城軌變電所直流操作電源接線及額定電壓選擇

王開康

（中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北武漢 430063）

0 概述

變電所的控制、信號、保護和自動裝置以及二次回路的工作電源，稱為操作電源。操作電源系統分為直流操作電源系統和交流操作電源系統[1]。

操作電源是變電所的重要組成部分，其可靠運行是變電所正常運行的重要保障，一旦操作電源退出運行，變電所勢必停止運行。因此，GB 50157-2013《地鐵設計規范》明確規定變電所操作電源為 1 級負荷中特別重要負荷[2]，城軌工程中變電所操作電源一般采用直流電源，并配備蓄電池作為應急電源。

由于相關規范對直流操作電源的設計規定不夠詳盡，加之不同設計人員對規范的理解偏差，導致目前城軌直流操作電源系統（以下簡稱“直流電源”）的設計方案類型較多，尤其在同一城市，多種方案并存對運營管理及標準化推進均產生不利影響。

本文針對地鐵變電所特點，對直流電源的主接線、母線額定電壓等級進行分析研究，提出推薦方案，其他類型城市軌道交通可參照本文分析得出相同結論。

1 主接線

目前城軌變電所直流電源主接線有單母線分段和單母線 2 種，具體接線如圖1、圖2所示。

根據 GB 50059-2011《35～110 kV變電站設計規定》第 3.7.1 條規定：變電站的直流母線宜采用單母線或單母線分段的接線，采用單母線分段時，蓄電池應能切換到任一母線[3]。查閱其他相關規范及手冊，對直流電源的接線形式要求基本與上述規范類似，因此，無法根據規范條文直接確定城軌變電所直流電源接線形式。

比較 2 種接線形式，其根本區別在于：單母線分段接線對重要負荷可以采用雙重電源供電，從而保證供電可靠性；當 1 段母線發生故障，分段斷路器自動將故障段隔離，保證正常段母線不間斷供電，不致使重要客戶停電；2 段母線同時故障的幾率小，可以不予考慮；反之，單母線接線則無法實現對重要負荷的雙重電源供電。因此，確定直流電源主接線首先要確定直流電源的負荷分級。

GB 50157-2013《地鐵設計規范》第 15.5.1 條規定：變電所操作電源為 1 級負荷中特別重要負荷[2]。對該條中“變電所操作電源”的不同理解，是工程中變電所直流電源接線出現不同方案的主要原因。如果將規范中所述“變電所操作電源”理解為變電所中某個具體的二次裝置或二次回路的工作電源，則直流電源必須采用單母線分段接線，且為滿足 1 級負荷供電需求，必須采用雙重電源輻射供電；如果將變電所中二次裝置或二次回路視為一個整體，把為其提供工作電源的直流電源視為規范中所述“變電所操作電源”，則變電所直流電源采用單母線接線（2 路進線）即可滿足規范要求。

圖1 單母線分段接線示意圖

圖2 單母線接線示意圖

根據 GB 50052-2009《供配電系統設計規范》第 3.0.1 條規定，符合下列情況之一時，應視為 1 級負荷[4]：

（1）中斷供電將造成人身傷害時；

（2）中斷供電將在經濟上造成重大損失時；

（3）中斷供電將影響重要用電單位的正常工作時。

城市軌道交通一般有主變電所、牽引降壓混合變電所、牽引變電所、降壓變電所、跟隨式降壓變電所等5種類型的變電所，對任一種變電所而言，當變電所中單個二次裝置或二次回路工作電源中斷時，均不會產生上述后果；當變電所直流電源中斷供電時，將會導致整座變電所退出運行，但不同類型變電所退出運行后，對城市軌道交通影響范圍存在較大差異。

（1）主變電所。主變電所是城市軌道交通供電系統的心臟，一般工程中均設置 2 座以上主變電所，并通過環網電纜相互連接。當 1 座主變電所解列，在解列主變電所 35 kV 母線未故障的情況下，可通過調整運行方式，由其他主變電所對全線 1、2 級負荷進行供電；當主變電所直流電源中斷供電時，主變電所將整體退出運行，此時雖然 35 kV 母線未發生故障，但是由于微機繼電保護裝置無工作電源，35 kV 母線不能投入運行，將會造成本線部分區段停運，在資源共享的情況下，將影響 2～3 條線的正常運行。

（2）牽引變電所。牽引變電所主要為列車提供牽引電源，1 座牽引變電所解列為牽引供電系統設計考慮的工況之一。當牽引變電所直流電源中斷供電時，由于直流越區隔離開關失電，無法通過控制中心遙控形成雙邊供電，需要運營人員到現場手合越區開關，時間較長，在此期間可根據具體情況采用單邊供電（供電能力不夠時需限制行車對數）或者采用區間折返等降級運行模式。

（3）降壓變電所。降壓變電所主要為車站及區間動力、照明負荷提供電源。當降壓變電所解列時，由于車站內特別重要的1級負荷均設置有備用電源，因此，車站可以在一段時間內維持基本運行，但是服務水平有所下降。

（4）跟隨式降壓變電所。跟隨式降壓變電所一般僅為遠離車站降壓變電所的動力、照明負荷供電。與降壓變電所一樣，當跟隨所解列時，不會影響車站的基本運行，但服務水平有所下降。

（5）牽引降壓混合變電所。牽引降壓混合變電所是牽引變電所與降壓變電所的合建所，其解列后對城市軌道交通的影響包含（2）、（3）所述。

此外，隨著高頻開關電源技術的發展，城軌工程中直流電源均采用高頻開關電源模塊型充電裝置，其整流模塊可以更換，且有冗余，可靠性相對較高，一般不做整套充電裝置的備用[5]。在此背景下，圖1所示的單母線分段接線在饋線母排上一級依然存在匯流母排，無法形成相互獨立的 2 路整流電源，即便對重要負荷實現雙回路饋電，也主要是實現了電纜線路的備用，而此需求單母線接線同樣可以實現。因此，DL/T 5044-2014《電力工程直流系統設計技術規程》第 3.5.1 條規定：1 組蓄電池配置 1 套充電裝置時，宜采用單母線接線[5]。

從以上分析可以看出，將 GB 50157-2013《地鐵設計規范》第 15.5.1 條所述“變電所操作電源”理解為變電所直流電源更為合理，直流電源采用單母線接線即可滿足規范要求。考慮到主變電所直流電源中斷后對城市軌道交通正常運行將產生重大影響，且主變電所數量不多，其直流電源采用單母線分段較為合理，條件允許時，2 段母線應分開配屏，減小 2 段母線同時故障的概率；對于其他類型的變電所，由于直流電源中斷供電對城市軌道交通的正常運行影響較小，且變電所數量較多，直流電源采用單母線接線滿足規范要求，使系統接線更加簡單，運行更加可靠，同時減少了元器件及線纜數量，可以節省工程投資、減少維護工作量。

2 母線額定電壓

直流電源母線額定電壓有3種，即 DC220V、DC110V 與 DC48V。DC220V 與 DC110V 廣泛應用于各種變電站，DC48V 主要用于有配電網自動化的環網柜與箱式變壓器[6]。

DL/T 5044-2014《電力工程直流系統設計技術規程》對直流系統標稱電壓要求如下[5]：

（1）專供控制負荷的直流系統宜采用 110 V，也可采用 220 V；

（2）專供動力負荷的直流系統宜采用 220 V；

（3）控制負荷和動力負荷合并供電的直流系統采用 220 V 或 110 V。

其條文說明如下。

（1）對于控制負荷，一般電流較小，宜采用110 V，特別是中、小型變電所，無電動機負荷，目前斷路器均采用液壓或彈簧操動機構，合閘電流只有 2～5 A，供電距離較短，主要是控制負荷，更有條件采用 110 V。

（2）動力負荷的功率一般較大，供電距離較長，采用 110 V 時，電纜截面較大，投資增加，通過經濟技術比較，采用 220 V 較好。

（3）有些工程的配電裝置規模較大，距離控制室又遠，控制負荷如采用 110 V 電壓，控制電纜的截面雖然選擇很大，但往往無法滿足要求。因此，可以采用220 V 電壓，同時向控制負荷和動力負荷供電；反之，可采用 110 V 電壓。

城軌各類變電所中高壓交流斷路器均采用彈簧操作機構，直流斷路器合閘線圈功率一般在 2 000 W 以下，上網隔離開關電機額定功率一般在 150 W 左右；變電所規模較小，主要負荷集中在 50 m 范圍以內，負荷以控制負荷為主，基本沒有動力負荷，因此，具備采用 110 V電壓的條件。《電力工程電氣設計手冊——電氣二次部分》中對采用 110 V 電壓的優點描述如下[7]。

（1）110 V 的網絡較小，提高了操作電源系統的可靠性和供電質量。

（2）110 V 直流系統要求的絕緣水平較低，提高了運行的安全性，同時減少了中間繼電器線圈斷線和接地故障。110 V 繼電器觸點斷開時的干擾電壓幅值下降，可提高設備工作的可靠性。

（3）蓄電池個數和蓄電池室的面積減少，簡化了安裝和維護。

《電力工程電氣設計手冊——電氣二次部分》中對采用 110 V 電壓的缺點描述如下[7]：

（1）當發電廠設 2 種直流系統 220 V 和 110 V 時，增加了蓄電池組數，使投資稍有增加，布置也較困難；

（2）控制回路截面較大；

（3）220 V 直流電源對變電所的事故照明比較有利，接線簡單，切換回路可以簡化，而用 110 V 時則要采用逆變電源裝置或其他方法解決事故照明的供電問題。

針對城軌變電所，上述缺點描述中第（1）條并不適用；考慮到降低電纜斷線的機率，電纜截面降低到一定程度即不再降低，如《工業與民用配電設計手冊》提出“由直流屏引出的控制、信號饋線應選擇銅芯電纜，其截面不宜小于 4 mm2”，城軌變電所因其規模小，負荷電流小，從多個工程的實踐來看，無論直流電源采用 110 V 還是 220 V，電纜截面均以 4 mm2為主，其次為 6 mm2，極少采用 4 mm2以下和 10 mm2以上電纜，因此，缺點描述中第（2）條所述控制電纜截面問題也不存在；城軌車站變電所事故照明一般由車站應急電源（EPS）統一供電，主變電所因獨立設置，一般由直流電源供電，但是主變電所數量較少，因此，缺點描述中第（3）條所述，在城軌領域沒有明顯優勢。

通過以上分析，可以看出城軌直流電源采用 110 V電壓等級具有明顯優勢，工程中應優先考慮。

3 結論

城市軌道交通變電所具有規模小、負荷功率小、負荷分布集中等顯著特點，工程設計中應針對變電所的特點確定直流操作電源的接線和額定電壓。本文以地鐵各類變電所為參照進行了分析，推薦直流電源采用單母線接線、DC110V 額定電壓為主的方案。該方案滿足規范要求，且具有接線簡單、電池數量少、投資節省等特點，該方案也適用于輕軌、單軌、中低速磁懸浮、有軌電車等軌道交通工程。