可用于DC 750 V及DC 1 500 V系統(tǒng)的牽引變電所設(shè)計

盛蓉蓉

（中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，430063，武漢∥高級工程師）

可用于DC 750 V及DC 1 500 V系統(tǒng)的牽引變電所設(shè)計

盛蓉蓉

（中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，430063，武漢∥高級工程師）

南車株洲電力機車有限公司廠區(qū)內(nèi)試驗線路上既有DC 750 V牽引變電所無法滿足地鐵車輛型式試驗的電壓要求。結(jié)合該試驗線的特點，提出在試驗線路新建1座牽引變電所，與既有牽引變電所構(gòu)成雙邊供電，以滿足地鐵車輛型式試驗的電壓要求。同時，給出了可輸出DC 750 V、DC 1 500 V兩種不同電壓等級的新建牽引變電所設(shè)計方案及設(shè)備選型。

試驗線；地鐵車輛；型式試驗；牽引變電所設(shè)計

Author's address China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.，Ltd.，430063，Wuhan，China

1　工程背景

南車株洲電力機車有限公司廠區(qū)內(nèi)試驗線線路總長3.76 km，設(shè)DC 750 V牽引變電所1座。該牽引變電所距離試驗線起點約1.43 km（即位于試驗線路K1+430里程處）。試驗線的既有供電方案示意圖如圖1所示。

圖1　既有供電方案示意圖

為滿足不同地鐵車型的試驗要求，在試驗線路上同時敷設(shè)了接觸網(wǎng)及接觸軌。其中，接觸網(wǎng)為全線架設(shè)，接觸軌僅在試驗線路的K2+430至線路終點范圍內(nèi)敷設(shè)。接觸軌敷設(shè)起點距牽引變電所約1 km。接觸軌需要通過電纜從接觸網(wǎng)上取流。

根據(jù)業(yè)主方的要求，為滿足DC 750 V地鐵車輛的型式試驗要求，在接觸軌供電起始點約400 m（K2+430～K2+830）的范圍內(nèi)，接觸軌供電電壓不應(yīng)低于740V。經(jīng)現(xiàn)場實測，該區(qū)域接觸軌的電壓僅為710 V，既有牽引變電所無法滿足在該區(qū)域接觸軌供電電壓不低于740 V的要求。

2　供電方案比選

業(yè)主方的相關(guān)技術(shù)要求如下：

（1）為適應(yīng)企業(yè)的長期發(fā)展戰(zhàn)略，牽引變電所需同時輸出DC 750 V及DC 1 500 V兩種電壓等級的供電電壓，以滿足國內(nèi)DC 750 V及DC 1 500 V兩種地鐵車輛的試驗要求。

（2）需要滿足DC 750 V接觸軌供電制式車輛型式試驗的電壓要求。即在規(guī)定范圍內(nèi)電壓不低于740 V的要求。

鑒于此，筆者提出了以下兩種解決方案。

2.1方案一：改遷既有變電所

現(xiàn)有試驗線路的接觸軌并非從既有變電所直接取電，而是從經(jīng)過約1 km的架空接觸網(wǎng)上取電，由于架空接觸網(wǎng)部分的電壓降落較大，造成接觸軌無法滿足在規(guī)定范圍內(nèi)電壓不低于DC 740 V的相關(guān)要求。為滿足型式試驗的電壓要求，考慮將既有的牽引變電所移至接觸軌敷設(shè)區(qū)域內(nèi)，由牽引變電所直流饋線至接觸軌供電，以減少供電線路的電壓損失，改善接觸軌供電范圍內(nèi)的電壓水平。同時，對既有變電所進行改造，更換整流機組、直流開關(guān)柜等設(shè)備，使其能同時輸出DC 750 V及DC 1 500 V兩種電壓。

2.2方案二：新建1座牽引變電所

在不改變既有牽引變電所供電方案的前提下，在接觸軌敷設(shè)區(qū)域的合適位置新建1座牽引變電所，與既有牽引變電所構(gòu)成局部雙邊供電，滿足DC 750 V接觸軌供電制式地鐵車輛型式試驗的電壓要求。新建牽引變電所設(shè)2套整流機組，通過改變2套整流機組之間的串、并聯(lián)關(guān)系，可提供DC 750 V和DC 1 500 V兩種電壓等級的電源。

2.3方案推薦

兩個方案的技術(shù)經(jīng)濟比較如表1所示。

表1　兩種方案技術(shù)經(jīng)濟比較

根據(jù)以上分析，方案一雖然能夠節(jié)約投資約150萬元，但存在以下缺點：

（1）在既有變電所搬遷時，試驗線路必須停電，無法進行任何試車作業(yè)，影響工廠的正常生產(chǎn)作業(yè)。

（2）整條試驗線路僅有1座牽引變電所，在該變電所檢修或更換設(shè)備時將中斷試車，影響工廠的正常生產(chǎn)作業(yè)。

（3）既有變電所于2004年開始運行，至今已有近10年，在搬遷的過程中部分設(shè)備可能會被損壞無法再次利用，無形中增加了投資。

（4）為滿足DC 750 V、DC 1 500 V兩種輸出電壓的要求，需對變電所的部分設(shè)備（主要是整流機組、直流設(shè)備）進行更換，設(shè)備利用率不高。

（5）搬遷后，變電所的外部電源需要重新引入，也需增加部分投資。

（6）根據(jù)仿真結(jié)果，僅搬遷變電所，供電質(zhì)量仍無法得到有效保證。

因此，綜合考慮供電系統(tǒng)的供電質(zhì)量和企業(yè)的長遠發(fā)展，推薦方案二作為本次設(shè)計的供電方案（如圖2所示）。

圖2　推薦供電方案示意圖

3　DC 750 V/DC 1 500 V牽引變電所設(shè)計

3.1DC 750 V/DC 1 500 V輸出方案

目前地鐵工程已經(jīng)運行的整流機組主要有DC 750 V和DC 1 500 V，DC 750 V和DC 1 500 V整流機組的輸出方案主要有整流機組分立和整流機組串并聯(lián)2種方式。

3.1.1方案一：整流機組分立方式

由2套輸出電壓相差15°的12脈波整流機組并聯(lián)運行構(gòu)成：一個三相全波整流橋接向整流變壓器的二次側(cè)星形繞組，另一個三相全波整流橋接向整流變壓器二次側(cè)的三角形繞組，每臺整流變壓器二次側(cè)星形繞組和三角形繞組相對應(yīng)的線電壓相位錯開15°，得到2個三相全波整流橋并聯(lián)組成的24脈波整流電路。

該方案在地鐵系統(tǒng)得到了廣泛應(yīng)用，但存在只能輸出一種電壓制式的缺陷。若需輸出兩種電壓制式，需設(shè)置相應(yīng)數(shù)量的2套整流機組，即設(shè)備數(shù)量及投資增加1倍。

3.1.2方案二：整流機組串并聯(lián)方式

設(shè)置2套DC 750 V整流機組，整流機組的耐壓及絕緣水平均按照DC 1 500 V系統(tǒng)設(shè)計。2套整流機組分立運行時并聯(lián)輸出DC 750 V電壓，2套整流機組串聯(lián)時輸出DC 1 500 V電壓。

2套整流機組串聯(lián)輸出DC 1 500 V電壓時，相當于2套整流機組內(nèi)阻抗串聯(lián)，會造成整流機組內(nèi)部的壓降過大，因此需采取低阻抗特種整流變壓器。

3.1.3方案選擇

如果要能同時輸出DC 750 V、DC 1 500 V兩種電壓，方案一需要增加1套DC 1 500 V的整流機組，增加了變電所用房面積及設(shè)備投資，需要增加投資約75萬元；而方案二僅需在2套整流機組之間增加1臺隔離開關(guān)，僅增加投資約5萬元。

由此可以看出，方案二相比方案一可節(jié)約投資約70萬元，同時可減少變電所用房面積及后期的運營維護工作；且整流機組的制造水平在國內(nèi)已經(jīng)很成熟，實施性強。因此，推薦采用方案二。

3.2牽引變電所主接線

新建牽引變電所AC 10 k V母線采用單母線接線方式，采用AC 10 k V空氣開關(guān)柜，分別饋出2回AC 10 kV饋線至2套DC 750 V 12脈波整流機組。DC 750 V、DC 1 500 V兩種電壓制式的轉(zhuǎn)換通過2套整流機組之間的隔離開關(guān)實現(xiàn)。直流側(cè)采用單母線接線方式，設(shè)置2回直流饋線，分別接至試驗線路的接觸軌及接觸網(wǎng)。新建牽引變電所主接線圖如圖3所示。

圖3　新建牽引變電所主接線圖

當2套整流機組之間的隔離開關(guān)G 2031在分位，隔離開關(guān)G 2011、G 2022在合位時，2套整流機組并聯(lián)，輸出等效24脈波DC 750 V電壓；當2套整流機組之間的隔離開關(guān)G 2031在合位，隔離開關(guān)G 2011、G 2022在分位時，2套整流機組串聯(lián)，輸出12脈波DC 1 500 V電壓。

3.3牽引變電所設(shè)備選型

3.3.1整流機組設(shè)備選型

整流變壓器及整流器需同時滿足DC 750 V、DC 1 500 V兩種電壓制式的要求，從設(shè)備制造角度，應(yīng)采用DC 1 500 V系統(tǒng)的設(shè)備絕緣要求，同時滿足DC 750 V系統(tǒng)的大電流要求。與國內(nèi)主流的整流機組供貨商交流后，確定在DC 750 V電壓等級的整流變壓器及整流器基礎(chǔ)上進行改造，整流機組的耐壓及絕緣水平按照DC 1 500 V系統(tǒng)設(shè)計。

針對2套整流機組串、并聯(lián)輸出電壓不平衡情況，在整流機組出口側(cè)均設(shè)置平衡電抗器，強制使2套整流器輸出容量一致。同時，采取低阻抗特種整流變壓器，確保2套整流機組串聯(lián)時，整流機組內(nèi)部產(chǎn)生的電壓降滿足系統(tǒng)設(shè)計要求。

3.3.2直流開關(guān)柜設(shè)備選型

直流開關(guān)設(shè)備同樣需滿足DC 750 V、DC 1 500 V兩種電壓制式的要求，但DC 1 500 V開關(guān)設(shè)備的開斷能力與DC 750 V開關(guān)設(shè)備的開斷能力有很大差異。經(jīng)過計算，采用常規(guī)的DC 1 500 V斷路器難以滿足DC 750 V斷路器開斷電流的要求（DC 750 V系統(tǒng)的開斷電流比DC 1 500 V系統(tǒng)的開斷電流大得多）。與直流開關(guān)柜供貨商研究后決定：直流開關(guān)柜內(nèi)部絕緣水平按照DC 1 500 V系統(tǒng)設(shè)計，開斷能力按照DC 750 V系統(tǒng)設(shè)計。

3.3.3鋼軌電位限制裝置設(shè)備選型

DC 750 V和DC 1 500 V系統(tǒng)的短路電流不同，元器件的選擇應(yīng)保證在短路情況（DC 750 V、DC 1 500 V系統(tǒng)）下經(jīng)過鋼軌電位限制裝置的短路電流能滿足要求。因此，設(shè)備的耐壓及絕緣水平按照DC 1 500 V系統(tǒng)配置，設(shè)備的動熱穩(wěn)定性能、載流能力按照DC 750 V系統(tǒng)配置。

該牽引變電所直流部分設(shè)備均為特種設(shè)備，在設(shè)備采購時均明確提出了特殊使用要求。目前，該牽引變電所設(shè)備已安裝完成且投入使用，運行情況良好。

4　結(jié) 語

結(jié)合南車株洲電力機車有限公司試驗線路的特點，提出了一種可輸出DC 750 V、DC 1 500 V兩種不同電壓等級的牽引變電所設(shè)計方案。該牽引變電所的設(shè)計方案及設(shè)備選型方案在國內(nèi)沒有成熟案例，部分設(shè)備需要特殊制造。該牽引變電所的成功投運，可為以后地鐵試驗線路牽引變電所的設(shè)計提供參考及技術(shù)基礎(chǔ)。

［1］ 劉長志.長春客車廠直流試驗線牽引供電系統(tǒng)［J］.現(xiàn)代城市軌道交通，2012（4）：4.

［2］ 李建民.城市軌道交通供電［M］.成都：西南交通大學出版社，2007.

［3］ GB 50157—2003地鐵設(shè)計規(guī)范［S］.

［4］ GB/T 50062—2008電力裝置的繼電保護和自動裝置設(shè)計規(guī)范［S］.

［5］ 王國英，周勁鳳，劉學明，等.交、直流混合牽引供電系統(tǒng)現(xiàn)場應(yīng)用研究［J］.鐵道標準化設(shè)計，2009（6）：122.

Traction Substation Design Applicable to DC 750 V and DC 1 500V System

Sheng Rongrong

In CSR Zhuzhou Electric Locomotive Co.，Ltd，the existing DC 750 V traction on the factory test line could not satisfy the requirement for the testing voltage of new metro train.According to the line characters，it is proposed that a new traction substation be built on the test line to constitute bilateral power supply substation with the existing DC 750 V traction，so as to meet the requirements of test voltage on newtype metro vehicle.At the same time，the design of new traction substation with two different voltage grades of power supply：the output DC 750 V and DC 1 500 V，and the related equipment selection are discussed.

test line；metro train；type testing；traction substation design

U 224

10.16037/j.1007-869x.2015.07.010

2013-09-26）