城市軌道交通中壓供電網絡分區劃分的工程應用*

戴麗君 楊立新 張喜海 成明華

(1.南京鐵道職業技術學院鐵道供電系， 210031， 南京； 2.中國鐵路設計集團有限公司， 300251， 天津；3.中國鐵路上海局集團有限公司徐州供電段， 221000， 徐州∥第一作者， 副教授)

中壓網絡是由兩條以上與軌道交通線路平行敷設的電纜線路構成，其作用縱向把上級的主變電所和下級的牽引變電所、降壓變電所連接起來，橫向把全線的各個牽引變電所和降壓變電所連接起來[1]。環網投資在供電系統中占比較大，因此有效降低中壓環網投資成牽引供電系統設計中亟待解決的問題。中壓環網分區劃分與每個分區所帶變電所數量及電纜截面積密切相關。電纜截面積直接影響環網投資，同時分區內變電所數量對供電可靠性及中壓網絡保護的時限配合帶來一些問題。本文將對目前國內的中壓網絡保護方案優缺點進行分析，結合實際工程對比不同分區方案中的電纜截面積及保護選擇，可供設計參考。

1 軌道交通供電系統中壓網絡保護方案

目前,我國直流牽引供電系統中壓環網的保護方案主要有兩種：一種是光纖縱差保護+后備過流保護；一種是電流選跳保護+后備過流保護[2]。其各自的基本原理與主要特點如下。

1.1 光纖縱差保護基本原理

縱聯差動保護是以電流比較為基礎的。在線路的兩端各安裝一臺保護裝置，兩側的保護裝置分別測量本地的電流，同時通過光纖連接將對側的電流參數傳動到本地保護裝置中進行電流大小和相位的比較。當比較電流的差值超出設定的整定值，線路兩端的斷路器就會同時跳閘，如圖1所示。

1.2 電流選跳保護基本原理

電流選跳保護是以過流保護裝置間的直接通信功能為基礎。它通過邏輯編程，對線路兩端過流保護裝置的電流元件動作與否進行比較來判別線路故障區段，實現選擇性地切除故障線路。

圖1 中壓網絡保護原理示意圖

1.3 兩種線路保護方案的性能比較

1) 保護性能。若光纖縱差保護與電流選跳保護作為中壓網絡的主保護，由于保護原理的差別，兩種方案的動作時間差別比較大：光差保護動作時間小于12 ms；而選跳保護受過流保護原理的限制，最快跳閘出口時間為30 ms。光纖縱差保護使用分相差動加零流差動的原理，與負荷電流大小無關，其靈敏度很高；電流選跳保護必須躲開負荷電流，過流元件的啟動值必須設得較高，因此對故障靈敏度較低，無法清除高阻故障，且級聯的區間越多、離電源端越近，問題就越嚴重，靈敏度就越低。

2) 對故障的選擇性和可靠性。光纖縱差保護是專門針對35 kV及以上電壓等級的輸配電線路設計，國家對其有嚴格的動模考核指標，光纖電流縱差保護對區內外單相和多相永久故障、轉換性故障均能實現可靠動作。而電流選跳方案只能識別單一故障，對區內外同相多點故障是無法區分的，可靠性低，電流選跳方案無法通過電力系統的動模試驗，不能提供入網許可報告，這給軌道交通系統的運行帶來風險和隱患。

3) 對于供電系統運行方式適應性，兩種方案存在很大的差別。光纖縱差保護方案中差動保護的設置僅與被保護線路有關，不受系統運行方式的改變和未來擴建的影響，保護裝置內部邏輯不用作出相應的變動。但電流選跳方案由于受選跳原理的限制，必須根據前后保護裝置中過流元件動作的信號來判斷故障點位置，從而有選擇性地切除故障線路。因此，對于已經使用光纖縱差解決方案的軌道交通前期已投運的項目，在后期建設中用戶可根據前期的運行情況自由選擇不同品牌的供貨商；但對于電流選跳方案，用戶則必須接受同一品牌的解決方案。

1.4 后備保護的時限配合分析

當主保護(光纖縱差保護或電流選跳保護)退出運行時，主保護被閉鎖，同時投入后備過流保護。這時，兩種保護方案的選擇性都只能依靠過流保護的時限來完成。在這種情況下，由于各供電區間均采用梯級供電方式(如圖2所示)，因此區間內的線路后備過流保護在時限上的級差配合是需要著重思考的問題。

圖2 中壓網絡保護原理示意圖

圖2中，若一個環網分區有5個變電所，當故障發生在末端變電所時，如發生在故障點5時需E11開關跳閘切除故障，但為了保證A、B、C、D變電所不會誤動，根據過流保護時限配合的原理需將A、B、C、D變電所開關跳閘時間設定值大于E變電所開關跳閘時間。假設E變電所開關起跳時間為0.50 s，按照目前過流保護時限上的級差最小為0.25 s計算，D、C、B、A變電所開關起跳時間分別為0.75 s、1.00 s、1.25 s、1.50 s，此時若要保證主變電所進線開關不會誤動，P11開關的起跳時間需大于1.50 s。目前，一般城市為地鐵主變電所設定的進線開關起跳時間為1.50 s，個別地區為1.20 s。

通過上述分析可知，后備過流保護由于受時限上的級差限制，決定了中壓環網分區內變電所不能過多，一般情況下不應超過4個變電所。

2 工程應用分析

本文以天津軌道交通10號線為例，通過計算對環網分區的分區方案進行分析。天津地鐵10號線一期工程正線全長21.382 km，共設車站21座，均為地下站，平均站間距1.03 km。全線設梨園頭車輛段1座，設主變所2座、牽引降壓混合所8座、獨立降壓所13座。其方案一全線劃分為3個供電分區，方案二全線劃分為6個供電分區，其具體接線方案如圖3和圖4所示。

圖3 方案一：“長分區”供電方案

圖4 方案二：“短分區”供電方案

2.1 計算負荷選取

1) 牽引負荷。牽引供電負荷有動態性和瞬時性，各節點電流、電壓、功率等電氣參數隨在線列車數量、位置、旅行速度而變化[3]。本工程運用“運行圖”進行仿真計算，結果如圖5所示。

圖5 牽引負荷選取情況

2) 動力照明負荷。本工程車站均為地下車站，降壓變容量選擇為1 250 kVA，跟隨變容量選擇為630 kVA。動力負荷功率因數按0.9考慮，動力負荷代入計算時按40%負荷率考慮，三級負荷按總負荷的30%考慮[4]。

2.2 最大負荷電流計算結果

最大負荷電流計算考慮發生在一座主變電所解列時或一路環網故障時，選取最大負荷電流作為電纜選型依據。按照以上思路，本次環網電纜計算結果如圖6和圖7所示。

圖6 長分區方案最大計算負荷電流

圖7 短分區方案最大計算負荷電流

2.3 電纜截面選擇

由以上不同運行工況下的負荷電流可以看出：方案一由于分區車站數量較多，最大的負荷電流明顯大于方案二，其電纜截面選擇要大于方案二電纜截面，其中，方案一主變電所A外側采用150 mm2電纜，兩座主變電所環網通道采用300 mm2電纜；方案二主變電所通道采用240 mm2電纜，其余均采用150 mm2電纜。分區接線方案圖如圖3和圖4所示。

2.4 方案的比較分析

1) 可靠性。兩個方案均滿足：當主變電所的一臺主變壓器解列時，由另一臺主變壓器承擔該所正常供電范圍內的牽引負荷和動力照明一、二級負荷；每座牽引變電所、降壓變電所均有兩回獨立可靠的進線電源。當一回進線電源解列時，由另一回進線電源承擔該兩回進線電源正常供電范圍內的牽引負荷和動力照明一、二級負荷。相對于方案一，方案二的供電分區中的變電所數目較多，故障影響范圍相對較大，可靠性相對較低。

2) 電纜通道。目前，國內城市軌道交通工程中壓供電環網電纜大多采用沿線路區間敷設至沿線變電所。由于區間內設置有疏散平臺，中壓供電環網電纜敷設在疏散平臺下方，敷設空間相對緊張。方案一中，單線區間內敷設的中壓供電環網電纜數量均只有一回;方案二中，單線區間內敷設的中壓供電環網電纜數量最多為三回。從電纜通道暢通、便于施工以及運營管理與維護的角度出發，方案一較優。

3) 工程投資。兩個方案的中壓供電環網電纜數量和工程投資對比表如表1所示。

表1 中壓供電環網電纜工程投資對比表

由表1可知，方案一的電纜投資略低于方案二，因此方案一有利于節約中壓供電環網的電纜工程投資。

4) 運營電能損耗。供電系統電能損耗主要由牽引網電能損耗、動力照明電能損耗、中壓供電網絡電能損耗和變壓器電能損耗等組成。兩個方案的牽引網電能損耗、動力照明電能損耗和變壓器電能損耗基本相當。相對于“長分區”而言，“短分區”的中壓供電網絡分區多，分區內變電所數目較少、電流較小，中壓供電網絡電能損耗稍低。

5) 環網保護配置。方案一的中壓供電環網電纜采用光纖縱差保護作為主保護，數字電流通信保護和零序電流保護作為后備保護。方案二的中壓供電環網電纜采用光纖縱差保護作為主保護，過電流保護和零序電流保護作為后備保護。

6) 綜合比較。中壓供電網絡接線方案綜合比較如表2所示。

3 結論

1) 分區劃分應結合運營需求。在設計中采用“長分區”方案主要原因是為了節省電纜投資，但實際情況并不一定能節省投資。以本工程為例，長分區方案節省電纜投資并不明顯。分區方案應結合線路長度、主變電所設置、運營習慣等因素統籌考慮。由于大分區內車站較多，故障及檢修影響范圍較大，考慮運營檢修方便，目前深圳、南京等城市已建議采用小分區方案。

表2 中壓供電網絡接線方案綜合比較表

2) 分區劃分宜結合網絡化供電。在工程實踐中，分區劃分中應考慮城市軌道交通全線網的網絡化供電，廣州、重慶、武漢等城市在建線路有條件的換乘站預留兩面35 kV開關柜安裝位置，以便在外電源條件困難情況下利用換乘站進行在軌道交通網絡化運營后的應急支援供電。

3) 中壓環網分區中的電纜選型應考慮留有合理的余量。考慮到地下工程的電纜更換且對運營的影響較大，因此通過適當增加前期投資，適當放大電纜截面以應對不可預見的需求。例如,應考慮線路可能延伸、客流預測的不確定帶來運營組織方案的新需求等。

4) 保護的配置應結合分區方案的劃分，同時應提前考慮線路延伸等條件。對于“長分區”方案，分區內變電所數量多，電流選跳保護是目前最適合的方案，但應考慮延伸線路的保護選擇必須采用同一品牌。