末端牵引变电所直流供电系统研究

朱江

（南宁轨道交通建设有限公司，广西 南宁 530022）

1 总述

随着国内轨道交通的持续发展，城市轨道交通线网日益密集，为城市轨道交通提供能源的供电系统的重要性日益突出。目前，城市轨道交通供电系统通过中压环网（AC10kV、AC20kV、AC35kV）分配高压电力，在线路沿线设置多座降压变电所和牵引与降压混合变电所用以变换电能形式，供车站与机车牵引使用。降压变电所是利用降压变压器，将引入的高压电降压为工业与民用适用的AC0.4kV 电力，配送给车站内用电设备使用；牵引与降压混合变电所除了具备给车站内电设备供给AC0.4kV 电力之外，还利用牵引变压器、整流器等，将引入的高压电变换为城市轨道交通列车使用的DC1500V 或DC750V 电力。

2 现有技术应用情况

2.1 典型城市轨道交通供电系统牵引与降压混合变电所主接线方案

当前典型城市轨道交通供电系统牵引与降压混合变电所主接线方案如图1 所示，通常利用交流系统变压器降低电压后，经过整流机组，将电能变换为直流系统供给机车使用，这种配置既可以满足高压交流供电系统长距离输电需求，满足车站普通工业与民用电能需求，还能满足城市轨道交通车辆直流用电需求，满足城市轨道交通供电系统的高效性和可靠性要求。高压系统部分采用单母线分段形式[1]，一般正常工况下，母线打开，交流高压一、二段母线分列运行。给配电系统提供0.4kV 电力的配电变压器分别挂载在高压一、二段母线上，互不影响，互为主备，共同给车站配电系统供电；给机车提供电力的直流系统部分的整流变压器挂载在同一段母线上（图1 中挂载于二段母线上，临站挂载在一段母线上，有利于整个供电系统的功率平衡），1#和2#整流变压器为相移角+7.5°和-7.5°的一组，经低压侧两个Y、Δ 接线分裂线圈，将高压电降压分裂为24 脉波交流电，在提高整流机组可靠性的同时，也可以降低整流机组给高压系统反向输入的谐波，而后，经过两台整流器整流输出到直流单母线上，通过直流断路器分配电力，利用直流电缆向轨道上的机车输送电能。

图1 典型牵引与降压混合变电所主接线图

2.2 牵引变电所布置原则

城市轨道交通牵引变电所布置应尽量靠近交通线路，以减少牵引电力输送距离，降低线路损耗和避免直流电力供电质量问题，一般情况下，线路每隔一定的距离就需要布置一座牵引变电所，而城市轨道交通一般修建在城市区域，允许布置的空间有限，也受到征地拆迁的限制，因此在设计和布置牵引变电所时，应优先考虑与城市轨道交通车站合建，既可以保障站点的工业用电与民用电，还可以优化站点空间，减少后期维护与巡视的人工成本。牵引变电所的布置除受到土建因素制约外，还需遵循以下原则（以DC1500V 系统为例）：一是牵引网最低电压水平不低于1000V；二是牵引网属于一级负荷中的特别重要负荷，因此若出现电压过低或失电现象则需支援供电；三是钢轨对地电压需满足《地铁设计规范》（GB 50157—2013）等规范的要求[2]。

基于以上原则，通过供电计算，如图2 所示，一般牵引变电所根据线路情况布置如下：牵引变电所间距Lcb、Lab 在2～3km 左右，保证牵引变电所B 退出供电时，其相邻两牵引变电所A、C 能同时对牵引变电所B 形成“大双边”供电，“大双边”供电距离一般不超过6km；末端牵引变电所与相邻牵引变电所距离Lab一般小于2km，末端牵引变电所与线路末端距离Lam一般不超过1km，保证当牵引变电所A 退出供电时，由牵引变电所B 向线路末端单边供电。线路上布置多座牵引变电所，以满足机车全线运行过程中的供电需求。

图2 末端牵引变电所位置关系简化示意图

3 增强型末端牵引变电所直流供电系统研究

3.1 现有末端牵引变电所直流供电系统存在的问题分析

现有牵引变电所一般与车站进行合建，能最大程度地利用车站资源，减少土建的投入。但土建站位布点不一定满足车辆牵引供电需求，如图2 所示，若A、B 牵引变电所位置选取不佳，如需跨江、穿越地质条件复杂的隧道时，或牵引变电所A 为本期线路末端牵引站，并到本期线路末端间距Lam 过长，牵引变电所A、B 在双边供电下能满足列车牵引供电需求，但当A牵引变电所退出供电时，B 牵引变电所向线路末端Lab+Lam 供电臂供电时，可能造成牵引网网压在列车远期高峰小于行车交路时，供电电压低于1000V 的设计标准，或钢轨对地电位超出《地铁设计规范》（GB 50157—2013）运行要求等问题[3]。

针对上述问题，当前普遍的设计方案是在牵引变电所A、B 之间或牵引变电所至线路末端的区间风井或桥面路基下增设区间牵引变电所，用以减小牵引变电所A、B 或线路末端单边供电的距离，达到当牵引变电所A 退出供电时，风井B 的区间牵引变电所可以向线路末端单边供电，或风井A 与牵引变电所B 构成双边供电，风井A 牵引变电所减小了其到线路末端单边供电的距离，达到满足机车牵引供电需求的目的。

城市轨道交通线路由于供电质量不佳，而需增设区间风井，不仅带来区间风井土建及设备投资成本的增加，还可能面临一些技术问题和困难，具体包括：一是地铁线路通常会穿越各种不同的地质构造，如岩层、软土、泥炭等，对于增设区间风井的设计和建设都带来了一定的挑战。二是增设区间风井需要针对复杂的地下结构进行设计和建设，包括开挖隧道、安装隧道支护结构、埋设风井等一系列工程，需要具备先进的技术和施工能力。三是地铁区间风井的建设需要进行大量的开挖和支护施工，可能对周围环境造成噪声、振动等影响，同时也需要考虑到施工对周围地下管道、地下水等的影响，需要采取相应的环保措施。四是可能引起规划、征地等政策问题。

产生以上问题的根源在线路牵引变电所的布点方案与车站、线路布点不匹配，尤其是末端车站牵引变电所的位置选取，需要兼顾的问题较多，无法有效兼顾在减少牵引变电所的同时又满足机车牵引供电需求。

3.2 末端直流系统主接线新方案

针对以上既有工程末端牵引变电所直流供电系统的问题，提出的末端牵引与降压混合变电所主接线新方案如图3 所示。

图3 末端牵引与降压混合变电所主接线新方案示意图

与图1 典型牵引与降压混合变电所主接线图不同的是，新方案的牵引与降压混合变电所高压母线与直流母线都设计为双母线形式。交流高压断路器101、102、201、202、301、302 和直流断路器201、202、211、212、213、214 与其所搭配的1#、2#隔离开关配合使用。

高压35kV 双母线是一种电力系统中常用的布置方式，其采用两条35kV 电压等级的电力母线运行，以提高电力系统的可靠性和安全性。其运行方式为：一是每条母系都可以独立运行，也可以同时运行。当一条母线出现故障或进行维护时，另一条母线可以继续为电网供电，从而保证供电的连续性和可靠性。二是两条母线之间设有切换开关，以便在必要时切换电源。例如，当一条母线需要进行维护时，可以通过切换开关将负载转移到另一条母线上，然后进行必要的维护。三是在35kV 双母线的运行中，需要对母线进行定期的检修和维护，以确保其正常运行。例如，对母线和开关设备进行过电压、过电流保护，以防止由于外部干扰或内部故障导致电力系统的故障和损坏。结合图3 说明其具体设置如下：401 与402 为常规配置高压断路器，分别接入A 段和B 段母线给配电变压器使用，A、B 段母线分别置于不同气室内，保证互相的电气隔离。正常工况下，只有1#隔离开关闭合，同一时间内，不允许2#隔离开关合闸。母线间快速联络断路器120 正常工况下处于分闸状态，当发生一路电源失电时，闭锁失电回路进线合闸，并通过自身快速合闸达到A、B 母线间互相快速支援的目的。整流机组挂接于同一段母线（B 母线）上，产生完整的24 脉波交流电，降低整流机组反向对电网输入的谐波。

DC1500V 双母线是一种电力系统的运行方式，它通常应用于直流供电系统中，例如铁路牵引系统、电动车辆、工业生产等领域。直流双母线指的是在电力系统中，将电源分为两个相互独立的母线，采用数字化控制技术和通信技术，实现对系统运行状态的监测和控制，可以及时发现系统中的故障和异常情况，并采取相应的措施进行处理，确保系统的稳定运行，一般情况下，DC1500V 双母线系统配置过流保护、过压保护、过温保护等装置，以有效地防止系统因故障而受到损坏，保障系统的可靠运行。结合图3 说明其具体的设置如下：直流系统设置两条相互独立绝缘安装的直流母线DC_A 与DC_B。正常工况下，所有直流电动隔离开关都只有1#隔离开关闭合，2#隔离开关打开，1#、2#整流机组分别对直流母线DC_A 与DC_B 供电，直流断路器203 闭合，两段直流母线连通，减小输出的直流脉冲电流与电压。为避免直流设备框架泄漏导致全所直流系统退出，设置了多套框架泄漏保护装置，分别为DC_A 段母线，DC_B 段母线，1#整流器，2#整流器，201、211、212 组断路器室，202、213、214 组断路器室，203 断路器室。组间框架泄漏保护装置内的器件各自绝缘安装，保证在直流系统发生框架泄漏时不扩大停电范围。

3.3 末端直流系统采用主接线新方案将带来的效益收获分析

采用全所直流部分与交流部分全部按主备母线方案进行配置，供电可靠性高，运行方便灵活，由于直流与交流部分都配置了主备冗余的设计方案，任一组母线或设备故障，均可通过倒闸操作进行支援供电，便于不停电检修和扩建，能灵活应对系统各种运行方式下的需求，在适当增加牵引变电所设备投资的情况下，减少了新设牵引变电所带来的技术、经济与政策困难。既保障了变电所自身可靠性，也满足了给特别重要设备供电的持续性与备用冗余性要求，减少了“大双边”供电带来的各种技术难题，有效降低了牵引变电所布置的难度。

4 结语

本文通过对城市轨道交通末端牵引变电所直流供电系统的研究分析可知：既有工程末端牵引变电所直流供电系统采用典型主接线方案，会带来土建、规划、征地等方面的问题。基于典型主接线方案，提出了直流系统采用双直流母线方案，有效解决了为了保障城市轨道交通线路末端直流系统机车取流而增设牵引变电所带来的技术、经济与政策上的问题，有效降低了末端牵引变电所的布置难度。