余曉光 王鋼輝 馮洪高

(1.南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2. 國(guó)網(wǎng)湖州供電公司)

0 引言

城市軌道交通(簡(jiǎn)稱“城軌”)變電所是城軌運(yùn)輸電力變換分配樞紐與核心環(huán)節(jié)，其主接線設(shè)計(jì)又是變電所設(shè)計(jì)的重要部分。主接線的確定與城軌牽引變電所運(yùn)行的可靠性、靈活性和經(jīng)濟(jì)性密切相關(guān)；并且對(duì)電氣設(shè)備的選擇、配電裝置布置、繼電保護(hù)和控制方式有較大影響。因此需要綜合考慮經(jīng)濟(jì)技術(shù)等多方面因素，保證城市軌道牽引可靠性的前提下，協(xié)調(diào)好靈活與經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，合理優(yōu)化確定主接線方案。

本文通過(guò)對(duì)常見(jiàn)的城軌110kV變電所常用主接線方案進(jìn)行量化分析與優(yōu)化，在滿足城市軌道交通供電可靠性要求前提下，從繼電保護(hù)、投資、維護(hù)費(fèi)用及供電靈活性方面對(duì)城軌變電所主接線方案進(jìn)行比較。

1 城軌110kV變電所供電要求

城軌110kV變電所主接線需滿足的基本要求是：

1.滿足供電可靠性并保證電能質(zhì)量；

2.接線簡(jiǎn)單、清晰且操作方便；

3.運(yùn)行具有一定的靈活性、檢修方便；

4.具有經(jīng)濟(jì)性，投資少、運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用低。

5.具有擴(kuò)建的可能性。

城軌110kV變電所的主要負(fù)荷是牽引負(fù)荷，為一級(jí)負(fù)荷，要求采用雙路電源供電；常用的主接線方案主要有單母線分段接線、內(nèi)橋接線、外橋接線、線路變壓器組等[1]。各接線方案各有特點(diǎn)，實(shí)際工程中都有應(yīng)用，但在主接線方案選擇時(shí)原則性分析多，量化分析少，方案確定存在一定的盲目性。

2 110kV變電所常用主接線分析

2.1 單母線分段接線

單母線分?jǐn)嘟泳€一般使用于110kV出線在4～6回的110kV變電所，城軌牽引變電所一般引入雙回路電源，引入后除本所牽引變壓器無(wú)其它負(fù)荷出線。單母線分?jǐn)嘟泳€需要5臺(tái)110kV斷路器，且需布置母線等設(shè)備，接線復(fù)雜，設(shè)備占地較多，雖然擴(kuò)展性較好但是不適用于城軌變電所及類似終端變電所。城軌110kV變電所常采用無(wú)母線的橋型接線、線路變壓器組接線等接線形式，接線更為簡(jiǎn)潔，設(shè)備少占地面積較小。下面我們對(duì)這幾種接線方式的性能進(jìn)行分析討論。

2.2 橋型接線

橋型接線高壓斷路器數(shù)量少，只需三臺(tái)斷路器，占地面積較小，適用于不需要擴(kuò)建的終端變電所。根據(jù)橋聯(lián)斷路器相對(duì)于線路斷路器位置分為內(nèi)橋接線和外橋接線。

內(nèi)橋接線如圖1(1)所示，橋聯(lián)斷路器位于線路斷路器內(nèi)側(cè)，靠所內(nèi)變壓器側(cè)，一回外線停電時(shí)可通過(guò)橋開(kāi)關(guān)投入，由另外一路電源供電，供電較為可靠，適用于線路較長(zhǎng)或故障率較高的一、二級(jí)負(fù)荷供電。但是變壓器的投入和切除較為復(fù)雜，需動(dòng)作兩臺(tái)斷路器，影響一回路的供電。

外橋接線如圖1(2)所示，橋聯(lián)斷路器位于線路斷路器外側(cè)，靠進(jìn)線側(cè)，變壓器的投入和切除較為方便，供電較為可靠，適用于外部供電線路可靠的一、二級(jí)負(fù)荷供電，當(dāng)線路有穿越功率時(shí)也適用于此種接線。但是當(dāng)外部供電線路故障時(shí)，電源線路投切較為復(fù)雜，需動(dòng)作兩臺(tái)斷路器，會(huì)有一臺(tái)變壓器暫時(shí)停電。

2.3 線路變壓器組接線

線路變壓器組接線如圖2所示，由兩個(gè)線路變壓器組接線組成，110kV側(cè)沒(méi)有橋聯(lián)開(kāi)關(guān)連接。這種接線最為簡(jiǎn)單，設(shè)備最少，占地最少，投資最省繼電保護(hù)整定最為簡(jiǎn)單；但是運(yùn)行不夠靈活，適用于終端變電所，通過(guò)低壓側(cè)單母線分段接線可以用于一、二級(jí)負(fù)荷供電。

3 主接線可靠性量化分析理論

目前主接線方案可靠性的量化分析評(píng)價(jià)方法主要有三大類：解析法|、模擬仿真法和智能算法[2-4]。其中解析法是對(duì)電氣主接線中的設(shè)備元件進(jìn)行建模分析，電力系統(tǒng)屬于一類可修復(fù)馬爾可夫鏈系統(tǒng)；針對(duì)電氣主接線中各元件進(jìn)行建模，系統(tǒng)的主要參量有：故障率λ(次/年)，平均修復(fù)時(shí)間r(小時(shí))，年平均故障時(shí)間DHY(小時(shí))，固有可用度Ai，亦稱為系統(tǒng)可用率。年平均故障時(shí)間及固有可用度計(jì)算公式如下[3]：

DHY=λ×r

(1)

(2)

本文采用一種基于解析法的主接線評(píng)價(jià)方法并與工程實(shí)際結(jié)合進(jìn)行分析。[3]

4 城軌110kV變電所主接線量化分析

4.1 主接線可靠性計(jì)算

通過(guò)對(duì)定性的分析討論了110kV城軌變電所主接線的特性，下文采用量化方法討論變電所主接線的可靠性。計(jì)算采用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)如表1所示。

計(jì)算城軌110kV變電所，內(nèi)橋接線、外橋接線、線路變壓器組接線110kV變壓器進(jìn)線高壓套管端(如圖A1、B1、C1點(diǎn))和35kV電纜出線末端(如圖A2、B2、C2點(diǎn))的可靠性。計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 城軌110kV變電所35kV出線可靠性計(jì)算結(jié)果

4.2 主接線造價(jià)計(jì)算

110kV線路變壓器組接線設(shè)備造價(jià)約1700萬(wàn)元，110kV斷路器61萬(wàn)元/臺(tái)，110kV隔離開(kāi)關(guān)16萬(wàn)元/臺(tái)，高可靠性供電費(fèi)用90元/kVA計(jì)算。某地鐵110kV變電所設(shè)置2臺(tái)變壓器25MVA。橋型接線與線路變壓器組接線造價(jià)計(jì)算如表3所示。因?yàn)橥饩€長(zhǎng)度未知，本次計(jì)算只考慮橋型接線每條線路兩臺(tái)變壓器的容量高可靠性供電費(fèi)用，不計(jì)算因此需要增加的線路造價(jià)[5]。

表3 造價(jià)分析(單位：萬(wàn)元)

4.3 主接線對(duì)比分析

通過(guò)以上的計(jì)算可以分析得出：

1. 110kV變壓器進(jìn)線高壓套管端：線路變壓器組接線與外橋接線可靠性類似，內(nèi)橋接線由于可以快速的切換供電電源線路，一路電源停電時(shí)可以迅速恢復(fù)供電，故可靠性較高。

2.城軌變電所內(nèi)橋、外橋、線路變壓器組接線35kV側(cè)都采用單母線分?jǐn)嘟泳€。經(jīng)過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)盡管110kV變壓器進(jìn)線高壓套管端供電可靠性有較大差異，但其后35kV出線回路年故障率都較小(小于0.04次/回路)供電可靠性都符合地鐵牽引對(duì)供電的要求。幾種接線形式平均修復(fù)時(shí)間r(小時(shí))，年平均故障時(shí)間DHY(小時(shí))，固有可用度Ai參數(shù)均類似。通過(guò)對(duì)計(jì)算過(guò)程的回溯分析可知可靠性的提高是由于35kV母聯(lián)開(kāi)關(guān)可以靈活地調(diào)度變電所35kV母線的供電電源，提高了35kV出線回路的有效性。

3.從牽引變電站的運(yùn)行維護(hù)與繼電保護(hù)角度分析。內(nèi)橋接線運(yùn)行較為靈活，但是繼電保護(hù)整定需根據(jù)變電所運(yùn)行方式靈活調(diào)整較為復(fù)雜。線路變壓器組接線最為簡(jiǎn)單清晰，運(yùn)行簡(jiǎn)單繼電保護(hù)可靠。

4.可靠性方面，外橋接線和線路變壓器組接線類似，但多了一組橋聯(lián)開(kāi)關(guān)造價(jià)較高且城軌牽引變電所一般不需要頻繁投切變壓器，城軌110kV牽引變電所接線應(yīng)從線路變壓器組接線和內(nèi)橋接線中選擇。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜合以上分析，城軌110kV變電所在地區(qū)城市110kV配電網(wǎng)絡(luò)電源比較可靠時(shí)，宜采用線路變壓器組接線，其投資更少占地小，繼電保護(hù)簡(jiǎn)單，運(yùn)行維護(hù)工作量少且供電可靠性可以滿足城軌供電的需求。實(shí)際工程中城軌110kV變電所可以根據(jù)工程實(shí)際情況選擇變電所主接線形式；當(dāng)外電線路可靠性較低或建設(shè)初期只有一路外電條件時(shí)，采用內(nèi)橋接線更加符合項(xiàng)目實(shí)際情況，可以靈活切換外電線路，有多種運(yùn)行方式，供電可靠性也較高。