特大型火車客運站供配電系統探討

胡艷文, 李 軍, 魏素軍

(中南建筑設計院股份有限公司,武漢 430071)

0 引言

我國經濟的發展,社會的進步促使城市聯系和人們交往日益密切,高鐵為人們的出行提供了極大的便利。 高鐵客運站作為以客運業務為主的現代化建筑,不僅是交通樞紐,也是當地的城市名片,其供電可靠性尤為重要。 本文現結合國內3座已建成的省會城市高鐵客運站,對其供配電系統進行探討。

1 車站介紹

文中列舉的3 座省會城市高鐵客運站為特大型線上式車站,是全國性的交通樞紐。 車站主要由出站通道層、站臺層、辦公及功能用房夾層、高架候車層及商業夾層組成。 出站通道層主要功能為出站及城市地鐵聯系通道;站臺層主要功能為基本站臺候車大廳、客運相關用房、站臺及雨棚;高架候車層主要功能為高架跨線候車室。

2 電氣配合界面

除站房內變電站、自閉貫通線10kV 變配電室、信號10kV 變配電室電氣部分及其站房的10kV 外部接入電源由鐵道設計院負責設計外,站房內其他供配電系統由民用建筑院設計。

3 用電負荷分級

根據國家及行業規范標準,特大型高鐵客運站主要用電負荷分級見表1。

4 變配電系統

4.1 10kV 供電電源

特大型客運站建筑規模大、站臺多,其10kV 配電所一般設置于站臺區域兩側的站房內。 經與當地供電公司溝通及鐵道設計院配合,每間10kV 配電所從變電站內兩個不同主變的10kV 側母線段引2 路10kV 電源供電。 10kV 進線電源情況詳表2。

火車客運站供電網路示意圖如圖1～5 所示。

4.2 10kV 配電系統

(1)考慮到以上客運站為特大型客運站,站房面積大,聚集人數眾多,為保證人員安全和供電可靠性,每間10kV 配電所的10kV 系統采用全主全備運行方式。 系統主接線為單母線分段,中間設置聯絡,平時每段10kV 母線分別負擔所帶的負荷,當其中1 路電源故障或檢修時,另1 路電源負擔10kV 電源所有負荷。

特大型高鐵客運站用電負荷等級表 表1

10kV 電源進線表 表2

(2)10kV 配電設備采用GIS 鎧裝開關柜,相比傳統的KYN28 型等高壓開關柜,GIS 高壓開關柜具有占地面積小、元件全部密封且不受環境干擾、運行可靠性高、運行方便、檢修周期長、維護工作量小、安裝迅速、運行費用低、無電磁干擾等優點。

(3)10kV 繼電保護要求:1)進線PT 柜:設母線絕緣監測保護;2)進線斷路器柜:設低電壓、定時限過流、電流速斷保護;3)母聯斷路器柜:設備自投、電流速斷保護;4)饋線斷路器柜:設定時限過流、電流速斷、變壓器溫度保護。

圖1 杭州東站供電網絡示意圖

圖2 鄭州東站西區供電網絡示意圖

圖3 鄭州東站東區供電網絡示意圖

圖4 西安北站北區供電網絡示意圖

圖5 西安北站南區供電網絡示意圖

(4)10kV 繼電保護整定應滿足可靠性、選擇性、靈敏性、速動要求,整定值及動作時限一般按如下取值,并需滿足當地供電部門相關規定。

1)繼電保護的最小靈敏系數:過流保護1.5,速斷保護2.0,后備保護1.3～1.5。

2)繼電保護的可靠系數:過流保護1.2,速斷保護1.3,過負荷保護1.1～1.2。

3)上下級繼電保護的選擇性:速斷保護選擇性,動作電流之比≥1.1;過流保護選擇性,時間差0.2～0.5s。

4.3 應急自備電源

采用0.38kV 柴油發電機組作為應急電源,在站臺兩側的站房內鄰近10/0.4kV 變電所各設1 處柴油發電機房,主要保證消防負荷及其他重要一級負荷供電。 當火災發生時,由火災自動報警系統發信號,斷開非消防負荷,發電機專供消防負荷。 柴油發電機的啟動:當兩路10kV 市電均停電時,由其進線PT 柜給出的與門信號,自動啟動發電機組,于15s 內達到額定電壓輸出,當市電恢復時,發電機延時停機。

4.4 EPS 電源

消防應急照明和疏散指示系統采用集中控制型,自備蓄電池作為應急電源,蓄電池逆變電源采用EPS 應急電源。

4.5 UPS 電源

為滿足鐵路通信、信號、票務、信息化等系統,站房內火災自動報警系統、機電設備管理系統等不間斷供電的時間要求,除按雙電源供電、末端自動切換外,還在其主機房(電源室)都配置了獨立的UPS 配電系統。

4.6 變配室低壓配電

采用單母線分段接線,兩段母線同時工作、互為備用,聯絡開關設自動投入和手動投入,手動復位轉換開關。 自投時應由SCADA 系統自動斷開非保證負荷,以保證變壓器正常工作。 低壓主進開關與聯絡開關之間設機電連鎖,任何情況下只能合其中的兩個開關。

4.7 變配電智能化綜合監控系統

高低壓變配電系統采用智能數字儀表實現變配電智能化綜合監控,站房內部聯網并預留與機電設備管理系統及與上級單位聯網的接口。

4.8 電力遠動系統

電力遠動系統由監控主站、遠動終端及遠動通道組成,必要時需增設復式終端,由鐵道設計院負責實施,設計時配合在站房內10kV 配電所、變配電室、柴油發電機房的高低壓柜內預留RTU 裝置(或單獨設置RTU 裝置及其網絡控制柜)安裝位置,并將綜合繼電保護、RTU 等信號上傳至電力遠動系統。 當變配電智能化綜合監控系統儀表能滿足遠動技術要求時,也可利用智能儀表兼做遠動終端。

電力遠動系統在客運站房內的監控內容主要為:(1)10kV 配電設備及其綜合繼電保護;(2)各變配電室低壓側進線、聯絡斷路器運行狀態;(3)各變配電室低壓側一、二級負荷饋線回路斷路器運行狀態。

監控主站具備完善的SCADA 功能,能對客運站房內重要電氣設備回路斷路器進行實時監控。電力遠動系統不僅具備對變配電系統進行遙測、遙信、遙控及遙調基本功能,也還具備SOE、事故追憶、召喚時鐘、廣播命令等功能;并可配合變電室的視頻監控系統,以達到無人值守的要求。

5 電氣主要設備用房設置

因建筑布局和使用功能需要,線上式客運站電氣主要設備用房一般設置于站臺兩側的站房內。 3 座已建成的高鐵客運站電氣設備用房設置情況詳表2。

電氣設備用房設置情況表 表2

圖7 杭州東站主要剖立面示意圖

圖8 鄭州東站出站層電氣設備用房分布示意圖

圖9 鄭州東站主要剖立面示意圖

圖10 西安北站出站層電氣設備用房分布示意圖

圖11 西安北站主要剖立面示意圖

6 低壓配電系統

(1)低壓配電系統采用TN-S 制,采用樹干式與放射式相結合的方式,對重要的或用電量大的負荷采用放射式供電,對于分散的一般負荷或小容量負荷采用樹干式供電。

(2)各級負荷供電方式

一級負荷中的特別重要負荷:由兩個不同的變壓器及柴油發電機分別單獨供電、雙電源末端自動切換,鐵路及站房相關弱電系統末端還設置UPS 電源,應急照明配置EPS 電源。

一級負荷:由兩個不同的變壓器分別單獨供電,除了非消防公共區域照明(如候車廳、站臺雨棚等)采用分組交叉供電外,其余一級負荷雙電源末端自動切換。

二級負荷:由變壓器母線單獨供電,具備雙電源供電條件。 如無特殊要求,一般不設線路備用、雙電源在變壓器母線段處切換,不在末端配電箱切換。

一、二級負荷的配電回路應能保證,當成組供電的兩臺變壓器其中一臺變壓器故障、檢修時,另外一臺變壓器的供電容量能保證其供電。

三級負荷:無特殊配電要求。

(3)低壓配電線路的保護及其選擇性

快遞加盟連鎖模式不同于直營連鎖經營模式，是一種特殊的商業模式，相對于直營連鎖模式而言，加盟連鎖經營模式的優點在于投資門檻低，并且擴張速度快，加盟網點的建設需要加盟商投入大量的資金和設備。因此快遞企業的網點之間可以實現加盟，進行網點與網點之間的加盟，升級網點加盟模式，實現人員利益和公司利益捆綁，網點和網點之間可以進行信息、設備和資源的共享。這樣可以更好的維護加盟網點和人員之間的利益。

站房內所有配電線路一律進行過負荷保護、短路保護及接地故障保護校驗和熱穩定校驗。

為保證電源質量,所有低壓配電回路均應進行電壓降校驗。 針對特大型火車客運站10/0.4kV 變電所設置在站房兩側,部分站臺及雨棚、上下樓層用電負荷距離變配電室又比較遠,對這些區域用電負荷的供電電纜截面適當放大。 電纜截面規格不僅要滿足線路電壓降在用電設備電壓偏差允許值范圍,也應注意當低壓斷路器作間接接觸防護時,低壓斷路器選擇和整定應滿足銅芯電纜最大允許長度的要求,可參照《工業與民用供配電設計手冊》(第四版)第11 章表11.2～4 進行校核。

7 小結

通過以上3 座建筑規模相當的特大型線上式火車客運站的簡要介紹,筆者認為供配電系統相似之處頗多:10kV 配電所、0.4kV 柴油發電機房、大部分10/0.4kV 變電所均設置于站臺兩側的站房內;每間10kV 配電所均從變電站兩個不同主變的10kV 側母線段引2 路10kV 電源,采用全主全備的運行方式,主接線為單母線分段,中間設置聯絡。 雖然3 座火車客運站變壓器的總裝機容量相差不大,但是站房內10kV 配電所及10/0.4kV 變電所位置與數量有所不同,這也是供配電系統設計中需要探討的問題。

7.1 10kV 配電所設置

由于每座城市的電網結構及10kV 配電所容量規模要求可能不同,會導致10kV 配電所設置及其系統會存在差異,設計時須與當地供電部門、鐵道設計院密切溝通配合。

杭州東站站房內采用2 路35kV 市政電源供電,在站房內設置1 座35/10kV 變電站,給站房內4 間10kV 配電所供電,每路線路供電容量≤10 000kVA。

鄭州東站和西安北站在站房外設置了1 座110/10kV 變電站,給站房內2 間10kV 配電所供電,每路線路供電容量≤17 000kVA。

7.2 10/0.4kV 變電所設置

針對這類規模的特大型火車客運站,站房平行和垂直于站臺方向的尺寸約200 ～250m 和400 ～500m。 設計時,除大型冷凍機組及配套水泵等季節性負荷就近設置10/0.4kV 變電所供電外,其余照明電力負荷按供電分區設置變配電室供電。 在不影響建筑功能布局及交通流線的情況下,盡量將各變電所設置在供電分區的負荷中心。

(1)可將整個客運站房分四個供電區域,詳見四供電分區示意圖(圖12)。 在每個供電分區設置10/0.4kV 變電所供電,將供電距離＞250m 的中間站臺雨棚區域及其上下樓層的用電負荷電纜規格適當放大,并進行電壓降校驗。 此方案雖經濟性較低,但維護操作方便,不失為一種較好的解決方案。

圖12 四供電/八供電分區示意圖

(2)可將整個客運站房分六個或八個供電區域,以下按八供電分區進行介紹,供電分區詳見八供電分區示意圖1(圖12)。 四個分區變配電室設置在兩側站房內,中間四個供電分區變配電室可設置在站臺上面的高架層或馬道上、下面出站層。 因站臺層設置于出站層和高架層中間,電氣豎井很難垂直貫通,可在站臺上面和下面樓層分設10/0.4kV 變電所。 此方案雖經濟性較好,但設計配合實施難度較大。 中間供電分區10/0.4kV 變電所設置方案。

1)設置在高架層,負責中間區域站臺、雨棚、上方馬道、高架層及夾層的用電負荷供電,但可能會影響站房高架層平面布局及交通流線,這種布置方案配合實施難度大。

2)設置在站臺上方馬道內,負責中間站臺區域、雨棚、上方馬道、高架層及夾層的用電負荷供電。 設計時,選擇規格≤1 000kVA 的變壓器,并在站臺上方預留設備吊裝孔,檢修維護需經過兩側站房才能進入馬道。 但馬道夾層層高偏低,設備管線多,維護較為不便,若通過在站臺設置樓梯進入馬道,樓梯設置會影響站臺布局,維護人員通行路線也會影響旅客進站乘車。 考慮到在每間10kV 配電所及10/0.4kV 變電所設置了視頻監控系統及RTU電力遠動終端,能實時監控站房內變配電系統的運行,可減少現場檢修維護工作量,也不失為另一種較好的解決方案。

3)設置在站臺下方的出站層,負責中間站臺區域下方的樓層用電負荷供電,但可能會影響站房出站層平面布局及交通流線,需與建筑專業溝通協調,也不失為另一種較好的解決方案。

(3)可將整個客運站房分八個供電區域,詳見八供電分區示意圖2(圖12)。 兩端四個分區變配電室設置在兩側站房內,中間四個供電分區變配電室也設置在兩側站房內,可與兩端的四個變配電室分開設置。 因中間站臺區域上下樓層用電負荷距離變配電室較遠,電壓降大,在設計施工時可將中間供電分區10/0.4kV 變電所內無載調壓的干式變壓器高壓側分接頭調整至適當低檔,以提高變壓器低壓側輸出電壓,以保證遠距離的電氣設備電壓在允許的偏差范圍內,但距離較近的用電負荷不能接入中間供電分區變配電室,以免電壓偏高長時間運行造成電氣設備損毀。 這也給現場施工布線、電氣設備接線及后期運行維護管理帶來不便,從設備運行安全角度考慮,筆者不建議采用這種方案。

8 結束語

本文對已建成3 座特大型火車客運站電氣供配電系統相關內容進行了小結,限于篇幅,很多問題只提及并未進行深入分析計算。 因設計完成至今有十年左右,以及專業水平有限,一些陳述難免有不當之處。 通過此文,僅希望能給類似鐵路旅客站房及其他交通建筑電氣設計的工程師提供一些借鑒。