城轨110kV变电所主接线优化分析

余晓光 王钢辉 冯洪高

(1.南京铁道职业技术学院 2. 国网湖州供电公司)

0 引言

城市轨道交通(简称“城轨”)变电所是城轨运输电力变换分配枢纽与核心环节，其主接线设计又是变电所设计的重要部分。主接线的确定与城轨牵引变电所运行的可靠性、灵活性和经济性密切相关；并且对电气设备的选择、配电装置布置、继电保护和控制方式有较大影响。因此需要综合考虑经济技术等多方面因素，保证城市轨道牵引可靠性的前提下，协调好灵活与经济性指标，合理优化确定主接线方案。

本文通过对常见的城轨110kV变电所常用主接线方案进行量化分析与优化，在满足城市轨道交通供电可靠性要求前提下，从继电保护、投资、维护费用及供电灵活性方面对城轨变电所主接线方案进行比较。

1 城轨110kV变电所供电要求

城轨110kV变电所主接线需满足的基本要求是：

1.满足供电可靠性并保证电能质量；

2.接线简单、清晰且操作方便；

3.运行具有一定的灵活性、检修方便；

4.具有经济性，投资少、运行维护费用低。

5.具有扩建的可能性。

城轨110kV变电所的主要负荷是牵引负荷，为一级负荷，要求采用双路电源供电；常用的主接线方案主要有单母线分段接线、内桥接线、外桥接线、线路变压器组等[1]。各接线方案各有特点，实际工程中都有应用，但在主接线方案选择时原则性分析多，量化分析少，方案确定存在一定的盲目性。

2 110kV变电所常用主接线分析

2.1 单母线分段接线

单母线分断接线一般使用于110kV出线在4～6回的110kV变电所，城轨牵引变电所一般引入双回路电源，引入后除本所牵引变压器无其它负荷出线。单母线分断接线需要5台110kV断路器，且需布置母线等设备，接线复杂，设备占地较多，虽然扩展性较好但是不适用于城轨变电所及类似终端变电所。城轨110kV变电所常采用无母线的桥型接线、线路变压器组接线等接线形式，接线更为简洁，设备少占地面积较小。下面我们对这几种接线方式的性能进行分析讨论。

2.2 桥型接线

桥型接线高压断路器数量少，只需三台断路器，占地面积较小，适用于不需要扩建的终端变电所。根据桥联断路器相对于线路断路器位置分为内桥接线和外桥接线。

内桥接线如图1(1)所示，桥联断路器位于线路断路器内侧，靠所内变压器侧，一回外线停电时可通过桥开关投入，由另外一路电源供电，供电较为可靠，适用于线路较长或故障率较高的一、二级负荷供电。但是变压器的投入和切除较为复杂，需动作两台断路器，影响一回路的供电。

外桥接线如图1(2)所示，桥联断路器位于线路断路器外侧，靠进线侧，变压器的投入和切除较为方便，供电较为可靠，适用于外部供电线路可靠的一、二级负荷供电，当线路有穿越功率时也适用于此种接线。但是当外部供电线路故障时，电源线路投切较为复杂，需动作两台断路器，会有一台变压器暂时停电。

2.3 线路变压器组接线

线路变压器组接线如图2所示，由两个线路变压器组接线组成，110kV侧没有桥联开关连接。这种接线最为简单，设备最少，占地最少，投资最省继电保护整定最为简单；但是运行不够灵活，适用于终端变电所，通过低压侧单母线分段接线可以用于一、二级负荷供电。

3 主接线可靠性量化分析理论

目前主接线方案可靠性的量化分析评价方法主要有三大类：解析法|、模拟仿真法和智能算法[2-4]。其中解析法是对电气主接线中的设备元件进行建模分析，电力系统属于一类可修复马尔可夫链系统；针对电气主接线中各元件进行建模，系统的主要参量有：故障率λ(次/年)，平均修复时间r(小时)，年平均故障时间DHY(小时)，固有可用度Ai，亦称为系统可用率。年平均故障时间及固有可用度计算公式如下[3]：

DHY=λ×r

(1)

(2)

本文采用一种基于解析法的主接线评价方法并与工程实际结合进行分析。[3]

4 城轨110kV变电所主接线量化分析

4.1 主接线可靠性计算

通过对定性的分析讨论了110kV城轨变电所主接线的特性，下文采用量化方法讨论变电所主接线的可靠性。计算采用的基础数据如表1所示。

计算城轨110kV变电所，内桥接线、外桥接线、线路变压器组接线110kV变压器进线高压套管端(如图A1、B1、C1点)和35kV电缆出线末端(如图A2、B2、C2点)的可靠性。计算结果如表2所示。

表2 城轨110kV变电所35kV出线可靠性计算结果

4.2 主接线造价计算

110kV线路变压器组接线设备造价约1700万元，110kV断路器61万元/台，110kV隔离开关16万元/台，高可靠性供电费用90元/kVA计算。某地铁110kV变电所设置2台变压器25MVA。桥型接线与线路变压器组接线造价计算如表3所示。因为外线长度未知，本次计算只考虑桥型接线每条线路两台变压器的容量高可靠性供电费用，不计算因此需要增加的线路造价[5]。

表3 造价分析(单位：万元)

4.3 主接线对比分析

通过以上的计算可以分析得出：

1. 110kV变压器进线高压套管端：线路变压器组接线与外桥接线可靠性类似，内桥接线由于可以快速的切换供电电源线路，一路电源停电时可以迅速恢复供电，故可靠性较高。

2.城轨变电所内桥、外桥、线路变压器组接线35kV侧都采用单母线分断接线。经过计算发现尽管110kV变压器进线高压套管端供电可靠性有较大差异，但其后35kV出线回路年故障率都较小(小于0.04次/回路)供电可靠性都符合地铁牵引对供电的要求。几种接线形式平均修复时间r(小时)，年平均故障时间DHY(小时)，固有可用度Ai参数均类似。通过对计算过程的回溯分析可知可靠性的提高是由于35kV母联开关可以灵活地调度变电所35kV母线的供电电源，提高了35kV出线回路的有效性。

3.从牵引变电站的运行维护与继电保护角度分析。内桥接线运行较为灵活，但是继电保护整定需根据变电所运行方式灵活调整较为复杂。线路变压器组接线最为简单清晰，运行简单继电保护可靠。

4.可靠性方面，外桥接线和线路变压器组接线类似，但多了一组桥联开关造价较高且城轨牵引变电所一般不需要频繁投切变压器，城轨110kV牵引变电所接线应从线路变压器组接线和内桥接线中选择。

5 结束语

综合以上分析，城轨110kV变电所在地区城市110kV配电网络电源比较可靠时，宜采用线路变压器组接线，其投资更少占地小，继电保护简单，运行维护工作量少且供电可靠性可以满足城轨供电的需求。实际工程中城轨110kV变电所可以根据工程实际情况选择变电所主接线形式；当外电线路可靠性较低或建设初期只有一路外电条件时，采用内桥接线更加符合项目实际情况，可以灵活切换外电线路，有多种运行方式，供电可靠性也较高。