一种适用于城市轨道交通环线的中压网络接线方案

王开康

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，430063，武汉//高级工程师)

城市轨道交通(以下简为“城轨”)环线可将城市市区各个片区紧密地连在一起，为各个片区提供便捷、快速的轨道交通，且片区无需因分布于不同线路而增加换乘次数。此外，环线可分散换乘客流，缓解换乘压力。因此，许多大型城市在轨道交通线网中均考虑了环线，国外的如伦敦、新加坡、东京、莫斯科等；国内的如北京、上海、广州、深圳、武汉、重庆、南京、成都、郑州等。值得一提的是，北京已建成地铁2号线和10号线2条环线，而上海在已建成4号线1条环线的情况下，建设第二条环线的呼声越来越高。可以预测，随着我国城轨的迅猛发展，各个城市线网规划不断修编、扩充，环线会越来越多地出现在各个城市。考虑到环线特征比较明显，因此对其供电系统中压环网接线方案进行有针对性的研究十分必要。

1 城轨中压环网构成原则

城轨中压环网纵向把上级主变电所和下级牵引变电所、降压变电所连接起来，横向把全线的各个牵引变电所、降压变电所连接起来，实现电能的传输[1-2]。

根据中压网络功能的不同，为牵引变电所供电的中压网络称为牵引供电网络；为降压变电所供电的中压网络称为动力照明网络[1-3]。目前，我国城轨新建工程基本以牵引动力照明混合网络为主，并有向混合网统一的趋势[4]。

中压网络的构成形式涉及很多方面，在电压等级确定的前提下，应遵循以下原则[1]：① 满足安全可靠的供电要求；② 每一个变电所均应有两个独立电源；③ 满足潮流计算要求，即设备容量及电压降满足要求；④ 满足负荷分配平衡的要求；⑤ 供电分区应就近引入电源，尽量避免反送电；⑥ 具有良好的经济指标；⑦ 满足继电保护要求；⑧ 系统接线尽量简单；⑨ 全线牵引变电所、降压变电所的主接线尽量一致；满足运营管理、倒闸操作的要求；满足设备选型要求。

根据以上原则，我国近年建设的城轨线路中压供电网络大多采用了双环网结构，开环运行方式：全线设置若干个供电分区，每个分区从外电源或主变电所引入两回电源至分区的第一个变电所两段母线，分区内变电所间采用双回电缆构成环形连接；变电所中压采用单母线分段接线，设母联断路器，并设置备用电源自投功能；为提供故障支援能力，在介于电源点之间的分区尾部设置联络电缆和环网分段开关。正常运行时，环网分段开关打开。当一回电源失电时，闭合变电所母联断路器，由另一回电源支援供电；当一处外电源(两回)失电时，闭合环网分段开关，由另一处外电源进行支援供电。双环网接线方案见图1[1](以集中供电为例，分散供电类似。以下简称“传统方案”)。该方案中网络故障自愈采用的是“线路保护倒换”方式。其针对城市中“线型”贯穿城市的线路具有较强优势，在满足线路两端的供电分区“每一个变电所均应有两个独立电源”的同时，又避免了迂回供电。

2 环线中压环网接线新方案

图1所示传统方案应用于环线时，电源可靠性高，但其没有结合环线特点进行针对性设计，变电所接线和运行方式较复杂，经济性指标较差。

图1 双环网接线示意图

考虑环线首尾贯通的线路特点，可以在全线沿线路构建两条自愈单环供电网，每条自愈单环供电网分别从两座主变电所引入电源，并在环网上适当位置设置分段开关用于故障自愈功能；每座车站变电所设置两段单母线，每段母线通过断路器串联到一个单环内。基于单环自愈供电网的中压环网接线方案如图2所示。

图2 环线中压环网新方案示意图

新方案因环网故障自愈方式变化，原方案中用于备用线路倒换的变电所母联断路器失去作用，因此可以取消。另外，传统方案变电所母线维护接地是通过母联柜内的断路器和接地开关实现的，取消母联断路器后，可将原母联开关柜内的接地开关直接设置到母线上。其余接线与传统方案保持一致。新方案变电所主接线如图3所示。

2.1 系统运行方式

正常运行时，环网分段开关处于分位，每座主变电所为本所供电范围内的两个分区提供电源。

当一台主变压器退出运行时，闭合主变电所母联分段开关，由另一台主变压器为本所供电范围内一、二级负荷提供电源。

当一座主变电所解列时，将解列主变电所所有出线断路器分开，然后闭合4台环网分段开关，由另一座主变电所为全线一、二级负荷提供电源。

2.2 变电所运行方式

正常运行时，变电所两段母线分别由进线1、2提供电源，当任一进线失电时，闭合环网分段开关，由另一路电源为该段母线提供电源。

变电所直流牵引部分和低压400 V部分运行方式与传统变电所一致。

图3 典型牵引降压混合变电所主接线图

2.3 安全自动装置配置

为了实现环网一路电源失电时，系统自动切换到另一路电源，需在图4中环网分段开关101处设置备用电源自投(以下简为“备自投”)功能。

图4 环网安全自动装置配置分析示意图

备自投的启动条件如图5所示，其中延时t需要与环网及母线电流后备保护的最长延时(一般不超过2 s)进行配合，确保故障点被隔离后，备自投再投入。

图5 环网备自投逻辑图

针对环网失电的3种情况，备用电源投入情况如下：

(1) 手分环网任一断路器。如图4所示，正常运行方式下，手分变电所1的101开关，此时备自投条件满足，环网分段开关101合闸，变电所1～8由主变电所2提供电源。一般情况下，手分操作多与检修相关，故如有需要，在环网分段开关101闭合后，可手分变电所1的102断路器，实现对变电所1母线的检修断电。

(2) 任一环网电缆故障。如图4所示，正常运行方式下，F1点发生短路，环网保护动作，切除故障电缆两端的102、101开关后，备自投条件满足，环网分段开关101合闸，变电所1～3由主变电所1提供电源，变电所4～8由主变电所2提供电源。

(3) 任一变电所母线故障。如图4所示，正常运行方式下，F2点发生短路，变电所4的101开关保护动作跳闸，同时联跳本所102开关，故障母线隔离后，备自投条件满足，环网分段开关101合闸，变电所1～3由主变电所1提供电源，变电所5～8由主变电所2提供电源。

2.4 环网继电保护配置

新方案中2座主变电所间划分为2个供电分区，每个分区内变电所数量较多，故环网继电保护配置宜采用纵差保护+数字通信过流保护+过流保护的方案。纵差保护作为环网电缆的主保护，数字通信过流保护作为母线的主保护和环网电缆后备保护，过流保护作为环网电缆和母线故障的后备保护[6]。新方案变电所中压接线简单，会大大简化数字通信过流保护的逻辑关系；同时，由于减少了母联开关，过流后备的时差配合也相对容易。

此外，为了更好地实现过流后备保护在大短路电流下的速动性，也可在环网进出线设置反时限电流保护，作为环网电缆和母线故障的后备保护。为便于保护配合，反时限电流保护应带方向性，且同一供电分区内变电所的进线和出线方向应不同。

3 方案比较

新方案取消了传统方案的母联断路器，并将母线接地开关直接设置到母线上；同时，备自投方案由每个变电所设置母联备自投，调整为仅在环网分段开关设置备自投。本文从安全可靠性、经济性、可实施性、运营管理等方面对两种方案进行分析比较。

3.1 安全可靠性

新方案中每个变电所的电源依然为4回，所不同的是整流机组交流侧母线电源由3回变为2回，而大量运行线路已证明，2回电源完全能够满足供电系统安全运行需求。对于动力照明负荷，由于400 V母线设置有联络开关，其电源可靠性不变。

新方案母线设置检修用接地开关，与传统方案通过母联断路器后用母联柜接地开关接地比较，其接地回路简单、直接，接地闭锁关系简化，操作快捷，系统安全可靠性会明显提升。

变电所两段母线间不设母联断路器后，电气上基本无直接联系，相互影响降至最低，系统可靠性提高。

与传统方案相比，备自投方式调整后，针对不同的失电情况，均可启动备自投，且备自投逻辑相同、逻辑关系简单、恢复供电速度快，有利于系统的安全可靠运行。

3.2 经济性

新方案较之传统方案，每个变电所减少断路器1台、隔离开关2台、充气柜柜体2面、微机综保装置1套；每座变电所直接减少房屋面积约6 m2，如考虑中压开关柜布置更加灵活的因素，可节省的房间面积将更多。根据目前城轨工程概算编制情况估算，每座变电所节省工程投资约40万元人民币。

针对环网电缆截面选择，当一座主变电所解列由另一座主变电所支援供电时，由于传统方案一般不再考虑环网电缆故障(此时变电所母联断路器不允许合闸)，故两种方案此时的环网电缆负荷相同，新方案不增加环网电缆投资。

3.3 可实施性

新方案仅对环网接线、保护配置、安全自动装置等进行了简单调整，且所采用的方案均为工程常用方案，工程实施时不需要进行特殊研究。

城轨变电所用房中，中压开关柜由于数量多、体积大，在设备布置时往往比较困难。新方案减少2面中压母联柜，且两段中压母线间无电气连接，在进行平面布置时两段母线可分开布置，因此体积大幅减小，布置将更加灵活，工程实施更加容易。

城轨环线两座主变电所间的任一变电所均可从不同主变电所引入2回以上电源，电源可靠性高，故而两座主变电所间一般设置2个供电分区即可，而每个分区的变电所数量一般都会超过4个，需设置数字通信过电流保护作为母线主保护，同时兼做环网电缆的后备保护。新方案因两段母线间不存在电气联系，且运行方式简单，故而数字通信过电流保护较传统方案在保护逻辑、二次接线方面可大大简化，有利于工程实施。

3.4 运营管理便利性

如前所述，新方案运行方式简单、闭锁逻辑简化[5]、二次回路接线少，将更加有利于运营管理。此外，由于变电所设备减少，也可减少运营维护工作量。但是，由于其运行方式与传统方式不同，且一般环线建设时既有线路已处于运营阶段，故可能会有来自运营部门的不同意见。不过整体来讲，新方案对运营管理的改变是微小的，且是向好的方向改善，同时轨道交通线路一般按线进行运营管理，不同线路间存在差别也可接受。

4 结语

环网接线方案是城轨供电系统设计的主要内容之一，除满足安全可靠要求外，还应充分考虑经济性、工程可实施性和运营管理的便利性。

本文结合城轨环线特点提出的基于自愈单环供电网构成的城轨环线中压网络接线方案，仅取消了传统方案的变电所母联断路器，调整了接地开关安装位置，并对备自投方案及运行方式进行了针对性设计，其安全可靠性满足城轨工程要求，且在经济性、工程可实施性、运营管理便利性等方面具有明显优势。

目前，我国城轨建设迎来了一个新的发展机遇，在建及拟建环线越来越多，在具体的环线设计中应根据工程实际情况，条件具备时可优先选用此新方案。