直流有軌電車箱式變電站小型化方案探討

鄧振民，劉波峰

0 引言

隨著我國城市化進程的不斷推進，城市人口規(guī)模迅速增長，給環(huán)境及交通帶來嚴(yán)峻考驗。現(xiàn)代新型城市軌道交通在城市發(fā)展中迎來新的機遇，發(fā)展公共交通、堅持可持續(xù)發(fā)展的綠色交通是解決這些問題的有效措施。有軌電車為100%低地板輕軌車，具有節(jié)約成本、節(jié)約能源和方便乘客等優(yōu)點，是一種“綠色”的交通工具，在新興城市、大城市支線以及中小城市均具有廣闊應(yīng)用前景。

1 直流有軌電車箱式變電站系統(tǒng)簡介

有軌電車牽引降壓供電系統(tǒng)主要采用35、20、10 kV 等級電壓，我國中壓網(wǎng)絡(luò)以10 kV 為主，基于電壓等級越高，輸電容量越大以及送電距離遠(yuǎn)、損耗大考慮，應(yīng)優(yōu)先選用10 kV 交流電源。

箱式變電站作為有軌電車供電系統(tǒng)的核心部分，其主要由中壓開關(guān)柜、整流變壓器、整流器柜、大功率充電裝置、輸出上網(wǎng)隔離柜、動力變壓器、低壓配電柜、交直流電源柜、綜合控制系統(tǒng)等組成。引入的10 kV 城市交流電源通過變壓器牽引降壓后再經(jīng)整流斬波向接觸網(wǎng)輸送1 500 V 直流電，為列車運行提供動力電源。圖1 為小型化箱式變電站供電系統(tǒng)主接線圖。

圖1 小型化箱式變電站供電系統(tǒng)主接線

2 直流有軌電車箱式變電站小型化方案

2.1 變壓器的創(chuàng)新設(shè)計

為了減小變壓器的體積，進而縮小箱變中變壓器的占用空間，從整流變壓器與動力變壓器合二為一、變壓器新材料的應(yīng)用、電力電子變壓器設(shè)計等方面進行變壓器創(chuàng)新設(shè)計研究。

2.1.1 整流變壓器與動力變壓器合二為一

在傳統(tǒng)地鐵牽引變電所中，由于動力變用電需求較大，且布置場地充裕，整流變壓器和配電變壓器通常單獨設(shè)置。針對儲能式有軌電車系統(tǒng)對箱變結(jié)構(gòu)緊湊化要求較高，而配電用電需求較少的特點，將動力變壓器與12 脈波整流變壓器合二為一，采用多繞組共鐵心，一次繞組接牽引整流變壓器，二次側(cè)輸出兩個繞組，一個作為整流交流輸入，另一個作為配電輸入，組合設(shè)計，次邊引多繞組，多繞組共鐵心及一次繞組，變壓器結(jié)構(gòu)尺寸變動較小，可節(jié)省設(shè)備的占地面積。整流變壓器采用12脈波整流的6 繞組3 層線圈結(jié)構(gòu)，動力繞組置于最內(nèi)側(cè)，高壓繞組居中，整流繞組置于最外側(cè)。對變壓器整合后，10 kV 開關(guān)柜數(shù)量相應(yīng)減少，由原先的4 面減少為3 面，大大降低制造成本和使用成本。圖2 所示為整合變壓器繞組原理。

圖2 整合變壓器繞組原理

2.1.2 變壓器中新材料的應(yīng)用

隨著變壓器技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)要求越來越高，新型材料的應(yīng)用已經(jīng)成為輸配電系統(tǒng)降低損耗、減小體積、節(jié)能環(huán)保的一個重要措施，包含非晶合金材料、NOMEX 絕緣材料和新型變壓器油等的廣泛使用。非晶合金鐵心具有高飽和磁感應(yīng)強度和低損耗的特點，制作的變壓器空載損耗大大降低；變壓器油是油浸變壓器的絕緣介質(zhì)，具有代表性的新型變壓器油有植物油，其特點是燃點高、防火性能好，相比于采用普通變壓器油，采用新型變壓器油的變壓器沖擊耐壓水平高，絕緣強度高，絕緣設(shè)計無需增加外絕緣厚度，環(huán)保節(jié)能，使用壽命長。

對于干式變壓器體積影響比較明顯的是絕緣材料，NOMEX 絕緣材料具有耐高溫、防潮性能好、耐短時電場強度高的特點，在各類干式變壓器中廣泛應(yīng)用，多用于線圈的層間及端絕緣、導(dǎo)線繞扎、層隔絕緣、分段與箱體絕緣、繞圈端部填料、隔板與隔棒等。相同損耗要求下，采用NOMEX 絕緣紙材料可以減小銅線線徑，進而減小線圈體積；相比于普通電纜紙，耐短時電場強度更高，可以大大完善變壓器設(shè)計，減少電損耗，提高備用能力，增強安全性與可靠性，并減少導(dǎo)體和鐵心用鋼量，從而縮小變壓器尺寸，降低成本。變壓器體積減小的同時性能更穩(wěn)定，適應(yīng)環(huán)境能力更強，促進有軌電車箱變小型化的研究。

2.1.3 電力電子變壓器設(shè)計

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展與成熟，電力電子元器件性能的提高和成本逐漸降低，電力電子變壓器（Power Electronic Transformer，PET）將在多個領(lǐng)域內(nèi)得到廣泛應(yīng)用，其是一種將電力電子器件及相關(guān)控制技術(shù)和高頻變壓器相結(jié)合，實現(xiàn)將不同電力特征電能進行轉(zhuǎn)換的新型智能變壓器，其突出優(yōu)點在于體積小、重量輕。電力電子變壓器通過變壓器原、副邊電壓源變換器對其交流側(cè)電壓幅值和相位的實時控制，可實現(xiàn)變壓器原、副邊電壓、電流和功率的靈活調(diào)節(jié)。電力電子變壓器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)逐漸由簡單到復(fù)雜、由單級到多級發(fā)展，功能不斷增強，容量也隨之提高。根據(jù)電能變換中是否含直流環(huán)節(jié)，電力電子變壓器可分為兩大類：交-交型PET和交-直-交型PET，如圖3 和圖4 所示。

圖3 交-交型PET

圖4 交-直-交型PET

變壓器體積主要由鐵心和繞組導(dǎo)線面積決定。變壓器容量S（V·A）可以表示為

式中：K為銅導(dǎo)線飽和因數(shù)；f為勵磁頻率，Hz；A1、A2分別為鐵心和繞組導(dǎo)線面積，m2；J為導(dǎo)體的電流密度，A/m2；B為最大磁通密度，T。

通常，一旦確定了鐵心和繞組的材料，也就確定了K、J 和B 的數(shù)值，由式（1）可得

若變壓器容量不變，則變壓器體積與頻率成反比，提高頻率即可減小變壓器體積。電力電子變壓器代替?zhèn)鹘y(tǒng)變壓器在城市軌道交通直流有軌電車箱式變電站內(nèi)的應(yīng)用，將大大減小使用面積，進而減小箱變的整體體積。

2.2 5G 技術(shù)應(yīng)用下的有軌電車箱變各設(shè)備整合

5G 技術(shù)是在原有4G 基礎(chǔ)上進行優(yōu)化改進的新型移動通信技術(shù)，5G 系統(tǒng)內(nèi)部具有容量帶寬大、傳輸速率高、功耗延時低等特點，可實現(xiàn)大規(guī)模設(shè)備互聯(lián)互通。圖5 所示為5G 智能分布配電自動化網(wǎng)絡(luò)。

圖5 5 G 智能分布配電自動化網(wǎng)絡(luò)

以5G 網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)可以支持實現(xiàn)智能分布式配電自動化，通過智能配電終端高速通信網(wǎng)絡(luò)，與同一供電環(huán)路內(nèi)相鄰智能分布式配電終端實現(xiàn)信息互交。根據(jù)預(yù)設(shè)條件自動實現(xiàn)故障定位、故障隔離、非故障區(qū)域恢復(fù)，可實現(xiàn)故障快速隔離和自愈，提高了供電可靠性。而通信網(wǎng)將不再局限于有線方式，可采用無線方式，通過定位傳輸實現(xiàn)互聯(lián)互通。

2.2.1 整流器、直流開關(guān)柜、充電裝置、隔離上網(wǎng)柜整合

整流器、直流開關(guān)柜、充電裝置、隔離上網(wǎng)柜這四部分可統(tǒng)一歸屬于直流系統(tǒng)，突破傳統(tǒng)獨立設(shè)柜模式，采用一次設(shè)備按順序分開設(shè)置，二次設(shè)備集中設(shè)置，這種模塊化設(shè)計支持多支路投切及擴展，靈活性強。圖6 所示為直流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

圖6 直流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

當(dāng)車站內(nèi)上下行同時停靠有軌電車時，考慮兩套充電裝置分別對有軌電車滿載充電時的特殊情況，整流變壓器采用1 250 kV·A 容量設(shè)計，能夠滿足過載300%，充電1 min 要求。若機車不同時充電，整流可按1 000 kV·A 設(shè)計，斬波橋臂相應(yīng)可以減少1 組。圖7 所示為直流系統(tǒng)原理，圖中包括1 面整流器柜、1 面正負(fù)極柜、2 面斬波柜、1面出線柜，本研究方案按機車同時充電考慮。

圖7 直流系統(tǒng)原理

2.2.2 低壓配電柜、交流屏、綜合自動化系統(tǒng)整合

交流屏屬于一種低壓配電柜，主要進行電力分配，低壓配電柜是箱式變電站內(nèi)照明、通風(fēng)散熱、監(jiān)控系統(tǒng)等交流負(fù)載的配電設(shè)備，采用交流屏配電是為了集中有效地控制和監(jiān)視低壓交流電源對用電設(shè)備的供電；而分散的供電系統(tǒng)通常采用交流配電柜。箱式變電站多集中供電，完全可以取消低壓配電柜，所有負(fù)載用電均由交流屏引出。

傳統(tǒng)箱式變電站交流配電系統(tǒng)配有專門的開關(guān)狀態(tài)、電壓電流信號監(jiān)測裝置，再通過綜合自動化系統(tǒng)上傳至調(diào)度中心。綜合自動化系統(tǒng)是將箱式變電站的二次設(shè)備（包括儀表，信號系統(tǒng)，繼電保護，自動裝置和遠(yuǎn)動裝置）經(jīng)過功能組合和優(yōu)化設(shè)計后，利用先進的計算機技術(shù)、電子技術(shù)和通信及信號處理技術(shù)，實現(xiàn)對全變電站的主要設(shè)備和輸配電線路的自動監(jiān)視、測量、自動控制和微機保護以及與調(diào)度的通信等綜合性自動化功能。

從上述分析可知，低壓配電柜和交流屏可以在饋線開關(guān)回路上進行合理優(yōu)化配置；而綜合自動化系統(tǒng)在功能上完全可以直接采集低壓開關(guān)狀態(tài)和電壓電流信號，無需獨立設(shè)置采集模塊，避免冗余，避免不同盤柜間接口不匹配；整合后的柜體外形尺寸將大大減小。

2.2.3 直流屏與UPS 主機功能整合

直流屏主要為開關(guān)柜、綜合保護裝置等提供操作電源或控制電源，將交流電整流為直流電，為外界負(fù)載供電。正常情況下，由充電單元對蓄電池進行充電的同時向負(fù)載提供直流電源；當(dāng)控制負(fù)荷或動力負(fù)荷需要較大沖擊電流時，由充電單元和蓄電池共同提供直流電源；當(dāng)交流電源中斷時，由蓄電池單獨提供直流電源。直流屏工作原理如圖8 所示。

圖8 直流屏工作原理

UPS 主要為機房、計算機等提供后備電源，推薦采用3N 雙總線運行方式，提高設(shè)備利用率，節(jié)省設(shè)備配置數(shù)量；先將交流電整流為直流電，再經(jīng)過逆變單元，將直流電逆變?yōu)榻涣麟姙橥饨缲?fù)載供電。交流電源正常時，交流電源旁路直接為負(fù)載供電；當(dāng)交流電源中斷時，蓄電池組經(jīng)逆變回路輸出交流電為負(fù)載供電。UPS 主機工作原理如圖9 所示。

直流屏和UPS 主機二者在交流電源故障時均由蓄電池組對外供電，均配置了整流充電模塊，因此完全可以將直流屏和UPS 主機在功能上合二為一，實現(xiàn)供配電全鏈路監(jiān)控，故障快速定位，提升可靠性，減少冗余配電，減小柜體尺寸，功能整合后的工作原理如圖10 所示。

圖9 UPS 主機工作原理

圖10 直流屏與UPS 主機功能整合后的工作原理

2.2.4 直流屏電池與UPS 電池整合

通過上述直流屏和UPS 主機工作原理分析，二者在交流電源故障時均由蓄電池組對外供電，完全可以將直流屏電池組和UPS 電池組根據(jù)容量需要設(shè)置為一組，減少冗余，減少資源浪費，同時減小箱式變電站占用空間。

2.3 中壓開關(guān)柜選型優(yōu)化

中壓開關(guān)柜選型從絕緣介質(zhì)、使用環(huán)境、體積、成本、維護方式等多方面考慮。結(jié)合箱式變電站應(yīng)用經(jīng)驗，傳統(tǒng)有軌電車箱式變電站多采用空氣絕緣AIS 柜和中壓氣體絕緣C-GIS 柜，總體看這兩種類型的中壓柜外形體積較大。小型化箱式變電站使用的中壓柜不僅要求功能齊全、安全性高，還需考慮體積小，免維護。表1 為不同類型中壓開關(guān)柜對比。

表1 不同類型中壓開關(guān)柜對比

綜合考慮，建議采用固體絕緣中壓柜，其不僅體積小，適用于各種惡劣環(huán)境，而且免維護，箱式變電站內(nèi)無需預(yù)留檢修空間，完全符合箱式變電站小型化的理念。

2.4 箱式變電站整體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

箱式變電站內(nèi)各設(shè)備設(shè)計緊湊，箱內(nèi)各設(shè)備操作檢修均采用柜前接線，柜前檢修，操作方便。優(yōu)化前箱式變電站按功能區(qū)布置，分直流模塊、中壓模塊、控制弱電、變壓器模塊；優(yōu)化后箱式變電站打破分模塊布置模式，保留了原有箱變的所有功能，中壓開關(guān)柜按免維護設(shè)計，結(jié)構(gòu)布置更緊湊、合理。圖11 所示為優(yōu)化前后箱式變電站結(jié)構(gòu)布置。

圖11 箱式變電站結(jié)構(gòu)布置

3 結(jié)語

有軌電車已在大城市得到廣泛應(yīng)用，且大多應(yīng)用于人流密度大經(jīng)濟較發(fā)達(dá)的城市中心地區(qū)。直流有軌電車箱式變電站規(guī)模較大，設(shè)備多，導(dǎo)致占地面積較大，征地成本高昂，箱式變電站小型化將會帶來較好的經(jīng)濟效益和社會效益。

本文從變壓器創(chuàng)新設(shè)計、5G 技術(shù)在智能變配電領(lǐng)域的自動化控制和信息采集應(yīng)用、設(shè)備功能整合、中壓開關(guān)柜選型、箱式變電站整體結(jié)構(gòu)設(shè)計等方面進行箱式變電站方案優(yōu)化，優(yōu)化后的箱式變電站功能齊全，占地面積較優(yōu)化前大大減小。