孫紅喜

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城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)變電所直流主接線方案研究

孫紅喜

摘 要：城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)變電所直流主接線形式多樣，為確定北京軌道交通供電系統(tǒng)更適用的直流主接線型式，對(duì)目前國內(nèi)已經(jīng)采用和可能采用的幾種主接線型式進(jìn)行分析、研究。分析內(nèi)容包括直流系統(tǒng)的母線構(gòu)成方案、越區(qū)開關(guān)的型式選擇等。文章亦可為國內(nèi)同類工程方案選擇提供參考。

關(guān)鍵詞：城市軌道交通；供電系統(tǒng)；直流主接線；越區(qū)開關(guān)

孫紅喜：北京京投軌道交通資產(chǎn)經(jīng)營管理有限公司，工程師，北京100044

1　概述

城市軌道交通供電系統(tǒng)包括中壓環(huán)網(wǎng)、直流牽引、低壓配電3部分。其中直流牽引部分負(fù)責(zé)給機(jī)車供電，其可靠性與合理性直接影響城市軌道交通系統(tǒng)的運(yùn)營質(zhì)量。

2　各種形式直流主接線方案

直流牽引供電系統(tǒng)主要由整流機(jī)組、直流正負(fù)極開關(guān)設(shè)備、饋線、上網(wǎng)隔離開關(guān)、接觸網(wǎng)、鋼軌、回流電纜、均流電纜等組成。每座牽引變電所設(shè)2套整流機(jī)組（整流變壓器、整流器單元），2套整流機(jī)組并聯(lián)接在同一段10 kV 母線上，正線每座牽引變電所由直流母線饋出4回 DC1500V 電源向左、右線接觸網(wǎng)的左右臂供電，牽引變電所出口設(shè)越區(qū)供電開關(guān)。

2.1各種接線方式的應(yīng)用情況

目前，城市軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)主要有以下3種方案。

2.2方案一

直流開關(guān)采用單母線方式（圖1），越區(qū)開關(guān)采用電動(dòng)隔離開關(guān)。本方案在北京、上海、廣州、南京等國內(nèi)眾多城市軌道交通系統(tǒng)中應(yīng)用，如北京地鐵4號(hào)線、14號(hào)線、16號(hào)線、機(jī)場(chǎng)線、大興線。

圖1　方案一：?jiǎn)文妇€接線方式示意圖

2.2.1正常運(yùn)行方式

正常運(yùn)行時(shí)，四路饋線斷路器開關(guān)、上網(wǎng)隔離開關(guān)處于合閘狀態(tài)，越區(qū)開關(guān)處于分閘狀態(tài)。

2.2.2故障運(yùn)行方式

直流系統(tǒng)故障工況較多，以下只描述與母線型式、越區(qū)開關(guān)型式相關(guān)的故障問題。

（1）變電所框架保護(hù)動(dòng)作。發(fā)生變電所直流開關(guān)柜框架故障時(shí)，聯(lián)跳本所以及鄰所相關(guān)直流開關(guān)柜斷路器，變電所直流開關(guān)柜退出運(yùn)行，需進(jìn)行越區(qū)供電。開關(guān)操作順序：①分本所16、26、36、46，合813、824開關(guān)；②合左鄰所30、40、右鄰所10、20饋線斷路器（框架保護(hù)動(dòng)作后，此4個(gè)斷路器處于分閘狀態(tài)）。實(shí)現(xiàn)越區(qū)供電，完成恢復(fù)供電。

（2）饋線斷路器開關(guān)送電失敗。發(fā)生饋線斷路器送電失敗時(shí)，直流開關(guān)柜無法向牽引網(wǎng)供電，牽引網(wǎng)無電壓。在進(jìn)行送電時(shí)，10開關(guān)合閘失敗，則進(jìn)行越區(qū)供電。開關(guān)操作順序：①分30斷路器、16、36開關(guān)，分左鄰所30饋線斷路器，分右鄰站10饋線斷路器；②合本所813電動(dòng)隔離開關(guān)，合左鄰所30饋線斷路器，合右鄰所10饋線斷路器。實(shí)現(xiàn)越區(qū)供電，完成送電。

2.2.3檢修工況運(yùn)行方式

直流開關(guān)柜體檢修時(shí)，變電所采用越區(qū)供電方式，16、26、36、46處于分閘狀態(tài)，813、824處于合閘狀態(tài)。開關(guān)操作順序：①分本所10、20、30、40斷路器、16、26、36、46開關(guān)，分左鄰所30、40饋線斷路器，分右所站10、20饋線斷路器；②合本所813、824電動(dòng)隔離開關(guān)，合左鄰所30、40饋線斷路器，合右鄰所10、20饋線斷路器。實(shí)現(xiàn)越區(qū)供電，完成送電。

斷路器檢修時(shí)，斷路器手車?yán)?，推入備用手車，維持正常運(yùn)行模式。日常（非緊急）檢修建議在夜間進(jìn)行。

2.2.4越區(qū)開關(guān)柜的保護(hù)配置情況

變電所內(nèi)的越區(qū)開關(guān)柜未設(shè)置保護(hù)，開關(guān)內(nèi)部在滿足國標(biāo)電氣間隙的前提下，加裝絕緣襯板，柜體外殼接地。

2.2.5開關(guān)閉鎖設(shè)置情況

越區(qū)隔離開關(guān)對(duì)應(yīng)的2段牽引網(wǎng)無電壓，同時(shí)相應(yīng)的2個(gè)上網(wǎng)隔離開關(guān)處于分閘狀態(tài)。如圖1所示，813操作需要滿足兩端牽引網(wǎng)無電壓，同時(shí)本所16、36開關(guān)處于分閘狀態(tài)。

2.3方案二

直流開關(guān)采用雙母線方式（圖2），越區(qū)開關(guān)采用電動(dòng)隔離開關(guān)。本方案在北京地鐵5號(hào)線、6號(hào)線、8號(hào)線、9號(hào)線、10號(hào)線、15號(hào)線中應(yīng)用。

圖2　方案二：雙母線接線方式示意圖

2.3.1正常運(yùn)行方式

正常運(yùn)行時(shí)，四路饋線斷路器開關(guān)、上網(wǎng)隔離開關(guān)處于合閘狀態(tài)，越區(qū)開關(guān)處于分閘狀態(tài)。

2.3.2故障運(yùn)行方式

（1）變電所框架保護(hù)動(dòng)作。變電所直流開關(guān)柜框架故障時(shí)，聯(lián)跳本所以及鄰所相關(guān)斷路器，變電所直流開關(guān)柜退出運(yùn)行，需進(jìn)行越區(qū)供電。開關(guān)操作順序同方案一。

（2）饋線斷路器開關(guān)送電失敗。發(fā)生饋線斷路器送電失敗時(shí)，直流開關(guān)柜無法向牽引網(wǎng)供電，牽引網(wǎng)無電壓。在進(jìn)行送電時(shí)，10開關(guān)合閘失敗，投入旁路開關(guān)。開關(guān)操作順序：先合14電動(dòng)隔離開關(guān)，再合90備用斷路器。

2.3.3檢修工況運(yùn)行方式

操作順序同方案一。

斷路器檢修時(shí)，投入旁路開關(guān)。日常（非緊急）檢修建議在夜間進(jìn)行。

2.3.4越區(qū)開關(guān)柜的保護(hù)配置情況

變電所內(nèi)的越區(qū)開關(guān)柜未設(shè)置保護(hù)，開關(guān)內(nèi)部在滿足國標(biāo)電氣間隙的前提下，加裝絕緣襯板，柜體外殼接地。

2.3.5開關(guān)閉鎖設(shè)置情況

越區(qū)隔離開關(guān)對(duì)應(yīng)的2段牽引網(wǎng)無電壓，同時(shí)相應(yīng)的2個(gè)上網(wǎng)隔離開關(guān)處于分閘狀態(tài)。如圖2所示，813操作需要滿足兩端牽引網(wǎng)無電壓，同時(shí)本所16、36開關(guān)處于分閘狀態(tài)。

2.4方案三

直流開關(guān)采用單母線方式（圖3），越區(qū)開關(guān)采用斷路器。本方案在北京地鐵7號(hào)線、燕房線中應(yīng)用。

2.4.1正常運(yùn)行方式

正常運(yùn)行時(shí)，四路饋線斷路器開關(guān)、上網(wǎng)隔離開關(guān)處于合閘狀態(tài)，越區(qū)斷路器開關(guān)處于分閘狀態(tài)。

圖3　方案三：?jiǎn)文妇€接線方式示意圖

2.4.2故障運(yùn)行方式

（1）變電所框架保護(hù)動(dòng)作。變電所直流開關(guān)柜框架故障時(shí)，聯(lián)跳本所以及鄰所相關(guān)斷路器，變電所直流開關(guān)柜退出運(yùn)行，需進(jìn)行越區(qū)供電。開關(guān)操作順序同方案一。

（2）饋線斷路器開關(guān)送電失敗。發(fā)生饋線斷路器送電失敗時(shí)，直流開關(guān)柜無法向牽引網(wǎng)供電，牽引網(wǎng)無電壓。在進(jìn)行送電時(shí)，10開關(guān)合閘失敗，進(jìn)行越區(qū)供電。開關(guān)操作順序同方案一，如相鄰所已經(jīng)送電完畢，則分16、36開關(guān)，合813開關(guān)。

2.4.3檢修工況運(yùn)行方式

操作順序同方案一。

斷路器檢修時(shí)，斷路器手車?yán)?，推入備用手車，維持正常運(yùn)行模式。日常（非緊急）檢修建議在夜間進(jìn)行。

2.4.4越區(qū)開關(guān)柜的保護(hù)配置情況

開關(guān)柜斷路器為復(fù)雜設(shè)備，內(nèi)部加絕緣襯板較為復(fù)雜。如無法實(shí)現(xiàn)可靠加裝內(nèi)部絕緣襯板，則需要設(shè)置單獨(dú)的整套框架保護(hù)，分流器元器件與保護(hù)單元設(shè)置于越區(qū)開關(guān)柜內(nèi)，同時(shí)需要設(shè)置獨(dú)立于變電所的雙邊聯(lián)跳回路。

如能夠進(jìn)行可靠加裝內(nèi)部絕緣襯板，則無需配置框架保護(hù)，同時(shí)外殼接地。作為斷路器等大型復(fù)雜設(shè)備（需考慮開關(guān)的滅弧空間問題），北京地鐵7號(hào)線采用固定式越區(qū)斷路器方案，越區(qū)斷路器開關(guān)柜采用內(nèi)部絕緣方案，沒有設(shè)置框架保護(hù)。

2.4.5開關(guān)閉鎖設(shè)置情況

越區(qū)斷路器開關(guān)對(duì)應(yīng)的2段牽引網(wǎng)無壓或均有壓，同時(shí)相應(yīng)的2個(gè)上網(wǎng)隔離開關(guān)處于分閘狀態(tài)。如圖3所示，813開關(guān)操作需要滿足兩端牽引網(wǎng)無壓或均有壓，本所16、36開關(guān)處于分閘狀態(tài)。

開關(guān)無線路檢測(cè)功能，在越區(qū)開關(guān)一側(cè)有電另外一側(cè)無電時(shí)，閉鎖合閘操作。

3　各直流主接線方案比較

3.1單一牽引變電所投資比較

以北京地鐵14號(hào)線1個(gè)牽引變電所為例，對(duì)3種直流主接線方案的投資情況進(jìn)行比較，見表1。其中，設(shè)備參考價(jià)格為斷路器開關(guān)柜（含隔離開關(guān)）45萬、斷路器開關(guān)柜40萬、斷路器小車30萬、縱聯(lián)隔離開關(guān)柜8萬、保護(hù)裝置8萬。

表1　直流主接線方式投資比較表

3.2全線牽引所投資比較

以北京地鐵14號(hào)線全線23座牽引變電所為例，對(duì)3種直流主接線方案的投資情況進(jìn)行比較，如表2所示。

表2　直流主接線方式投資比較表　萬元

3.3可靠性、合理性比較

3種直流主接線方案在城市軌道交通中均得到了應(yīng)用，其可靠性和合理性比較如下。

（1）方案一。直流開關(guān)采用單母線方案，越區(qū)開關(guān)采用電動(dòng)隔離開關(guān)。系統(tǒng)接線簡(jiǎn)單、可靠、運(yùn)營維護(hù)工作量低。但因越區(qū)開關(guān)采用電動(dòng)隔離開關(guān)，如在正常運(yùn)行時(shí)，倒閘操作需要牽引網(wǎng)停電處理，操作時(shí)間較長(zhǎng)。設(shè)備投資較少。

（2）方案二。直流開關(guān)采用雙母線方案，越區(qū)開關(guān)采用電動(dòng)隔離開關(guān)。系統(tǒng)接線可靠、成熟，當(dāng)單饋線送電不成功時(shí)，可迅速投入備用斷路器，完成送電。但因越區(qū)開關(guān)采用電動(dòng)隔離開關(guān)，如在正常運(yùn)行時(shí)，倒閘操作需要牽引網(wǎng)停電處理，操作時(shí)間較長(zhǎng)。同時(shí)，隨著系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間的積累和設(shè)備故障的增加，備用斷路器開關(guān)使用次數(shù)成增加趨勢(shì)，增加了設(shè)備的故障點(diǎn)。設(shè)備投資較高。

（3）方案三。直流開關(guān)采用單母線方案，越區(qū)開關(guān)采用斷路器。系統(tǒng)接線簡(jiǎn)單、可靠。但如不設(shè)置框架保護(hù)，需對(duì)開關(guān)柜結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)；如設(shè)置了框架保護(hù)，則可能產(chǎn)生誤動(dòng)以導(dǎo)致地鐵停運(yùn)，降低了運(yùn)營可靠性。另外，2個(gè)供電分區(qū)之間無可視斷點(diǎn)。設(shè)備投資高。

4　結(jié)束語

北京是有著40年城市軌道交通運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)的城市，由于其地位的特殊性，對(duì)城市軌道交通中設(shè)備系統(tǒng)的安全性和可靠性要求較其他城市更高。通過以上比較，“單母線+縱聯(lián)隔離開關(guān)”作為直流主接線的經(jīng)典接線方式，在國內(nèi)外城市軌道交通供電系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。因此，其在北京軌道交通的推廣與應(yīng)用，將有利于推進(jìn)北京軌道交通的發(fā)展。同時(shí)，由于城市軌道交通是一個(gè)龐大復(fù)雜的工程，影響主接線的方式有很多，需結(jié)合工程實(shí)際選擇合適的接線方案。

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責(zé)任編輯 凌晨

Study on DC Main Wiring Scheme of Traction Power Supply System Substation for Transit

Sun Hongxi

Abstract:Urban rail transit traction power supply system substation has different main wiring forms for DC in the transformer substation. In order to determine a more suitable solution for the DC main wiring type for Beijing rail transit power supply system, the current domestic adoption and possible use of several main types is analyzed and studied. The content includes the structure of the bus bar of the DC system, and the selection of handover switchgear type. This paper also provides a reference for the domestic similar engineering scheme.

Keywords:urban rail transit, power supply system, DC main wiring, handover switchgear

中圖分類號(hào)：U231.8

收稿日期2015-11-09