盛蓉蓉

（中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，430063，武漢∥高級(jí)工程師）

可用于DC 750 V及DC 1 500 V系統(tǒng)的牽引變電所設(shè)計(jì)

盛蓉蓉

（中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，430063，武漢∥高級(jí)工程師）

南車(chē)株洲電力機(jī)車(chē)有限公司廠(chǎng)區(qū)內(nèi)試驗(yàn)線(xiàn)路上既有DC 750 V牽引變電所無(wú)法滿(mǎn)足地鐵車(chē)輛型式試驗(yàn)的電壓要求。結(jié)合該試驗(yàn)線(xiàn)的特點(diǎn)，提出在試驗(yàn)線(xiàn)路新建1座牽引變電所，與既有牽引變電所構(gòu)成雙邊供電，以滿(mǎn)足地鐵車(chē)輛型式試驗(yàn)的電壓要求。同時(shí)，給出了可輸出DC 750 V、DC 1 500 V兩種不同電壓等級(jí)的新建牽引變電所設(shè)計(jì)方案及設(shè)備選型。

試驗(yàn)線(xiàn)；地鐵車(chē)輛；型式試驗(yàn)；牽引變電所設(shè)計(jì)

Author's address China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.，Ltd.，430063，Wuhan，China

1　工程背景

南車(chē)株洲電力機(jī)車(chē)有限公司廠(chǎng)區(qū)內(nèi)試驗(yàn)線(xiàn)線(xiàn)路總長(zhǎng)3.76 km，設(shè)DC 750 V牽引變電所1座。該牽引變電所距離試驗(yàn)線(xiàn)起點(diǎn)約1.43 km（即位于試驗(yàn)線(xiàn)路K1+430里程處）。試驗(yàn)線(xiàn)的既有供電方案示意圖如圖1所示。

圖1　既有供電方案示意圖

為滿(mǎn)足不同地鐵車(chē)型的試驗(yàn)要求，在試驗(yàn)線(xiàn)路上同時(shí)敷設(shè)了接觸網(wǎng)及接觸軌。其中，接觸網(wǎng)為全線(xiàn)架設(shè)，接觸軌僅在試驗(yàn)線(xiàn)路的K2+430至線(xiàn)路終點(diǎn)范圍內(nèi)敷設(shè)。接觸軌敷設(shè)起點(diǎn)距牽引變電所約1 km。接觸軌需要通過(guò)電纜從接觸網(wǎng)上取流。

根據(jù)業(yè)主方的要求，為滿(mǎn)足DC 750 V地鐵車(chē)輛的型式試驗(yàn)要求，在接觸軌供電起始點(diǎn)約400 m（K2+430～K2+830）的范圍內(nèi)，接觸軌供電電壓不應(yīng)低于740V。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，該區(qū)域接觸軌的電壓僅為710 V，既有牽引變電所無(wú)法滿(mǎn)足在該區(qū)域接觸軌供電電壓不低于740 V的要求。

2　供電方案比選

業(yè)主方的相關(guān)技術(shù)要求如下：

（1）為適應(yīng)企業(yè)的長(zhǎng)期發(fā)展戰(zhàn)略，牽引變電所需同時(shí)輸出DC 750 V及DC 1 500 V兩種電壓等級(jí)的供電電壓，以滿(mǎn)足國(guó)內(nèi)DC 750 V及DC 1 500 V兩種地鐵車(chē)輛的試驗(yàn)要求。

（2）需要滿(mǎn)足DC 750 V接觸軌供電制式車(chē)輛型式試驗(yàn)的電壓要求。即在規(guī)定范圍內(nèi)電壓不低于740 V的要求。

鑒于此，筆者提出了以下兩種解決方案。

2.1方案一：改遷既有變電所

現(xiàn)有試驗(yàn)線(xiàn)路的接觸軌并非從既有變電所直接取電，而是從經(jīng)過(guò)約1 km的架空接觸網(wǎng)上取電，由于架空接觸網(wǎng)部分的電壓降落較大，造成接觸軌無(wú)法滿(mǎn)足在規(guī)定范圍內(nèi)電壓不低于DC 740 V的相關(guān)要求。為滿(mǎn)足型式試驗(yàn)的電壓要求，考慮將既有的牽引變電所移至接觸軌敷設(shè)區(qū)域內(nèi)，由牽引變電所直流饋線(xiàn)至接觸軌供電，以減少供電線(xiàn)路的電壓損失，改善接觸軌供電范圍內(nèi)的電壓水平。同時(shí)，對(duì)既有變電所進(jìn)行改造，更換整流機(jī)組、直流開(kāi)關(guān)柜等設(shè)備，使其能同時(shí)輸出DC 750 V及DC 1 500 V兩種電壓。

2.2方案二：新建1座牽引變電所

在不改變既有牽引變電所供電方案的前提下，在接觸軌敷設(shè)區(qū)域的合適位置新建1座牽引變電所，與既有牽引變電所構(gòu)成局部雙邊供電，滿(mǎn)足DC 750 V接觸軌供電制式地鐵車(chē)輛型式試驗(yàn)的電壓要求。新建牽引變電所設(shè)2套整流機(jī)組，通過(guò)改變2套整流機(jī)組之間的串、并聯(lián)關(guān)系，可提供DC 750 V和DC 1 500 V兩種電壓等級(jí)的電源。

2.3方案推薦

兩個(gè)方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較如表1所示。

表1　兩種方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較

根據(jù)以上分析，方案一雖然能夠節(jié)約投資約150萬(wàn)元，但存在以下缺點(diǎn)：

（1）在既有變電所搬遷時(shí)，試驗(yàn)線(xiàn)路必須停電，無(wú)法進(jìn)行任何試車(chē)作業(yè)，影響工廠(chǎng)的正常生產(chǎn)作業(yè)。

（2）整條試驗(yàn)線(xiàn)路僅有1座牽引變電所，在該變電所檢修或更換設(shè)備時(shí)將中斷試車(chē)，影響工廠(chǎng)的正常生產(chǎn)作業(yè)。

（3）既有變電所于2004年開(kāi)始運(yùn)行，至今已有近10年，在搬遷的過(guò)程中部分設(shè)備可能會(huì)被損壞無(wú)法再次利用，無(wú)形中增加了投資。

（4）為滿(mǎn)足DC 750 V、DC 1 500 V兩種輸出電壓的要求，需對(duì)變電所的部分設(shè)備（主要是整流機(jī)組、直流設(shè)備）進(jìn)行更換，設(shè)備利用率不高。

（5）搬遷后，變電所的外部電源需要重新引入，也需增加部分投資。

（6）根據(jù)仿真結(jié)果，僅搬遷變電所，供電質(zhì)量仍無(wú)法得到有效保證。

因此，綜合考慮供電系統(tǒng)的供電質(zhì)量和企業(yè)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展，推薦方案二作為本次設(shè)計(jì)的供電方案（如圖2所示）。

圖2　推薦供電方案示意圖

3　DC 750 V/DC 1 500 V牽引變電所設(shè)計(jì)

3.1DC 750 V/DC 1 500 V輸出方案

目前地鐵工程已經(jīng)運(yùn)行的整流機(jī)組主要有DC 750 V和DC 1 500 V，DC 750 V和DC 1 500 V整流機(jī)組的輸出方案主要有整流機(jī)組分立和整流機(jī)組串并聯(lián)2種方式。

3.1.1方案一：整流機(jī)組分立方式

由2套輸出電壓相差15°的12脈波整流機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行構(gòu)成：一個(gè)三相全波整流橋接向整流變壓器的二次側(cè)星形繞組，另一個(gè)三相全波整流橋接向整流變壓器二次側(cè)的三角形繞組，每臺(tái)整流變壓器二次側(cè)星形繞組和三角形繞組相對(duì)應(yīng)的線(xiàn)電壓相位錯(cuò)開(kāi)15°，得到2個(gè)三相全波整流橋并聯(lián)組成的24脈波整流電路。

該方案在地鐵系統(tǒng)得到了廣泛應(yīng)用，但存在只能輸出一種電壓制式的缺陷。若需輸出兩種電壓制式，需設(shè)置相應(yīng)數(shù)量的2套整流機(jī)組，即設(shè)備數(shù)量及投資增加1倍。

3.1.2方案二：整流機(jī)組串并聯(lián)方式

設(shè)置2套DC 750 V整流機(jī)組，整流機(jī)組的耐壓及絕緣水平均按照DC 1 500 V系統(tǒng)設(shè)計(jì)。2套整流機(jī)組分立運(yùn)行時(shí)并聯(lián)輸出DC 750 V電壓，2套整流機(jī)組串聯(lián)時(shí)輸出DC 1 500 V電壓。

2套整流機(jī)組串聯(lián)輸出DC 1 500 V電壓時(shí)，相當(dāng)于2套整流機(jī)組內(nèi)阻抗串聯(lián)，會(huì)造成整流機(jī)組內(nèi)部的壓降過(guò)大，因此需采取低阻抗特種整流變壓器。

3.1.3方案選擇

如果要能同時(shí)輸出DC 750 V、DC 1 500 V兩種電壓，方案一需要增加1套DC 1 500 V的整流機(jī)組，增加了變電所用房面積及設(shè)備投資，需要增加投資約75萬(wàn)元；而方案二僅需在2套整流機(jī)組之間增加1臺(tái)隔離開(kāi)關(guān)，僅增加投資約5萬(wàn)元。

由此可以看出，方案二相比方案一可節(jié)約投資約70萬(wàn)元，同時(shí)可減少變電所用房面積及后期的運(yùn)營(yíng)維護(hù)工作；且整流機(jī)組的制造水平在國(guó)內(nèi)已經(jīng)很成熟，實(shí)施性強(qiáng)。因此，推薦采用方案二。

3.2牽引變電所主接線(xiàn)

新建牽引變電所AC 10 k V母線(xiàn)采用單母線(xiàn)接線(xiàn)方式，采用AC 10 k V空氣開(kāi)關(guān)柜，分別饋出2回AC 10 kV饋線(xiàn)至2套DC 750 V 12脈波整流機(jī)組。DC 750 V、DC 1 500 V兩種電壓制式的轉(zhuǎn)換通過(guò)2套整流機(jī)組之間的隔離開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)。直流側(cè)采用單母線(xiàn)接線(xiàn)方式，設(shè)置2回直流饋線(xiàn)，分別接至試驗(yàn)線(xiàn)路的接觸軌及接觸網(wǎng)。新建牽引變電所主接線(xiàn)圖如圖3所示。

圖3　新建牽引變電所主接線(xiàn)圖

當(dāng)2套整流機(jī)組之間的隔離開(kāi)關(guān)G 2031在分位，隔離開(kāi)關(guān)G 2011、G 2022在合位時(shí)，2套整流機(jī)組并聯(lián)，輸出等效24脈波DC 750 V電壓；當(dāng)2套整流機(jī)組之間的隔離開(kāi)關(guān)G 2031在合位，隔離開(kāi)關(guān)G 2011、G 2022在分位時(shí)，2套整流機(jī)組串聯(lián)，輸出12脈波DC 1 500 V電壓。

3.3牽引變電所設(shè)備選型

3.3.1整流機(jī)組設(shè)備選型

整流變壓器及整流器需同時(shí)滿(mǎn)足DC 750 V、DC 1 500 V兩種電壓制式的要求，從設(shè)備制造角度，應(yīng)采用DC 1 500 V系統(tǒng)的設(shè)備絕緣要求，同時(shí)滿(mǎn)足DC 750 V系統(tǒng)的大電流要求。與國(guó)內(nèi)主流的整流機(jī)組供貨商交流后，確定在DC 750 V電壓等級(jí)的整流變壓器及整流器基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，整流機(jī)組的耐壓及絕緣水平按照DC 1 500 V系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

針對(duì)2套整流機(jī)組串、并聯(lián)輸出電壓不平衡情況，在整流機(jī)組出口側(cè)均設(shè)置平衡電抗器，強(qiáng)制使2套整流器輸出容量一致。同時(shí)，采取低阻抗特種整流變壓器，確保2套整流機(jī)組串聯(lián)時(shí)，整流機(jī)組內(nèi)部產(chǎn)生的電壓降滿(mǎn)足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

3.3.2直流開(kāi)關(guān)柜設(shè)備選型

直流開(kāi)關(guān)設(shè)備同樣需滿(mǎn)足DC 750 V、DC 1 500 V兩種電壓制式的要求，但DC 1 500 V開(kāi)關(guān)設(shè)備的開(kāi)斷能力與DC 750 V開(kāi)關(guān)設(shè)備的開(kāi)斷能力有很大差異。經(jīng)過(guò)計(jì)算，采用常規(guī)的DC 1 500 V斷路器難以滿(mǎn)足DC 750 V斷路器開(kāi)斷電流的要求（DC 750 V系統(tǒng)的開(kāi)斷電流比DC 1 500 V系統(tǒng)的開(kāi)斷電流大得多）。與直流開(kāi)關(guān)柜供貨商研究后決定：直流開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部絕緣水平按照DC 1 500 V系統(tǒng)設(shè)計(jì)，開(kāi)斷能力按照DC 750 V系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

3.3.3鋼軌電位限制裝置設(shè)備選型

DC 750 V和DC 1 500 V系統(tǒng)的短路電流不同，元器件的選擇應(yīng)保證在短路情況（DC 750 V、DC 1 500 V系統(tǒng)）下經(jīng)過(guò)鋼軌電位限制裝置的短路電流能滿(mǎn)足要求。因此，設(shè)備的耐壓及絕緣水平按照DC 1 500 V系統(tǒng)配置，設(shè)備的動(dòng)熱穩(wěn)定性能、載流能力按照DC 750 V系統(tǒng)配置。

該牽引變電所直流部分設(shè)備均為特種設(shè)備，在設(shè)備采購(gòu)時(shí)均明確提出了特殊使用要求。目前，該牽引變電所設(shè)備已安裝完成且投入使用，運(yùn)行情況良好。

4　結(jié) 語(yǔ)

結(jié)合南車(chē)株洲電力機(jī)車(chē)有限公司試驗(yàn)線(xiàn)路的特點(diǎn)，提出了一種可輸出DC 750 V、DC 1 500 V兩種不同電壓等級(jí)的牽引變電所設(shè)計(jì)方案。該牽引變電所的設(shè)計(jì)方案及設(shè)備選型方案在國(guó)內(nèi)沒(méi)有成熟案例，部分設(shè)備需要特殊制造。該牽引變電所的成功投運(yùn)，可為以后地鐵試驗(yàn)線(xiàn)路牽引變電所的設(shè)計(jì)提供參考及技術(shù)基礎(chǔ)。

［1］ 劉長(zhǎng)志.長(zhǎng)春客車(chē)廠(chǎng)直流試驗(yàn)線(xiàn)牽引供電系統(tǒng)［J］.現(xiàn)代城市軌道交通，2012（4）：4.

［2］ 李建民.城市軌道交通供電［M］.成都：西南交通大學(xué)出版社，2007.

［3］ GB 50157—2003地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［4］ GB/T 50062—2008電力裝置的繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［5］ 王國(guó)英，周勁鳳，劉學(xué)明，等.交、直流混合牽引供電系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用研究［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，2009（6）：122.

Traction Substation Design Applicable to DC 750 V and DC 1 500V System

Sheng Rongrong

In CSR Zhuzhou Electric Locomotive Co.，Ltd，the existing DC 750 V traction on the factory test line could not satisfy the requirement for the testing voltage of new metro train.According to the line characters，it is proposed that a new traction substation be built on the test line to constitute bilateral power supply substation with the existing DC 750 V traction，so as to meet the requirements of test voltage on newtype metro vehicle.At the same time，the design of new traction substation with two different voltage grades of power supply：the output DC 750 V and DC 1 500 V，and the related equipment selection are discussed.

test line；metro train；type testing；traction substation design

U 224

10.16037/j.1007-869x.2015.07.010

2013-09-26）