城市轨道交通牵引变电所主接线的优化分析

侯天佑

中车大连电力牵引研发中心有限公司 辽宁 大连 116000

引言

随着21世纪社会生活节奏加快，城轨交通在现代城市生活中发挥重要作用。城轨交通具有行车速度快，运行稳定，机车不带染料，对环境污染小等优点。随着铁路交流供电技术的成熟，城轨交通中开始研究交流制供电方案。城轨交通供电系统可靠性意义重大，加强城轨交通供电设备可靠性研究非常必要[1]。目前城轨交通牵引供电系统主接线大多采用牵引变电所设整理机组。本文研究城轨交通牵引变电所主接线设计，确保供电系统安全，提出优化可行方案。

1 城轨交通交直流制供电系统结构

城轨交通供电系统由外部电源系统等组成，具有用电需求量大等特点，变电所变换低压电流传送给电力机车。城轨交通通常采用集中供电方式。国内外广泛使用直流制，目前直流制存在供电系统建设维护费用高等问题[1]。直流制供电缺点是运行中产生迷流，全线需设置专用监测系统。

城轨交通牵引供电系统由牵引变电所等组成。根据城轨交通牵引供电系统结构分为牵引变电所等部分。城轨交通甲流牵引供电系统中，主变电所牵引端口连接35kV双芯电缆供电线PS，中心变电所承担核心任务。交流制供电方案具有经济性、维护方便等优势。直流制供电缺点是运行中产生迷流，直流制供电方案中变电设备繁多，交流制供电系统供电能力强，供电方案经济性较好。

城轨交通牵引变电所电气主接线整流机组是实现交流变为直流的电气主要设备。压侧电气主接线采用分段单母线接线形式，中压电源进线WL1,WL2为备用独立电缆线。分段母线接线方案设备较少，运行灵活性较大。直流侧电气主接线包括负母线等配电设备构成。直流电气主接线分为单双母线接线形式。单母线接线系统特点是具有较高灵活性；增加牵引变电所一次投入设置移动备用馈线断路器。

单相相组合供电方案可节省变压器，中心变电所采用单相牵引变压器的供电方案，主变压器要正常工作。主牵引变压器高压匹配变压器采用不等边Scott接线方式连接，补偿端口与主编牵引变压器接到牵引母线上。城轨供电系统中心电缆沿线路铺设在地下，结构从内到外由线芯、外护套等部分组成。城轨中为节约线路成本，城轨交通电缆铺设方式多为地下，电缆可靠性较高[2]。

2 城轨交通牵引供电模式存在的问题

随着城市经济的快速发展，城轨交通建设加快。城轨交通建设有利于方便人们的出行，推动城市经济发展。发展城轨交通有利于带动周围城市共同发展，城轨交通发展有效解决城市交通拥堵问题。牵引供电系统是城轨交通的重要部分，通过对牵引供电系统受电方案仿真分析，可以提高设计效率。

目前我国城轨交通采用三轨供电模式，新建城轨交通工程采用DC1500V电压等级，牵引供电模式存在很多问题有待解决。当前城轨交通牵引供电模式存在供电能力，杂散电流与电磁干扰等问题。随着轨道交通的发展，人们对车辆运载能力要求不断提高。采用DC1500V供电制式区间变电所大双边供电距离6～6.5km。城轨交通供电系统中轨道电位是重要的安全性问题，轨道对地电位过高会影响直流设备运行。三轨系统中由于系统电流大，系统周围产生较强的电磁干扰。直流电场形成杂散电流会破坏系统附近埋设金属管道设施。

城轨交通供电系统由动力照明供电系统等组成，具有用电需求量大等特点，变电所将高压交流电转换为低压直流电，动力照明系统主要为受流器将低压直流电传送给电力机车。城轨交通通畅采用集中供电方式，牵引供电系统采用直流制与工频单相交流制。国内外广泛使用的直流制技术相对成熟。但目前存在建设维护费用高，供电能力较弱等问题。直流制供电运行中产生迷流，全线需设置专用监测系统。直流制供电方式变电所设施数量较多，牵引网结构复杂，导致城轨交通直流制建设成本较多。交流制供电电压等级高，交流制供电电压等级具有明显优势。

城轨交通供电可靠性对供电系统具有重要通，加强城轨交通供电可靠性研究非常必要。城轨交通供电出现事故后果严重，目前城轨交通多采用直流制供电，随着城轨交通的发展，DC1500V三轨供电系统存在问题亟待解决。通过研究城轨交通DC3000V供电方案，提出正负轨受流中点接地系统，结合城轨交通供电系统存在问题，改善城轨交通供电质量，解决杂散电流，电磁干扰等一系列问题具有重要现实意义。

3 城轨交通牵引供电系统可靠性分析

以某城规交通交流制供电方案为例，设置3个中心变电所，运用两根电缆满足载流量需求。中心变电所采用3个正常工作+1个备用供电方案，中心变电所与沿线牵引变电所通过电缆连接。单根电缆可靠性参数平均维修时间MTTR=6.28小时，每根电缆长为1km。中心变电所供电臂供电电缆区域不同，电缆可靠性参数代表整条线路电缆参数。电缆是传输电能的重要电工产品，电缆结构复杂，使用35kV交联聚乙烯绝缘电力电缆由绝缘层与保护层等构成，电缆导体工作温度高，耐热性好等特点广泛应用于城轨交通工程。

电缆可靠性研究非常必要，电缆由于外界自然环境发生故障概率较低，电缆造成故障人为外力破坏占58%，外力破坏要加强工程管理部门监管，加强施工人员技术水平；严格按照规范进行电缆施工安装，生产厂家要严格把控电缆附件产品质量。城规交通交流牵引供电系统牵引变电所主接线结构相同，主接线1#2#进线互为备用，牵引变电所主接线有两种正常运行工况。正常工作概率符合可靠性设计标准，相邻变电所采用越区供电方式完成故障所供电等工作，恢复正常运行模式。牵引供电系统接触网故障率最高，需要研究接触网可靠性。提高子系统可靠性可以从提高组成元器件可靠性等方面考虑。

可靠性分配是城轨交通交流牵引供电系统的复杂工程决策问题，不同系统影响可靠性因素不同，城轨交通交流牵引供电系统拓扑结构确定后，可靠性分配任务是把可靠度分配在子系统中。目前常用方法包括等分配法，综合评分分配法等。复杂系统可采用层次分析法，动态规划分配法等。可靠性分配目的是使系统可靠性指标合理分配到子系统，系统可靠度达到要求下，合理优化子系统可靠度。可靠性分配中要考虑多方面因素，城规交通牵引供电系统可靠性因素包括技术水平，维修程度等。

4 牵引整流机组接入方式

随着城市交通拥堵问题加重，选用DC3000V直流供电制式成为趋势。DC3000V供电制式牵引网与变电所能耗低。DC3000V是成熟的供电制式，国际电工委会为规范城轨交通电压制式提出相应标准。DC3000V供电系统具有电压等级高的特点，供电半径与直流供电电压等级关系为L=△U%×UDC/2IDCR0；L为供电半径m,Ro为线路单位电阻Ω。

采用DC1500V供电制式，区间变电所大双边供电距离6～6.5km，末端牵引供电区间在1.5km。区间变电所大双边供电距离为12km。电音变电所数量为n=L/Ln+1，L为正线线路长度km，Ln为牵引变电所平均间距km。牵引变电所数量可减少40%，相应设备数量减少。牵引供电系统设置两台整流机组挂接在35kv单母线分段供电网上，要求12脉波整流机一侧输入电源具有一致性。牵引整流机接入35kV母线分为整流机组进线独立与合并方案[3]。设备投资减少300万元。

表1 牵引整流机组接入方案比较

2套牵引整理机组通过35kV断路器并接在35kV母线，故障时牵引整流机组允许过负荷下运行。2套牵引整流机组设备相互独立；连跳关系增加，综合费用较高。方案1具有明显优势，允许整理机组仅限于近期客流不大情况。单套整流机组运行不能满足要求，近远期客流到来时间大多提前，建议采用牵引整流机组进线合并接线方式。

5 直流进线开关设置

我国城轨交通牵引供电系统采用直流供电模式，负极钢轨回流牵引方式，直流牵引正负轨受流轨产生电流相同，不存在杂散电流。提高城轨交通牵引供电电压等级，可以给负载输出更大功率。通常提高牵引变电所输出电压等级，会带来直流断路器等关键设备研发，电压等级配套有关设备标准的制定等问题。通过两组整流变压器中点接地，不改变系统结构性表增加电压等级，系统同过1500V与-1500V受流轨给机车供电，系统采用原有城轨交通DC1500V设备进行改造不会增加绝缘等级。

牵引变电所整流部分故障发生在牵引整流机组进线断路器；按方案1 设置直流进线开关，框架保护动作。增加备用母线设备用能断路器，在馈电区分段处设置纵向电动隔离开关，可实现大双边供电。按方案2恢复方式通过直流母线隔离开关越区。方案1动作顺序为2路整流变流器进线断路器→双边联跳相邻牵引所直流馈线断路器。直流进线采用电动隔离开关，牵引变电所按10座计算，随着城轨交通线路数量增多，节省投资可观。方案1,2技术性能内无明显差异，方案1投资节省。

6 推荐主接线形式

城轨交通车辆由列车车体、电力牵引传动、制动装置等构成。机车高压用电由牵引系统用电构成，经牵引电网供电，牵引电动机驱动轮对机车牵引传动。城轨交通牵引系统设备有主开关，充电回路，制动斩波电路等。城轨交通车辆普遍采用动力分散车辆编组，列车编组数量根据每日综合客流量等因素确定。计算公式为Z=Q/A×N×B，Q为高峰时最大单向断面客流力量；Z为城轨交通列车编组数[4]。

城轨交通动车有2个转向架4根动轴，综合车辆成本等多方面因素考虑，2C4M架式动力配置是常用方案。可将列车编组分为大中小编组，确定列车编组形式应综合考虑城市客流量等多方面因素。车辆开关器等需要增加耐压等级，可直接采用高耐压等级设备元件，供电方案主电路改动较大。列车编组单元中第一二节拖车电路不变由正受流弓受电，将第三节动车上牵引负载由受电弓受流。需要相应增加受流装置。由于车辆编组采用6辆车形式，采用动拖单元编组，每个单元为2动1拖，另一编组单元电力牵引系统电路由负受流端受电。将列车编组由正负受流轨手电，负端受流编组单元由负受流供轨供电，可沿用三轨系统设备。

负极开柜开关可选用电动隔离开关，相邻牵引所大双边供电。直流系统需检修，直流牵引设备与回流钢轨形成隔离断口。直流负极柜隔离开关改为手动。轨道交通线可节省投资600多万元。直流开关采用单母线方案，系统接线简单，因越区开关采用电动隔离开关，道闸操作需要牵引网停电处理。直流开关采用单母线方案，系统接线可靠。需对开关柜结构进行详细设计。设置框架保护降低运营可靠性。

7 结束语

城轨交通快速发展，使交流供电方案应运而生。本文对牵引供电系统牵引直流主线形式分析，介绍城轨交通交流交直流制供电方案年结构，根据交流制供电方案结构特点分析系统可靠性。推荐城轨交通牵引变电所主接线方式安全可靠，值得国内城轨交通建设推广。城轨交通牵引供电系统复杂，后续研究可考虑更多影响系统可靠性因素。