南京南站及相關(guān)工程電氣系統(tǒng)設(shè)計

陳建平

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司,武漢 430063)

1 概述

南京南站及相關(guān)工程主要由南京南站房、動車組運用所、配套市政工程等組成。其中，南京南站總規(guī)模達(dá)66.7萬m2，其中主站房28.1萬m2，無站臺柱雨棚10.6萬m2，站房總設(shè)計規(guī)模28臺28線。南京南站及相關(guān)工程用電設(shè)備眾多，供電容量大，技術(shù)復(fù)雜，設(shè)計上既要滿足鐵路設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，又要滿足國標(biāo)、地方及其他行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，需針對不同的運營需求和行業(yè)特點，綜合制定相應(yīng)的技術(shù)方案，以滿足不同行業(yè)需求和整體設(shè)計方案的融合和統(tǒng)一。

2 主變電站設(shè)計

由于南京南地區(qū)匯聚了京滬高速鐵路、滬漢蓉鐵路、寧杭客運專線和寧安客運專線、寧蕪貨線改造工程引入南京樞紐、南京南動車運用所和南京南站站房工程項目等多個鐵路新建項目，裝機(jī)容量約50 000 kVA，遠(yuǎn)超一個10 kV配電所的轉(zhuǎn)供容量[1-2]，為此建有3座10 kV配電所：南京南站站房設(shè)有2座10 kV配電所，為站房10座雙電源10/0.4 kV變電所及1座單電源10/0.4 kV變電所供電，變壓器裝機(jī)容量為36 880 kVA；動車運用所設(shè)有1座10 kV配電所，為動車運用所內(nèi)3座雙電源10/0.4 kV室內(nèi)變電所及2座單電源10/0.4 kV變電所等負(fù)荷供電，變壓器裝機(jī)容量為10 330 kVA；寧蕪貨線工程變壓器裝機(jī)容量約2 000 kVA。設(shè)計中主要進(jìn)行了以下方案比較。

方案1，以上3座10 kV配電所各從南京南地方變電站各接引兩路10 kV專盤專線電源，該方案主要特點是：由于電源工程線路穿過市區(qū)，按每個所2×5 km電源電纜線路、120萬元km/計算，僅電源線路投資將達(dá)3 600萬元，由于饋出回路多、裝機(jī)容量大，該地區(qū)220/10 kV變電站難以提供6路10 kV專盤專線電源及相應(yīng)容量。

方案2，利用南京南220/27.5 kV牽引變電所外部電源， 與該所同址合建1座雙電源220/10 kV變電站， 變壓器容量為2×25 000 kVA，由此變電站分別為以上3座10 kV配電所提供電源，變電站投資約1 600萬元，由該所分別配電所10 kV電源線路投資約500萬元。

方案2與方案1相比節(jié)約工程投資約1 500萬元，同時，由于與牽引變電所共用220 kV外部電源，供電可靠性也高于方案1[3]，在電能質(zhì)量方面，方案2存在牽引變電所兩供電臂不平衡的狀態(tài)下，10 kV電力供電系統(tǒng)側(cè)的電壓不平衡度問題[4]，經(jīng)計算U1/U2約為0.05%，滿足《電能質(zhì)量 供電電壓偏差》(GB/T12325—2008)“正常電壓不平衡度為2%”的規(guī)定。同時，南京南地區(qū)具有綜合交通樞紐性質(zhì)，后期還會有其他鐵路工程相繼建設(shè)，因此，本設(shè)計采用方案2，與牽引變電所共用220 kV外部電源方案，建設(shè)鐵路電力主變電站，對南京南地區(qū)鐵路變配電所進(jìn)行供電。

3 南京南站應(yīng)急電源方案

南京南站屬于特大型高速客運站，除南京南站站房內(nèi)新建2座10 kV配電所，為保證站房消防、應(yīng)急照明等重要負(fù)荷的供電，站房供電必須增設(shè)應(yīng)急電源[5]。運行經(jīng)驗表明，電力系統(tǒng)電氣故障無法限制在某個范圍內(nèi)部[6]，即使從電力系統(tǒng)接引三路外部電源站房也存在同時停電可能，結(jié)合本站特別重要的一級負(fù)荷較大特點，因此，本工程應(yīng)急電源采用了柴油發(fā)電機(jī)組方案。考慮到站房面積大、供電距離遠(yuǎn)、環(huán)保要求等因素[7]，在距站房500 m外新建1座2×2 000 kVA的10 kV高壓柴油發(fā)電機(jī)組，作為整個站房的綜合應(yīng)急電源。此外，為滿足應(yīng)急照明啟動時間要求，還設(shè)有EPS電源裝置為應(yīng)急照明負(fù)荷供電。10 kV高壓柴油發(fā)電機(jī)組運行控制特點如下。

(1)運行方式：2臺柴油發(fā)電機(jī)組采用并列運行方式，采用在兩機(jī)應(yīng)急啟動時先完成空載并列，然后再投入負(fù)荷。

(2)自動控制功能：在收到站房任意一座或2座10 kV配電所發(fā)出的柴發(fā)啟動信號后，10 kV高壓柴油發(fā)電機(jī)組空載立即啟動，并在15 s內(nèi)完成全部啟動過程。在收到遠(yuǎn)程停機(jī)信號后經(jīng)1～10 min(可調(diào))延時空載運行后自動停機(jī)，在收到遠(yuǎn)程緊急停機(jī)信號后應(yīng)立即停機(jī)。2臺柴油發(fā)電機(jī)組可實現(xiàn)并列運行供電方式，也可實現(xiàn)2臺機(jī)組獨立運行，實現(xiàn)與配電所的一對一供電方式。柴油發(fā)電開閉所斷路器的分、合閘由柴發(fā)機(jī)組的并聯(lián)控制柜控制實現(xiàn)，保護(hù)由開閉所微機(jī)綜合自動化系統(tǒng)實現(xiàn)。

(3)柴發(fā)自動同步功能：要求一臺發(fā)電機(jī)組與另一臺發(fā)電機(jī)組相位為參考，將指定發(fā)電機(jī)組的相位在5 s內(nèi)穩(wěn)定控制在±5°的范圍內(nèi)，并保持至同期合閘完成。

4 配套工程20 kV供電系統(tǒng)設(shè)計

南京南站配套市政工程設(shè)計范圍包括：南北高架橋落客平臺、地面層車場、地下一層車場及游客接待中心、南京南站房地下一層機(jī)房與地鐵圍合區(qū)域的商業(yè)開發(fā)。變壓器裝機(jī)容量約14 900 kVA。由于該工程屬于配套市政工程，不能與鐵路電力工程共用變配電所及外部電源，由于附近無滿足要求的10 kV電源，且20 kV供電系統(tǒng)在國內(nèi)有成功應(yīng)用的先例[8-10]，20 kV與10 kV相比，變配電設(shè)備投資增加約10%～20%，占地面積基本相同，但供電能力和供電范圍大大提高，20 kV系統(tǒng)供電容量是10 kV的2倍，供電半徑是10 kV的2～4倍，因此，本工程在地下一層西側(cè)商業(yè)開發(fā)區(qū)內(nèi)設(shè)置1座20 kV配電所，由地方220/20 kV變電站接引兩路20 kV電源。

配電所規(guī)模為二進(jìn)十二出，分別為南京南市政配套工程的所有6座20/0.4 kV變電所提供電源，20 kV主接線采用單母線斷路器分段運行方式，正常運行時，兩路20 kV電源同時運行，母聯(lián)開關(guān)斷開，當(dāng)一路電源失電，母聯(lián)開關(guān)自動投入，由另一路電源對全所重要負(fù)荷供電。20 kV配電所高壓開關(guān)柜采用SF6氣體絕緣型，采用微機(jī)綜合自動化保護(hù)裝置。

5 調(diào)度自動化系統(tǒng)設(shè)計

為便于管理，南京南站站房所有10 kV配電所、10/0.4 kV變電所和10 kV高壓柴油發(fā)電所高低壓電氣設(shè)備均納入上海鐵路局電調(diào)臺SCADA系統(tǒng)統(tǒng)一調(diào)度，正常運行時由上海鐵路局電調(diào)臺進(jìn)行遠(yuǎn)方監(jiān)控，在南京南站房內(nèi)設(shè)1個電力監(jiān)控子站，作為上海鐵路局電調(diào)臺SCADA電力遠(yuǎn)動系統(tǒng)的備用監(jiān)控站，平時只監(jiān)視不控制，當(dāng)SCADA電力遠(yuǎn)動系統(tǒng)故障無法在上海鐵路局電調(diào)臺實現(xiàn)監(jiān)控時，可通過上海鐵路局電調(diào)授權(quán)，電力監(jiān)控子站可實現(xiàn)南京南站全部電力監(jiān)控功能，確保南京南站電力供電系統(tǒng)正常運行。

站房10/0.4 kV低壓變電所電力監(jiān)控終端由電力遠(yuǎn)動通訊管理機(jī)、RTU設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、通訊接口設(shè)備等組成。為簡化接線，節(jié)省空間及投資，電力遠(yuǎn)動監(jiān)控系統(tǒng)采用面向單一電氣間隔的微型RTU，每個微型RTU具備液晶顯示功能，替代常規(guī)數(shù)顯儀表功能，每個微型RTU應(yīng)實現(xiàn)對本回路的各相電流電壓有效值就地顯示以及有功和無功功率、功率因數(shù)、電能量等就地顯示功能。電力遠(yuǎn)動通訊管理機(jī)作為總控裝置，通過通訊網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)向下與各微型RTU設(shè)備進(jìn)行信息交互，向上與遠(yuǎn)動主站系統(tǒng)進(jìn)行信息交互。RTU主要功能如下：提供7路交流量、2路遙控和6路遙信，并配置液晶顯示器，替代多功能表實現(xiàn)全電量就地顯示；提供三級過流、兩級過壓以及欠壓和失壓功能，并可采集漏電流，實現(xiàn)間隔絕緣監(jiān)視功能。上述保護(hù)功能動作精度高于2%，固有動作時間應(yīng)小于20 ms；能提供分辨率2 ms的SOE事件、分辨率20 ms的實時遙測曲線、高密度故障錄波數(shù)據(jù)；具備斷線續(xù)傳功能，在通信中斷時就地保存SOE、遙測曲線和錄波數(shù)據(jù)，并在通信恢復(fù)后自動上傳。

6 機(jī)電設(shè)備與環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)(BAS)設(shè)計

為滿足設(shè)備和工藝控制要求，以方便運行管理和節(jié)能為目標(biāo)，實現(xiàn)最大限度的優(yōu)化控制、管理和節(jié)能，南京南站房設(shè)有機(jī)電設(shè)備與環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)(BAS)。BAS監(jiān)控對象為空調(diào)通風(fēng)、電扶梯、給排水、站房變電所及公共區(qū)照明等子系統(tǒng)。其中，站房公共區(qū)照明和雨棚照明子系統(tǒng)采用智能照明控制系統(tǒng)對所有照明回路進(jìn)行節(jié)能控制，按照客運需求和外部光環(huán)境，可根據(jù)需要自動控制照明系統(tǒng)的運行，既能更好的滿足客運需要，實現(xiàn)了以人為本的人性化照明設(shè)計理念。BAS滿足了工藝控制要求，節(jié)約能源15%～25%、降低運營成本、減少污染，實現(xiàn)綠色環(huán)保。

7 結(jié)語

鐵路樞紐、段(所)等地區(qū)外部電源的設(shè)計應(yīng)結(jié)合負(fù)荷近遠(yuǎn)期規(guī)模統(tǒng)籌考慮，當(dāng)配電變壓器裝機(jī)容量近期達(dá)10～20 MVA以上，宜采用35 kV及以上電壓等級的地區(qū)變配電所進(jìn)行集中供電，并宜牽引變電所共用外部電源；20 kV配電系統(tǒng)與10 kV系統(tǒng)相比具有供電容量大、供電半徑遠(yuǎn)的優(yōu)勢，可積極推廣使用；特大型站房宜采用柴油發(fā)電機(jī)組作為應(yīng)急電源；10/0.4 kV變電所采用微型RTU具有節(jié)省空間及投資、兼顧多功能儀表等優(yōu)勢；大型鐵路建筑采用BAS既能滿足設(shè)備和工藝控制要求，又能方便運行管理和節(jié)能。本工程于2011年相繼投入運營，電氣系統(tǒng)各項功能運營良好，保證了該地區(qū)鐵路及配套工程電力系統(tǒng)生產(chǎn)、生活安全可靠供電。

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