一種適用于城市軌道交通環線的中壓網絡接線方案

王開康

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，430063，武漢//高級工程師)

城市軌道交通(以下簡為“城軌”)環線可將城市市區各個片區緊密地連在一起，為各個片區提供便捷、快速的軌道交通，且片區無需因分布于不同線路而增加換乘次數。此外，環線可分散換乘客流，緩解換乘壓力。因此，許多大型城市在軌道交通線網中均考慮了環線，國外的如倫敦、新加坡、東京、莫斯科等；國內的如北京、上海、廣州、深圳、武漢、重慶、南京、成都、鄭州等。值得一提的是，北京已建成地鐵2號線和10號線2條環線，而上海在已建成4號線1條環線的情況下，建設第二條環線的呼聲越來越高。可以預測，隨著我國城軌的迅猛發展，各個城市線網規劃不斷修編、擴充，環線會越來越多地出現在各個城市。考慮到環線特征比較明顯，因此對其供電系統中壓環網接線方案進行有針對性的研究十分必要。

1 城軌中壓環網構成原則

城軌中壓環網縱向把上級主變電所和下級牽引變電所、降壓變電所連接起來，橫向把全線的各個牽引變電所、降壓變電所連接起來，實現電能的傳輸[1-2]。

根據中壓網絡功能的不同，為牽引變電所供電的中壓網絡稱為牽引供電網絡；為降壓變電所供電的中壓網絡稱為動力照明網絡[1-3]。目前，我國城軌新建工程基本以牽引動力照明混合網絡為主，并有向混合網統一的趨勢[4]。

中壓網絡的構成形式涉及很多方面，在電壓等級確定的前提下，應遵循以下原則[1]：① 滿足安全可靠的供電要求；② 每一個變電所均應有兩個獨立電源；③ 滿足潮流計算要求，即設備容量及電壓降滿足要求；④ 滿足負荷分配平衡的要求；⑤ 供電分區應就近引入電源，盡量避免反送電；⑥ 具有良好的經濟指標；⑦ 滿足繼電保護要求；⑧ 系統接線盡量簡單；⑨ 全線牽引變電所、降壓變電所的主接線盡量一致；滿足運營管理、倒閘操作的要求；滿足設備選型要求。

根據以上原則，我國近年建設的城軌線路中壓供電網絡大多采用了雙環網結構，開環運行方式：全線設置若干個供電分區，每個分區從外電源或主變電所引入兩回電源至分區的第一個變電所兩段母線，分區內變電所間采用雙回電纜構成環形連接；變電所中壓采用單母線分段接線，設母聯斷路器，并設置備用電源自投功能；為提供故障支援能力，在介于電源點之間的分區尾部設置聯絡電纜和環網分段開關。正常運行時，環網分段開關打開。當一回電源失電時，閉合變電所母聯斷路器，由另一回電源支援供電；當一處外電源(兩回)失電時，閉合環網分段開關，由另一處外電源進行支援供電。雙環網接線方案見圖1[1](以集中供電為例，分散供電類似。以下簡稱“傳統方案”)。該方案中網絡故障自愈采用的是“線路保護倒換”方式。其針對城市中“線型”貫穿城市的線路具有較強優勢，在滿足線路兩端的供電分區“每一個變電所均應有兩個獨立電源”的同時，又避免了迂回供電。

2 環線中壓環網接線新方案

圖1所示傳統方案應用于環線時，電源可靠性高，但其沒有結合環線特點進行針對性設計，變電所接線和運行方式較復雜，經濟性指標較差。

圖1 雙環網接線示意圖

考慮環線首尾貫通的線路特點，可以在全線沿線路構建兩條自愈單環供電網，每條自愈單環供電網分別從兩座主變電所引入電源，并在環網上適當位置設置分段開關用于故障自愈功能；每座車站變電所設置兩段單母線，每段母線通過斷路器串聯到一個單環內。基于單環自愈供電網的中壓環網接線方案如圖2所示。

圖2 環線中壓環網新方案示意圖

新方案因環網故障自愈方式變化，原方案中用于備用線路倒換的變電所母聯斷路器失去作用，因此可以取消。另外，傳統方案變電所母線維護接地是通過母聯柜內的斷路器和接地開關實現的，取消母聯斷路器后，可將原母聯開關柜內的接地開關直接設置到母線上。其余接線與傳統方案保持一致。新方案變電所主接線如圖3所示。

2.1 系統運行方式

正常運行時，環網分段開關處于分位，每座主變電所為本所供電范圍內的兩個分區提供電源。

當一臺主變壓器退出運行時，閉合主變電所母聯分段開關，由另一臺主變壓器為本所供電范圍內一、二級負荷提供電源。

當一座主變電所解列時，將解列主變電所所有出線斷路器分開，然后閉合4臺環網分段開關，由另一座主變電所為全線一、二級負荷提供電源。

2.2 變電所運行方式

正常運行時，變電所兩段母線分別由進線1、2提供電源，當任一進線失電時，閉合環網分段開關，由另一路電源為該段母線提供電源。

變電所直流牽引部分和低壓400 V部分運行方式與傳統變電所一致。

圖3 典型牽引降壓混合變電所主接線圖

2.3 安全自動裝置配置

為了實現環網一路電源失電時，系統自動切換到另一路電源，需在圖4中環網分段開關101處設置備用電源自投(以下簡為“備自投”)功能。

圖4 環網安全自動裝置配置分析示意圖

備自投的啟動條件如圖5所示，其中延時t需要與環網及母線電流后備保護的最長延時(一般不超過2 s)進行配合，確保故障點被隔離后，備自投再投入。

圖5 環網備自投邏輯圖

針對環網失電的3種情況，備用電源投入情況如下：

(1) 手分環網任一斷路器。如圖4所示，正常運行方式下，手分變電所1的101開關，此時備自投條件滿足，環網分段開關101合閘，變電所1～8由主變電所2提供電源。一般情況下，手分操作多與檢修相關，故如有需要，在環網分段開關101閉合后，可手分變電所1的102斷路器，實現對變電所1母線的檢修斷電。

(2) 任一環網電纜故障。如圖4所示，正常運行方式下，F1點發生短路，環網保護動作，切除故障電纜兩端的102、101開關后，備自投條件滿足，環網分段開關101合閘，變電所1～3由主變電所1提供電源，變電所4～8由主變電所2提供電源。

(3) 任一變電所母線故障。如圖4所示，正常運行方式下，F2點發生短路，變電所4的101開關保護動作跳閘，同時聯跳本所102開關，故障母線隔離后，備自投條件滿足，環網分段開關101合閘，變電所1～3由主變電所1提供電源，變電所5～8由主變電所2提供電源。

2.4 環網繼電保護配置

新方案中2座主變電所間劃分為2個供電分區，每個分區內變電所數量較多，故環網繼電保護配置宜采用縱差保護+數字通信過流保護+過流保護的方案。縱差保護作為環網電纜的主保護，數字通信過流保護作為母線的主保護和環網電纜后備保護，過流保護作為環網電纜和母線故障的后備保護[6]。新方案變電所中壓接線簡單，會大大簡化數字通信過流保護的邏輯關系；同時，由于減少了母聯開關，過流后備的時差配合也相對容易。

此外，為了更好地實現過流后備保護在大短路電流下的速動性，也可在環網進出線設置反時限電流保護，作為環網電纜和母線故障的后備保護。為便于保護配合，反時限電流保護應帶方向性，且同一供電分區內變電所的進線和出線方向應不同。

3 方案比較

新方案取消了傳統方案的母聯斷路器，并將母線接地開關直接設置到母線上；同時，備自投方案由每個變電所設置母聯備自投，調整為僅在環網分段開關設置備自投。本文從安全可靠性、經濟性、可實施性、運營管理等方面對兩種方案進行分析比較。

3.1 安全可靠性

新方案中每個變電所的電源依然為4回，所不同的是整流機組交流側母線電源由3回變為2回，而大量運行線路已證明，2回電源完全能夠滿足供電系統安全運行需求。對于動力照明負荷，由于400 V母線設置有聯絡開關，其電源可靠性不變。

新方案母線設置檢修用接地開關，與傳統方案通過母聯斷路器后用母聯柜接地開關接地比較，其接地回路簡單、直接，接地閉鎖關系簡化，操作快捷，系統安全可靠性會明顯提升。

變電所兩段母線間不設母聯斷路器后，電氣上基本無直接聯系，相互影響降至最低，系統可靠性提高。

與傳統方案相比，備自投方式調整后，針對不同的失電情況，均可啟動備自投，且備自投邏輯相同、邏輯關系簡單、恢復供電速度快，有利于系統的安全可靠運行。

3.2 經濟性

新方案較之傳統方案，每個變電所減少斷路器1臺、隔離開關2臺、充氣柜柜體2面、微機綜保裝置1套；每座變電所直接減少房屋面積約6 m2，如考慮中壓開關柜布置更加靈活的因素，可節省的房間面積將更多。根據目前城軌工程概算編制情況估算，每座變電所節省工程投資約40萬元人民幣。

針對環網電纜截面選擇，當一座主變電所解列由另一座主變電所支援供電時，由于傳統方案一般不再考慮環網電纜故障(此時變電所母聯斷路器不允許合閘)，故兩種方案此時的環網電纜負荷相同，新方案不增加環網電纜投資。

3.3 可實施性

新方案僅對環網接線、保護配置、安全自動裝置等進行了簡單調整，且所采用的方案均為工程常用方案，工程實施時不需要進行特殊研究。

城軌變電所用房中，中壓開關柜由于數量多、體積大，在設備布置時往往比較困難。新方案減少2面中壓母聯柜，且兩段中壓母線間無電氣連接，在進行平面布置時兩段母線可分開布置，因此體積大幅減小，布置將更加靈活，工程實施更加容易。

城軌環線兩座主變電所間的任一變電所均可從不同主變電所引入2回以上電源，電源可靠性高，故而兩座主變電所間一般設置2個供電分區即可，而每個分區的變電所數量一般都會超過4個，需設置數字通信過電流保護作為母線主保護，同時兼做環網電纜的后備保護。新方案因兩段母線間不存在電氣聯系，且運行方式簡單，故而數字通信過電流保護較傳統方案在保護邏輯、二次接線方面可大大簡化，有利于工程實施。

3.4 運營管理便利性

如前所述，新方案運行方式簡單、閉鎖邏輯簡化[5]、二次回路接線少，將更加有利于運營管理。此外，由于變電所設備減少，也可減少運營維護工作量。但是，由于其運行方式與傳統方式不同，且一般環線建設時既有線路已處于運營階段，故可能會有來自運營部門的不同意見。不過整體來講，新方案對運營管理的改變是微小的，且是向好的方向改善，同時軌道交通線路一般按線進行運營管理，不同線路間存在差別也可接受。

4 結語

環網接線方案是城軌供電系統設計的主要內容之一，除滿足安全可靠要求外，還應充分考慮經濟性、工程可實施性和運營管理的便利性。

本文結合城軌環線特點提出的基于自愈單環供電網構成的城軌環線中壓網絡接線方案，僅取消了傳統方案的變電所母聯斷路器，調整了接地開關安裝位置，并對備自投方案及運行方式進行了針對性設計，其安全可靠性滿足城軌工程要求，且在經濟性、工程可實施性、運營管理便利性等方面具有明顯優勢。

目前，我國城軌建設迎來了一個新的發展機遇，在建及擬建環線越來越多，在具體的環線設計中應根據工程實際情況，條件具備時可優先選用此新方案。