城市軌道交通牽引變電所主接線的優(yōu)化分析

侯天佑

中車大連電力牽引研發(fā)中心有限公司 遼寧 大連 116000

引言

隨著21世紀(jì)社會生活節(jié)奏加快，城軌交通在現(xiàn)代城市生活中發(fā)揮重要作用。城軌交通具有行車速度快，運行穩(wěn)定，機車不帶染料，對環(huán)境污染小等優(yōu)點。隨著鐵路交流供電技術(shù)的成熟，城軌交通中開始研究交流制供電方案。城軌交通供電系統(tǒng)可靠性意義重大，加強城軌交通供電設(shè)備可靠性研究非常必要[1]。目前城軌交通牽引供電系統(tǒng)主接線大多采用牽引變電所設(shè)整理機組。本文研究城軌交通牽引變電所主接線設(shè)計，確保供電系統(tǒng)安全，提出優(yōu)化可行方案。

1 城軌交通交直流制供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

城軌交通供電系統(tǒng)由外部電源系統(tǒng)等組成，具有用電需求量大等特點，變電所變換低壓電流傳送給電力機車。城軌交通通常采用集中供電方式。國內(nèi)外廣泛使用直流制，目前直流制存在供電系統(tǒng)建設(shè)維護費用高等問題[1]。直流制供電缺點是運行中產(chǎn)生迷流，全線需設(shè)置專用監(jiān)測系統(tǒng)。

城軌交通牽引供電系統(tǒng)由牽引變電所等組成。根據(jù)城軌交通牽引供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為牽引變電所等部分。城軌交通甲流牽引供電系統(tǒng)中，主變電所牽引端口連接35kV雙芯電纜供電線PS，中心變電所承擔(dān)核心任務(wù)。交流制供電方案具有經(jīng)濟性、維護方便等優(yōu)勢。直流制供電缺點是運行中產(chǎn)生迷流，直流制供電方案中變電設(shè)備繁多，交流制供電系統(tǒng)供電能力強，供電方案經(jīng)濟性較好。

城軌交通牽引變電所電氣主接線整流機組是實現(xiàn)交流變?yōu)橹绷鞯碾姎庵饕O(shè)備。壓側(cè)電氣主接線采用分段單母線接線形式，中壓電源進線WL1,WL2為備用獨立電纜線。分段母線接線方案設(shè)備較少，運行靈活性較大。直流側(cè)電氣主接線包括負母線等配電設(shè)備構(gòu)成。直流電氣主接線分為單雙母線接線形式。單母線接線系統(tǒng)特點是具有較高靈活性；增加牽引變電所一次投入設(shè)置移動備用饋線斷路器。

單相相組合供電方案可節(jié)省變壓器，中心變電所采用單相牽引變壓器的供電方案，主變壓器要正常工作。主牽引變壓器高壓匹配變壓器采用不等邊Scott接線方式連接，補償端口與主編牽引變壓器接到牽引母線上。城軌供電系統(tǒng)中心電纜沿線路鋪設(shè)在地下，結(jié)構(gòu)從內(nèi)到外由線芯、外護套等部分組成。城軌中為節(jié)約線路成本，城軌交通電纜鋪設(shè)方式多為地下，電纜可靠性較高[2]。

2 城軌交通牽引供電模式存在的問題

隨著城市經(jīng)濟的快速發(fā)展，城軌交通建設(shè)加快。城軌交通建設(shè)有利于方便人們的出行，推動城市經(jīng)濟發(fā)展。發(fā)展城軌交通有利于帶動周圍城市共同發(fā)展，城軌交通發(fā)展有效解決城市交通擁堵問題。牽引供電系統(tǒng)是城軌交通的重要部分，通過對牽引供電系統(tǒng)受電方案仿真分析，可以提高設(shè)計效率。

目前我國城軌交通采用三軌供電模式，新建城軌交通工程采用DC1500V電壓等級，牽引供電模式存在很多問題有待解決。當(dāng)前城軌交通牽引供電模式存在供電能力，雜散電流與電磁干擾等問題。隨著軌道交通的發(fā)展，人們對車輛運載能力要求不斷提高。采用DC1500V供電制式區(qū)間變電所大雙邊供電距離6～6.5km。城軌交通供電系統(tǒng)中軌道電位是重要的安全性問題，軌道對地電位過高會影響直流設(shè)備運行。三軌系統(tǒng)中由于系統(tǒng)電流大，系統(tǒng)周圍產(chǎn)生較強的電磁干擾。直流電場形成雜散電流會破壞系統(tǒng)附近埋設(shè)金屬管道設(shè)施。

城軌交通供電系統(tǒng)由動力照明供電系統(tǒng)等組成，具有用電需求量大等特點，變電所將高壓交流電轉(zhuǎn)換為低壓直流電，動力照明系統(tǒng)主要為受流器將低壓直流電傳送給電力機車。城軌交通通暢采用集中供電方式，牽引供電系統(tǒng)采用直流制與工頻單相交流制。國內(nèi)外廣泛使用的直流制技術(shù)相對成熟。但目前存在建設(shè)維護費用高，供電能力較弱等問題。直流制供電運行中產(chǎn)生迷流，全線需設(shè)置專用監(jiān)測系統(tǒng)。直流制供電方式變電所設(shè)施數(shù)量較多，牽引網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，導(dǎo)致城軌交通直流制建設(shè)成本較多。交流制供電電壓等級高，交流制供電電壓等級具有明顯優(yōu)勢。

城軌交通供電可靠性對供電系統(tǒng)具有重要通，加強城軌交通供電可靠性研究非常必要。城軌交通供電出現(xiàn)事故后果嚴(yán)重，目前城軌交通多采用直流制供電，隨著城軌交通的發(fā)展，DC1500V三軌供電系統(tǒng)存在問題亟待解決。通過研究城軌交通DC3000V供電方案，提出正負軌受流中點接地系統(tǒng)，結(jié)合城軌交通供電系統(tǒng)存在問題，改善城軌交通供電質(zhì)量，解決雜散電流，電磁干擾等一系列問題具有重要現(xiàn)實意義。

3 城軌交通牽引供電系統(tǒng)可靠性分析

以某城規(guī)交通交流制供電方案為例，設(shè)置3個中心變電所，運用兩根電纜滿足載流量需求。中心變電所采用3個正常工作+1個備用供電方案，中心變電所與沿線牽引變電所通過電纜連接。單根電纜可靠性參數(shù)平均維修時間MTTR=6.28小時，每根電纜長為1km。中心變電所供電臂供電電纜區(qū)域不同，電纜可靠性參數(shù)代表整條線路電纜參數(shù)。電纜是傳輸電能的重要電工產(chǎn)品，電纜結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使用35kV交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜由絕緣層與保護層等構(gòu)成，電纜導(dǎo)體工作溫度高，耐熱性好等特點廣泛應(yīng)用于城軌交通工程。

電纜可靠性研究非常必要，電纜由于外界自然環(huán)境發(fā)生故障概率較低，電纜造成故障人為外力破壞占58%，外力破壞要加強工程管理部門監(jiān)管，加強施工人員技術(shù)水平；嚴(yán)格按照規(guī)范進行電纜施工安裝，生產(chǎn)廠家要嚴(yán)格把控電纜附件產(chǎn)品質(zhì)量。城規(guī)交通交流牽引供電系統(tǒng)牽引變電所主接線結(jié)構(gòu)相同，主接線1#2#進線互為備用，牽引變電所主接線有兩種正常運行工況。正常工作概率符合可靠性設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，相鄰變電所采用越區(qū)供電方式完成故障所供電等工作，恢復(fù)正常運行模式。牽引供電系統(tǒng)接觸網(wǎng)故障率最高，需要研究接觸網(wǎng)可靠性。提高子系統(tǒng)可靠性可以從提高組成元器件可靠性等方面考慮。

可靠性分配是城軌交通交流牽引供電系統(tǒng)的復(fù)雜工程決策問題，不同系統(tǒng)影響可靠性因素不同，城軌交通交流牽引供電系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)確定后，可靠性分配任務(wù)是把可靠度分配在子系統(tǒng)中。目前常用方法包括等分配法，綜合評分分配法等。復(fù)雜系統(tǒng)可采用層次分析法，動態(tài)規(guī)劃分配法等?？煽啃苑峙淠康氖鞘瓜到y(tǒng)可靠性指標(biāo)合理分配到子系統(tǒng)，系統(tǒng)可靠度達到要求下，合理優(yōu)化子系統(tǒng)可靠度?？煽啃苑峙渲幸紤]多方面因素，城規(guī)交通牽引供電系統(tǒng)可靠性因素包括技術(shù)水平，維修程度等。

4 牽引整流機組接入方式

隨著城市交通擁堵問題加重，選用DC3000V直流供電制式成為趨勢。DC3000V供電制式牽引網(wǎng)與變電所能耗低。DC3000V是成熟的供電制式，國際電工委會為規(guī)范城軌交通電壓制式提出相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)。DC3000V供電系統(tǒng)具有電壓等級高的特點，供電半徑與直流供電電壓等級關(guān)系為L=△U%×UDC/2IDCR0；L為供電半徑m,Ro為線路單位電阻Ω。

采用DC1500V供電制式，區(qū)間變電所大雙邊供電距離6～6.5km，末端牽引供電區(qū)間在1.5km。區(qū)間變電所大雙邊供電距離為12km。電音變電所數(shù)量為n=L/Ln+1，L為正線線路長度km，Ln為牽引變電所平均間距km。牽引變電所數(shù)量可減少40%，相應(yīng)設(shè)備數(shù)量減少。牽引供電系統(tǒng)設(shè)置兩臺整流機組掛接在35kv單母線分段供電網(wǎng)上，要求12脈波整流機一側(cè)輸入電源具有一致性。牽引整流機接入35kV母線分為整流機組進線獨立與合并方案[3]。設(shè)備投資減少300萬元。

表1 牽引整流機組接入方案比較

2套牽引整理機組通過35kV斷路器并接在35kV母線，故障時牽引整流機組允許過負荷下運行。2套牽引整流機組設(shè)備相互獨立；連跳關(guān)系增加，綜合費用較高。方案1具有明顯優(yōu)勢，允許整理機組僅限于近期客流不大情況。單套整流機組運行不能滿足要求，近遠期客流到來時間大多提前，建議采用牽引整流機組進線合并接線方式。

5 直流進線開關(guān)設(shè)置

我國城軌交通牽引供電系統(tǒng)采用直流供電模式，負極鋼軌回流牽引方式，直流牽引正負軌受流軌產(chǎn)生電流相同，不存在雜散電流。提高城軌交通牽引供電電壓等級，可以給負載輸出更大功率。通常提高牽引變電所輸出電壓等級，會帶來直流斷路器等關(guān)鍵設(shè)備研發(fā)，電壓等級配套有關(guān)設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)的制定等問題。通過兩組整流變壓器中點接地，不改變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)性表增加電壓等級，系統(tǒng)同過1500V與-1500V受流軌給機車供電，系統(tǒng)采用原有城軌交通DC1500V設(shè)備進行改造不會增加絕緣等級。

牽引變電所整流部分故障發(fā)生在牽引整流機組進線斷路器；按方案1 設(shè)置直流進線開關(guān)，框架保護動作。增加備用母線設(shè)備用能斷路器，在饋電區(qū)分段處設(shè)置縱向電動隔離開關(guān)，可實現(xiàn)大雙邊供電。按方案2恢復(fù)方式通過直流母線隔離開關(guān)越區(qū)。方案1動作順序為2路整流變流器進線斷路器→雙邊聯(lián)跳相鄰牽引所直流饋線斷路器。直流進線采用電動隔離開關(guān)，牽引變電所按10座計算，隨著城軌交通線路數(shù)量增多，節(jié)省投資可觀。方案1,2技術(shù)性能內(nèi)無明顯差異，方案1投資節(jié)省。

6 推薦主接線形式

城軌交通車輛由列車車體、電力牽引傳動、制動裝置等構(gòu)成。機車高壓用電由牽引系統(tǒng)用電構(gòu)成，經(jīng)牽引電網(wǎng)供電，牽引電動機驅(qū)動輪對機車牽引傳動。城軌交通牽引系統(tǒng)設(shè)備有主開關(guān)，充電回路，制動斬波電路等。城軌交通車輛普遍采用動力分散車輛編組，列車編組數(shù)量根據(jù)每日綜合客流量等因素確定。計算公式為Z=Q/A×N×B，Q為高峰時最大單向斷面客流力量；Z為城軌交通列車編組數(shù)[4]。

城軌交通動車有2個轉(zhuǎn)向架4根動軸，綜合車輛成本等多方面因素考慮，2C4M架式動力配置是常用方案?？蓪⒘熊嚲幗M分為大中小編組，確定列車編組形式應(yīng)綜合考慮城市客流量等多方面因素。車輛開關(guān)器等需要增加耐壓等級，可直接采用高耐壓等級設(shè)備元件，供電方案主電路改動較大。列車編組單元中第一二節(jié)拖車電路不變由正受流弓受電，將第三節(jié)動車上牽引負載由受電弓受流。需要相應(yīng)增加受流裝置。由于車輛編組采用6輛車形式，采用動拖單元編組，每個單元為2動1拖，另一編組單元電力牽引系統(tǒng)電路由負受流端受電。將列車編組由正負受流軌手電，負端受流編組單元由負受流供軌供電，可沿用三軌系統(tǒng)設(shè)備。

負極開柜開關(guān)可選用電動隔離開關(guān)，相鄰牽引所大雙邊供電。直流系統(tǒng)需檢修，直流牽引設(shè)備與回流鋼軌形成隔離斷口。直流負極柜隔離開關(guān)改為手動。軌道交通線可節(jié)省投資600多萬元。直流開關(guān)采用單母線方案，系統(tǒng)接線簡單，因越區(qū)開關(guān)采用電動隔離開關(guān)，道閘操作需要牽引網(wǎng)停電處理。直流開關(guān)采用單母線方案，系統(tǒng)接線可靠。需對開關(guān)柜結(jié)構(gòu)進行詳細設(shè)計。設(shè)置框架保護降低運營可靠性。

7 結(jié)束語

城軌交通快速發(fā)展，使交流供電方案應(yīng)運而生。本文對牽引供電系統(tǒng)牽引直流主線形式分析，介紹城軌交通交流交直流制供電方案年結(jié)構(gòu)，根據(jù)交流制供電方案結(jié)構(gòu)特點分析系統(tǒng)可靠性。推薦城軌交通牽引變電所主接線方式安全可靠，值得國內(nèi)城軌交通建設(shè)推廣。城軌交通牽引供電系統(tǒng)復(fù)雜，后續(xù)研究可考慮更多影響系統(tǒng)可靠性因素。