城市轨道交通牵引变电所主接线的优化研究

周才发

0 引言

目前，国内城市轨道交通供电系统牵引变电所主接线大多采用如下形式：每座牵引变电所设2台整流机组，均接于同一段母线上；每套整流机组分别通过断路器与35 kV母线连接；直流1 500 V母线为单母线接线；每座牵引变电所内馈出4回直流电源分别接至牵引网上下行，与相邻牵引变电所构成双边供电；直流进线开关选用直流断路器或者电动隔离开关；直流负极开关选用手动隔离开关或者电动隔离开关；直流馈线开关选用直流断路器。

笔者认为该主接线形式虽然满足城市轨道交通供电系统的运行要求，但是有些方面还有待进一步优化。

1 牵引整流机组接入方式

牵引整流机组接入35 kV母线一般有2种方案：一是2套牵引整流机组进线合并，二是2套牵引整流机组进线独立。

1.1 2套牵引整流机组进线合并（方案1）

2套牵引整流机组并接在同1台35 kV断路器上，2台整流变压器并联后，等效为1台24脉波整流变压器，接于同一段35 kV母线上，见图1。

该方案的特点：

（1）正常运行时，2套牵引整流机组同时投入；故障状态下，2套牵引整流机组同时退出，由相邻牵引所实现对牵引网的越区支援供电，管理和操作简单。

图1 进线合并接入方案示意图

（2）进线回路共用，可以按照等效的1套24脉波整流机组设备来进行整定计算，断路器保护动作后，某些故障区分较困难（如出现短路故障或过负荷，不能直观判断由哪一套设备引起）。

（3）联锁、联跳关系减少，二次接线简单。

（4）综合投资费用较低，按目前的价格水平，每台35 kV开关柜（含保护）约为30万元，考虑一条20多公里地铁线路，牵引变电所数量按10座来计算，一次设备投资就可以减少约300万元。

1.2 2套牵引整流机组进线独立（方案2）

2套牵引整流机组分别通过1台35 kV断路器并接在同一段35 kV母线上，见图2。

该方案的特点：

（1）正常运行时，2套牵引整流机组同时投入；故障状态下，当1套牵引整流机组退出运行时，另 1套牵引整流机组在其允许过负荷情况下可继续运行，否则由相邻牵引所实现对牵引网的越区支援供电，管理和操作较复杂。

（2）2套牵引整流机组设备及保护配置相互独立，故障易判断。

图2 进线独立接入方案示意图

（3）联锁、联跳关系增加，二次接线较复杂。

（4）综合投资费用较高。

1.3 方案比较

2种方案的比较见表1。

表1 牵引整流机组接入方案比较表

根据以上分析、比较，方案1比方案2有明显优势，虽然方案1不满足单套整流机组运行条件，但笔者认为能否满足单套整流机组运行的条件并不重要，原因有以下3点：

（1）当一套整流机组出现故障而退出运行时，另一套整流机组也退出运行，通过相邻牵引所对牵引网越区供电已经能满足供电的可靠性。

（2）根据城市轨道交通的供电计算，为尽量减少安装变压器容量，允许单套整流机组运行只限于初、近期客流不大的情况，随着运行负荷及谐波含量的增加，单套整流机组运行条件已不能满足系统要求。所以从长远来看，允许单套整流机组运行意义不大。

（3）根据国内已运行线路的经验来看，近、远期客流到来的时间大多比设计时间提前，有些城市轨道交通线路甚至在运行2～3年后，客流就达到了远期的设计标准，导致初、近期时间大大缩短，允许单套整流机组运行条件的实际工程意义不大。

综上所述，2套牵引整流机组进线合并的接线方式值得推荐。

2 直流进线开关的设置

直流进线开关的设置有2种方案：方案1采用电动隔离开关，见图3。方案2采用直流断路器，见图4。2种方案在国内实际工程中均被广泛采用。

图3 进线采用电动隔离开关接线图

图4 进线采用直流断路器接线图

正常运行情况下，2种方案均能满足要求，无明显差异。下面着重分析各种故障状态下2种方案间的差异。

牵引变电所牵引整流部分故障按发生地点可划分为3类：第1类故障发生在牵引整流机组进线断路器与直流进线开关之间，如整流变压器、整流器及连接电缆故障等；第2类故障发生在直流进线开关与直流馈线断路器之间，如直流母线短路故障；第3类故障发生在直流馈线断路器以下，如接触网短路故障。

2.1 故障切除

（1）直流进线开关按方案1设置。第1类故障：跳开该所2路整流变压器进线断路器和所有直流馈线断路器；第2类故障：框架保护动作，跳开该所 2路整流变压器进线断路器和所有直流馈线断路器，并联跳相邻牵引变电所相应的直流馈线断路器；第3类故障：直流馈线断路器保护动作，跳开直流馈线断路器并联跳相邻牵引变电所相应的直流馈线断路器。

（2）直流进线开关按方案2设置。第1类故障：跳开该所2路整流变压器进线断路器和2路直流进线断路器；第2类故障和第3类故障均与方案1的对应类故障切除相同。

可见，2种方案仅在发生第1类故障时有区别，下面对发生第1类故障时故障恢复时间进行比较。

2.2 故障恢复时间

恢复方式是通过直流母线或接触网越区隔离开关越区。

（1）通过直流母线恢复。方案1的动作顺序：该所 2路整流变压器进线断路器和所有馈线断路器均跳开，同时自动重合闸闭锁→2路进线电动隔离开关分闸→合直流馈线断路器实现大双边供电，恢复故障时间一般小于1 min。

而方案 2在故障切除后，接触网供电不受影响。

（2）通过接触网越区隔离开关越区。方案 1的动作顺序：该所2路整流变压器进线断路器和所有直流馈线断路器均跳开，同时自动重合闸闭锁→双边联跳相邻牵引所相应直流馈线断路器→该所2路进线电动隔离开关分闸→该所越区电动隔离开关合闸→相邻牵引所直流馈线断路器合闸实现大双边供电，恢复故障时间一般小于3 min。

而方案2与方案1基本相同，其动作顺序：该所2路整流变压器进线断路器和2路直流进线断路器跳开并联跳所有直流馈线断路器→双边联跳相邻牵引所相应直流馈线断路器→该所越区电动隔离开关合闸→相邻牵引所直流馈线断路器合闸实现大双边供电，恢复故障时间一般小于3 min。

可见，方案1与方案2的区别仅在第1类故障用母线越区供电恢复故障时有所区别。

2.3 技术方案比较

2种方案就保护动作的可靠性、恢复故障的快速性、运行方式及运营管理等方面的分析见表2。

表2 2种方案的技术分析比较表

2.4 经济比较

按目前的价格水平，每台直流进线断路器开关柜（含保护）约为38万元，每台直流进线电动隔离开关柜（含PLC）约为20万元，若直流进线采用电动隔离开关，每座牵引变电所可节省投资 36万元，牵引变电所数量按10座计算，一次设备投资就可减少约360万元。当前国内一座城市规划的轨道交通线路数量多，每条线路一般要设置十几座牵引变电所，这样算下来节省的投资相当可观。

综上所述，方案1与方案2在技术性能上无明显差异，均能满足轨道交通的供电要求，但从投资来讲，方案1比方案2节省投资，因此，从节省投资的角度，推荐直流进线开关的设置采用方案1，即采用电动隔离开关。

3 直流负极开关的设置

负极柜开关可以选用手动隔离开关（图5），也可选用电动隔离开关（图6），2种方案均有工程实例。

正常情况下，负极柜隔离开关常闭，直流设备向牵引网供电。当系统运行方式改变时，负极柜隔离开关位置状态可维持不变（如牵引变电所牵引整流机组退出运行，相邻牵引所大双边供电或越区单边供电，负极柜隔离开关可不分开）。当直流系统需要检修维护时，负极柜隔离开关应分开，在直流牵引设备与回流钢轨间形成一个隔离断口。在工程中，设备检修周期固定，检修作业在现场进行，负极柜隔离开关的操作频率较低，手动操作即可满足要求。

图5 负极采用手动隔离开关接线图

图6 负极采用电动隔离开关接线图

因此，从节省投资的角度，负极柜开关推荐采用手动隔离开关。

4 推荐的主接线形式

综上所述，推荐的牵引变电所主接线形式，在满足城市轨道交通供电系统运行要求的前提下，将传统的牵引变电所主接线做了如下改进：

（1）将2套牵引整流机组独立进线改成合并进线。

（2）将直流进线开关由直流断路器改成电动隔离开关。

（3）将直流负极柜的隔离开关由电动改成手动。

城市轨道交通供电系统牵引变电所推荐的主接线形式如图7所示。

图7 牵引变电所主接线图

按照推荐的主接线，一个牵引变电所比传统的牵引变电所可以节省人民币60多万元。如果一条轨道交通线按10个牵引所（包括车场牵引变电所）考虑，则可以节省投资600多万元。

5 结束语

推荐的城市轨道交通牵引变电所的主接线形式，既满足城市轨道交通供电系统的运行要求，主接线及运行方式简单、安全可靠，又节省投资，值得在国内城市轨道交通建设中推广。

[1]GB 50157-2003 地铁设计规范[S].北京：中国计划出版社，2003.

[2]深圳地铁3号线初步设计文件[R].中铁二院工程集团有限责任公司.深圳，2006.

[3]上海地铁9号线初步设计文件[R].中铁二院工程集团有限责任公司.上海，2007.

[4]杭州地铁1号线初步设计文件[R].中铁二院工程集团有限责任公司.杭州，2008.

[5]南昌地铁 1号线供电系统投标文件[G].中铁二院工程集团有限责任公司.成都，2009.