方式，需要為新主接線設計相應的保護配置方案，具體如下：所有進線及饋線短路的保護配置與一般主接線方式的保護配置一致。新增的2臺直流母聯斷路器只需設置大電流脫扣保護（本體）及電流速斷保護，電流速斷保護需考慮其與進線斷路器及饋線斷路器的保護級差配合，避免越級跳閘。為降低直流設備框架泄漏保護動作導致全所退出，全所配置6套框架泄漏保護裝置，如圖3方框標注所示，具體為：1號整流器、2號整流器、直流Ⅰ段母線、直流Ⅱ段母線、負極柜及雙向變流裝置各1套，上述6組直流設備均獨立絕緣安裝。

5新主接線方案的適用線路

綜上分析，對于后期有延伸的線路，設置區間牽引變電所，在延伸線路實施前能夠滿足供電質量要求，在延伸線路實施后區間牽引變電所又可取消，該情況下末端牽引變電所適宜采用新主接線方案，可以取消區間牽引變電所，在延伸線路實施前減小了單邊供電的幾率，保證了供電可靠性，同時節省了投資。對于后期沒有延伸的線路，若單邊供電供電質量不能滿足要求，建議仍采用末端區間增加區間牽引變電所的方案。

6結語

本文對城市軌道交通牽引變電所設置原則進行了詳細分析，針對分期建設線路先期實施工程末端存在的牽引變電所設置方案問題，提出了末端車站牽引變電所采用雙向變流裝置或新增1套整流機組并對直流母線接線方式進行調整的新型主接線方案，保證了供電可靠性，節省了投資。目前該方案已在濟南地鐵進行了應用，效果良好。

參考文獻：

[1]中華人民共和國住房和城鄉建設部，國家質量監督檢驗檢疫總局.GB50157-2013地鐵設計規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2014.

作者:孔清 單位:天津中鐵電氣化設計研究院有限公司