城市軌道交通牽引變電所主接線的優化分析

侯天佑

中車大連電力牽引研發中心有限公司 遼寧 大連 116000

引言

隨著21世紀社會生活節奏加快，城軌交通在現代城市生活中發揮重要作用。城軌交通具有行車速度快，運行穩定，機車不帶染料，對環境污染小等優點。隨著鐵路交流供電技術的成熟，城軌交通中開始研究交流制供電方案。城軌交通供電系統可靠性意義重大，加強城軌交通供電設備可靠性研究非常必要[1]。目前城軌交通牽引供電系統主接線大多采用牽引變電所設整理機組。本文研究城軌交通牽引變電所主接線設計，確保供電系統安全，提出優化可行方案。

1 城軌交通交直流制供電系統結構

城軌交通供電系統由外部電源系統等組成，具有用電需求量大等特點，變電所變換低壓電流傳送給電力機車。城軌交通通常采用集中供電方式。國內外廣泛使用直流制，目前直流制存在供電系統建設維護費用高等問題[1]。直流制供電缺點是運行中產生迷流，全線需設置專用監測系統。

城軌交通牽引供電系統由牽引變電所等組成。根據城軌交通牽引供電系統結構分為牽引變電所等部分。城軌交通甲流牽引供電系統中，主變電所牽引端口連接35kV雙芯電纜供電線PS，中心變電所承擔核心任務。交流制供電方案具有經濟性、維護方便等優勢。直流制供電缺點是運行中產生迷流，直流制供電方案中變電設備繁多，交流制供電系統供電能力強，供電方案經濟性較好。

城軌交通牽引變電所電氣主接線整流機組是實現交流變為直流的電氣主要設備。壓側電氣主接線采用分段單母線接線形式，中壓電源進線WL1,WL2為備用獨立電纜線。分段母線接線方案設備較少，運行靈活性較大。直流側電氣主接線包括負母線等配電設備構成。直流電氣主接線分為單雙母線接線形式。單母線接線系統特點是具有較高靈活性；增加牽引變電所一次投入設置移動備用饋線斷路器。

單相相組合供電方案可節省變壓器，中心變電所采用單相牽引變壓器的供電方案，主變壓器要正常工作。主牽引變壓器高壓匹配變壓器采用不等邊Scott接線方式連接，補償端口與主編牽引變壓器接到牽引母線上。城軌供電系統中心電纜沿線路鋪設在地下，結構從內到外由線芯、外護套等部分組成。城軌中為節約線路成本，城軌交通電纜鋪設方式多為地下，電纜可靠性較高[2]。

2 城軌交通牽引供電模式存在的問題

隨著城市經濟的快速發展，城軌交通建設加快。城軌交通建設有利于方便人們的出行，推動城市經濟發展。發展城軌交通有利于帶動周圍城市共同發展，城軌交通發展有效解決城市交通擁堵問題。牽引供電系統是城軌交通的重要部分，通過對牽引供電系統受電方案仿真分析，可以提高設計效率。

目前我國城軌交通采用三軌供電模式，新建城軌交通工程采用DC1500V電壓等級，牽引供電模式存在很多問題有待解決。當前城軌交通牽引供電模式存在供電能力，雜散電流與電磁干擾等問題。隨著軌道交通的發展，人們對車輛運載能力要求不斷提高。采用DC1500V供電制式區間變電所大雙邊供電距離6～6.5km。城軌交通供電系統中軌道電位是重要的安全性問題，軌道對地電位過高會影響直流設備運行。三軌系統中由于系統電流大，系統周圍產生較強的電磁干擾。直流電場形成雜散電流會破壞系統附近埋設金屬管道設施。

城軌交通供電系統由動力照明供電系統等組成，具有用電需求量大等特點，變電所將高壓交流電轉換為低壓直流電，動力照明系統主要為受流器將低壓直流電傳送給電力機車。城軌交通通暢采用集中供電方式，牽引供電系統采用直流制與工頻單相交流制。國內外廣泛使用的直流制技術相對成熟。但目前存在建設維護費用高，供電能力較弱等問題。直流制供電運行中產生迷流，全線需設置專用監測系統。直流制供電方式變電所設施數量較多，牽引網結構復雜，導致城軌交通直流制建設成本較多。交流制供電電壓等級高，交流制供電電壓等級具有明顯優勢。

城軌交通供電可靠性對供電系統具有重要通，加強城軌交通供電可靠性研究非常必要。城軌交通供電出現事故后果嚴重，目前城軌交通多采用直流制供電，隨著城軌交通的發展，DC1500V三軌供電系統存在問題亟待解決。通過研究城軌交通DC3000V供電方案，提出正負軌受流中點接地系統，結合城軌交通供電系統存在問題，改善城軌交通供電質量，解決雜散電流，電磁干擾等一系列問題具有重要現實意義。

3 城軌交通牽引供電系統可靠性分析

以某城規交通交流制供電方案為例，設置3個中心變電所，運用兩根電纜滿足載流量需求。中心變電所采用3個正常工作+1個備用供電方案，中心變電所與沿線牽引變電所通過電纜連接。單根電纜可靠性參數平均維修時間MTTR=6.28小時，每根電纜長為1km。中心變電所供電臂供電電纜區域不同，電纜可靠性參數代表整條線路電纜參數。電纜是傳輸電能的重要電工產品，電纜結構復雜，使用35kV交聯聚乙烯絕緣電力電纜由絕緣層與保護層等構成，電纜導體工作溫度高，耐熱性好等特點廣泛應用于城軌交通工程。

電纜可靠性研究非常必要，電纜由于外界自然環境發生故障概率較低，電纜造成故障人為外力破壞占58%，外力破壞要加強工程管理部門監管，加強施工人員技術水平；嚴格按照規范進行電纜施工安裝，生產廠家要嚴格把控電纜附件產品質量。城規交通交流牽引供電系統牽引變電所主接線結構相同，主接線1#2#進線互為備用，牽引變電所主接線有兩種正常運行工況。正常工作概率符合可靠性設計標準，相鄰變電所采用越區供電方式完成故障所供電等工作，恢復正常運行模式。牽引供電系統接觸網故障率最高，需要研究接觸網可靠性。提高子系統可靠性可以從提高組成元器件可靠性等方面考慮。

可靠性分配是城軌交通交流牽引供電系統的復雜工程決策問題，不同系統影響可靠性因素不同，城軌交通交流牽引供電系統拓撲結構確定后，可靠性分配任務是把可靠度分配在子系統中。目前常用方法包括等分配法，綜合評分分配法等。復雜系統可采用層次分析法，動態規劃分配法等。可靠性分配目的是使系統可靠性指標合理分配到子系統，系統可靠度達到要求下，合理優化子系統可靠度。可靠性分配中要考慮多方面因素，城規交通牽引供電系統可靠性因素包括技術水平，維修程度等。

4 牽引整流機組接入方式

隨著城市交通擁堵問題加重，選用DC3000V直流供電制式成為趨勢。DC3000V供電制式牽引網與變電所能耗低。DC3000V是成熟的供電制式，國際電工委會為規范城軌交通電壓制式提出相應標準。DC3000V供電系統具有電壓等級高的特點，供電半徑與直流供電電壓等級關系為L=△U%×UDC/2IDCR0；L為供電半徑m,Ro為線路單位電阻Ω。

采用DC1500V供電制式，區間變電所大雙邊供電距離6～6.5km，末端牽引供電區間在1.5km。區間變電所大雙邊供電距離為12km。電音變電所數量為n=L/Ln+1，L為正線線路長度km，Ln為牽引變電所平均間距km。牽引變電所數量可減少40%，相應設備數量減少。牽引供電系統設置兩臺整流機組掛接在35kv單母線分段供電網上，要求12脈波整流機一側輸入電源具有一致性。牽引整流機接入35kV母線分為整流機組進線獨立與合并方案[3]。設備投資減少300萬元。

表1 牽引整流機組接入方案比較

2套牽引整理機組通過35kV斷路器并接在35kV母線，故障時牽引整流機組允許過負荷下運行。2套牽引整流機組設備相互獨立；連跳關系增加，綜合費用較高。方案1具有明顯優勢，允許整理機組僅限于近期客流不大情況。單套整流機組運行不能滿足要求，近遠期客流到來時間大多提前，建議采用牽引整流機組進線合并接線方式。

5 直流進線開關設置

我國城軌交通牽引供電系統采用直流供電模式，負極鋼軌回流牽引方式，直流牽引正負軌受流軌產生電流相同，不存在雜散電流。提高城軌交通牽引供電電壓等級，可以給負載輸出更大功率。通常提高牽引變電所輸出電壓等級，會帶來直流斷路器等關鍵設備研發，電壓等級配套有關設備標準的制定等問題。通過兩組整流變壓器中點接地，不改變系統結構性表增加電壓等級，系統同過1500V與-1500V受流軌給機車供電，系統采用原有城軌交通DC1500V設備進行改造不會增加絕緣等級。

牽引變電所整流部分故障發生在牽引整流機組進線斷路器；按方案1 設置直流進線開關，框架保護動作。增加備用母線設備用能斷路器，在饋電區分段處設置縱向電動隔離開關，可實現大雙邊供電。按方案2恢復方式通過直流母線隔離開關越區。方案1動作順序為2路整流變流器進線斷路器→雙邊聯跳相鄰牽引所直流饋線斷路器。直流進線采用電動隔離開關，牽引變電所按10座計算，隨著城軌交通線路數量增多，節省投資可觀。方案1,2技術性能內無明顯差異，方案1投資節省。

6 推薦主接線形式

城軌交通車輛由列車車體、電力牽引傳動、制動裝置等構成。機車高壓用電由牽引系統用電構成，經牽引電網供電，牽引電動機驅動輪對機車牽引傳動。城軌交通牽引系統設備有主開關，充電回路，制動斬波電路等。城軌交通車輛普遍采用動力分散車輛編組，列車編組數量根據每日綜合客流量等因素確定。計算公式為Z=Q/A×N×B，Q為高峰時最大單向斷面客流力量；Z為城軌交通列車編組數[4]。

城軌交通動車有2個轉向架4根動軸，綜合車輛成本等多方面因素考慮，2C4M架式動力配置是常用方案。可將列車編組分為大中小編組，確定列車編組形式應綜合考慮城市客流量等多方面因素。車輛開關器等需要增加耐壓等級，可直接采用高耐壓等級設備元件，供電方案主電路改動較大。列車編組單元中第一二節拖車電路不變由正受流弓受電，將第三節動車上牽引負載由受電弓受流。需要相應增加受流裝置。由于車輛編組采用6輛車形式，采用動拖單元編組，每個單元為2動1拖，另一編組單元電力牽引系統電路由負受流端受電。將列車編組由正負受流軌手電，負端受流編組單元由負受流供軌供電，可沿用三軌系統設備。

負極開柜開關可選用電動隔離開關，相鄰牽引所大雙邊供電。直流系統需檢修，直流牽引設備與回流鋼軌形成隔離斷口。直流負極柜隔離開關改為手動。軌道交通線可節省投資600多萬元。直流開關采用單母線方案，系統接線簡單，因越區開關采用電動隔離開關，道閘操作需要牽引網停電處理。直流開關采用單母線方案，系統接線可靠。需對開關柜結構進行詳細設計。設置框架保護降低運營可靠性。

7 結束語

城軌交通快速發展，使交流供電方案應運而生。本文對牽引供電系統牽引直流主線形式分析，介紹城軌交通交流交直流制供電方案年結構，根據交流制供電方案結構特點分析系統可靠性。推薦城軌交通牽引變電所主接線方式安全可靠，值得國內城軌交通建設推廣。城軌交通牽引供電系統復雜，后續研究可考慮更多影響系統可靠性因素。