城市軌道交通牽引變電所主接線的優化研究

周才發

0 引言

目前，國內城市軌道交通供電系統牽引變電所主接線大多采用如下形式：每座牽引變電所設2臺整流機組，均接于同一段母線上；每套整流機組分別通過斷路器與35 kV母線連接；直流1 500 V母線為單母線接線；每座牽引變電所內饋出4回直流電源分別接至牽引網上下行，與相鄰牽引變電所構成雙邊供電；直流進線開關選用直流斷路器或者電動隔離開關；直流負極開關選用手動隔離開關或者電動隔離開關；直流饋線開關選用直流斷路器。

筆者認為該主接線形式雖然滿足城市軌道交通供電系統的運行要求，但是有些方面還有待進一步優化。

1 牽引整流機組接入方式

牽引整流機組接入35 kV母線一般有2種方案：一是2套牽引整流機組進線合并，二是2套牽引整流機組進線獨立。

1.1 2套牽引整流機組進線合并（方案1）

2套牽引整流機組并接在同1臺35 kV斷路器上，2臺整流變壓器并聯后，等效為1臺24脈波整流變壓器，接于同一段35 kV母線上，見圖1。

該方案的特點：

（1）正常運行時，2套牽引整流機組同時投入；故障狀態下，2套牽引整流機組同時退出，由相鄰牽引所實現對牽引網的越區支援供電，管理和操作簡單。

圖1 進線合并接入方案示意圖

（2）進線回路共用，可以按照等效的1套24脈波整流機組設備來進行整定計算，斷路器保護動作后，某些故障區分較困難（如出現短路故障或過負荷，不能直觀判斷由哪一套設備引起）。

（3）聯鎖、聯跳關系減少，二次接線簡單。

（4）綜合投資費用較低，按目前的價格水平，每臺35 kV開關柜（含保護）約為30萬元，考慮一條20多公里地鐵線路，牽引變電所數量按10座來計算，一次設備投資就可以減少約300萬元。

1.2 2套牽引整流機組進線獨立（方案2）

2套牽引整流機組分別通過1臺35 kV斷路器并接在同一段35 kV母線上，見圖2。

該方案的特點：

（1）正常運行時，2套牽引整流機組同時投入；故障狀態下，當1套牽引整流機組退出運行時，另 1套牽引整流機組在其允許過負荷情況下可繼續運行，否則由相鄰牽引所實現對牽引網的越區支援供電，管理和操作較復雜。

（2）2套牽引整流機組設備及保護配置相互獨立，故障易判斷。

圖2 進線獨立接入方案示意圖

（3）聯鎖、聯跳關系增加，二次接線較復雜。

（4）綜合投資費用較高。

1.3 方案比較

2種方案的比較見表1。

表1 牽引整流機組接入方案比較表

根據以上分析、比較，方案1比方案2有明顯優勢，雖然方案1不滿足單套整流機組運行條件，但筆者認為能否滿足單套整流機組運行的條件并不重要，原因有以下3點：

（1）當一套整流機組出現故障而退出運行時，另一套整流機組也退出運行，通過相鄰牽引所對牽引網越區供電已經能滿足供電的可靠性。

（2）根據城市軌道交通的供電計算，為盡量減少安裝變壓器容量，允許單套整流機組運行只限于初、近期客流不大的情況，隨著運行負荷及諧波含量的增加，單套整流機組運行條件已不能滿足系統要求。所以從長遠來看，允許單套整流機組運行意義不大。

（3）根據國內已運行線路的經驗來看，近、遠期客流到來的時間大多比設計時間提前，有些城市軌道交通線路甚至在運行2～3年后，客流就達到了遠期的設計標準，導致初、近期時間大大縮短，允許單套整流機組運行條件的實際工程意義不大。

綜上所述，2套牽引整流機組進線合并的接線方式值得推薦。

2 直流進線開關的設置

直流進線開關的設置有2種方案：方案1采用電動隔離開關，見圖3。方案2采用直流斷路器，見圖4。2種方案在國內實際工程中均被廣泛采用。

圖3 進線采用電動隔離開關接線圖

圖4 進線采用直流斷路器接線圖

正常運行情況下，2種方案均能滿足要求，無明顯差異。下面著重分析各種故障狀態下2種方案間的差異。

牽引變電所牽引整流部分故障按發生地點可劃分為3類：第1類故障發生在牽引整流機組進線斷路器與直流進線開關之間，如整流變壓器、整流器及連接電纜故障等；第2類故障發生在直流進線開關與直流饋線斷路器之間，如直流母線短路故障；第3類故障發生在直流饋線斷路器以下，如接觸網短路故障。

2.1 故障切除

（1）直流進線開關按方案1設置。第1類故障：跳開該所2路整流變壓器進線斷路器和所有直流饋線斷路器；第2類故障：框架保護動作，跳開該所 2路整流變壓器進線斷路器和所有直流饋線斷路器，并聯跳相鄰牽引變電所相應的直流饋線斷路器；第3類故障：直流饋線斷路器保護動作，跳開直流饋線斷路器并聯跳相鄰牽引變電所相應的直流饋線斷路器。

（2）直流進線開關按方案2設置。第1類故障：跳開該所2路整流變壓器進線斷路器和2路直流進線斷路器；第2類故障和第3類故障均與方案1的對應類故障切除相同。

可見，2種方案僅在發生第1類故障時有區別，下面對發生第1類故障時故障恢復時間進行比較。

2.2 故障恢復時間

恢復方式是通過直流母線或接觸網越區隔離開關越區。

（1）通過直流母線恢復。方案1的動作順序：該所 2路整流變壓器進線斷路器和所有饋線斷路器均跳開，同時自動重合閘閉鎖→2路進線電動隔離開關分閘→合直流饋線斷路器實現大雙邊供電，恢復故障時間一般小于1 min。

而方案 2在故障切除后，接觸網供電不受影響。

（2）通過接觸網越區隔離開關越區。方案 1的動作順序：該所2路整流變壓器進線斷路器和所有直流饋線斷路器均跳開，同時自動重合閘閉鎖→雙邊聯跳相鄰牽引所相應直流饋線斷路器→該所2路進線電動隔離開關分閘→該所越區電動隔離開關合閘→相鄰牽引所直流饋線斷路器合閘實現大雙邊供電，恢復故障時間一般小于3 min。

而方案2與方案1基本相同，其動作順序：該所2路整流變壓器進線斷路器和2路直流進線斷路器跳開并聯跳所有直流饋線斷路器→雙邊聯跳相鄰牽引所相應直流饋線斷路器→該所越區電動隔離開關合閘→相鄰牽引所直流饋線斷路器合閘實現大雙邊供電，恢復故障時間一般小于3 min。

可見，方案1與方案2的區別僅在第1類故障用母線越區供電恢復故障時有所區別。

2.3 技術方案比較

2種方案就保護動作的可靠性、恢復故障的快速性、運行方式及運營管理等方面的分析見表2。

表2 2種方案的技術分析比較表

2.4 經濟比較

按目前的價格水平，每臺直流進線斷路器開關柜（含保護）約為38萬元，每臺直流進線電動隔離開關柜（含PLC）約為20萬元，若直流進線采用電動隔離開關，每座牽引變電所可節省投資 36萬元，牽引變電所數量按10座計算，一次設備投資就可減少約360萬元。當前國內一座城市規劃的軌道交通線路數量多，每條線路一般要設置十幾座牽引變電所，這樣算下來節省的投資相當可觀。

綜上所述，方案1與方案2在技術性能上無明顯差異，均能滿足軌道交通的供電要求，但從投資來講，方案1比方案2節省投資，因此，從節省投資的角度，推薦直流進線開關的設置采用方案1，即采用電動隔離開關。

3 直流負極開關的設置

負極柜開關可以選用手動隔離開關（圖5），也可選用電動隔離開關（圖6），2種方案均有工程實例。

正常情況下，負極柜隔離開關常閉，直流設備向牽引網供電。當系統運行方式改變時，負極柜隔離開關位置狀態可維持不變（如牽引變電所牽引整流機組退出運行，相鄰牽引所大雙邊供電或越區單邊供電，負極柜隔離開關可不分開）。當直流系統需要檢修維護時，負極柜隔離開關應分開，在直流牽引設備與回流鋼軌間形成一個隔離斷口。在工程中，設備檢修周期固定，檢修作業在現場進行，負極柜隔離開關的操作頻率較低，手動操作即可滿足要求。

圖5 負極采用手動隔離開關接線圖

圖6 負極采用電動隔離開關接線圖

因此，從節省投資的角度，負極柜開關推薦采用手動隔離開關。

4 推薦的主接線形式

綜上所述，推薦的牽引變電所主接線形式，在滿足城市軌道交通供電系統運行要求的前提下，將傳統的牽引變電所主接線做了如下改進：

（1）將2套牽引整流機組獨立進線改成合并進線。

（2）將直流進線開關由直流斷路器改成電動隔離開關。

（3）將直流負極柜的隔離開關由電動改成手動。

城市軌道交通供電系統牽引變電所推薦的主接線形式如圖7所示。

圖7 牽引變電所主接線圖

按照推薦的主接線，一個牽引變電所比傳統的牽引變電所可以節省人民幣60多萬元。如果一條軌道交通線按10個牽引所（包括車場牽引變電所）考慮，則可以節省投資600多萬元。

5 結束語

推薦的城市軌道交通牽引變電所的主接線形式，既滿足城市軌道交通供電系統的運行要求，主接線及運行方式簡單、安全可靠，又節省投資，值得在國內城市軌道交通建設中推廣。

[1]GB 50157-2003 地鐵設計規范[S].北京：中國計劃出版社，2003.

[2]深圳地鐵3號線初步設計文件[R].中鐵二院工程集團有限責任公司.深圳，2006.

[3]上海地鐵9號線初步設計文件[R].中鐵二院工程集團有限責任公司.上海，2007.

[4]杭州地鐵1號線初步設計文件[R].中鐵二院工程集團有限責任公司.杭州，2008.

[5]南昌地鐵 1號線供電系統投標文件[G].中鐵二院工程集團有限責任公司.成都，2009.