白雪翎

1 概況

長(zhǎng)春城軌1號(hào)線(xiàn)于2017年6月30日開(kāi)通運(yùn)營(yíng)，是長(zhǎng)春市第三條開(kāi)通運(yùn)營(yíng)的軌道交通線(xiàn)路，也是首條開(kāi)通運(yùn)營(yíng)的地鐵線(xiàn)路。該線(xiàn)路采用集中式供電方式，全線(xiàn)共設(shè)置8座牽引降壓混合變電所、9座降壓變電所，正線(xiàn)每座車(chē)站變電所均配置AC 0.4 kV低壓配電系統(tǒng)。變電所設(shè)置交直流自用電系統(tǒng)，后備時(shí)間2 h。

變電所AC 0.4 kV系統(tǒng)采用分段單母線(xiàn)接線(xiàn)，設(shè)母線(xiàn)分段斷路器，正常情況下，母線(xiàn)分段斷路器處于分閘狀態(tài)。各饋出斷路器采用抽屜式或插拔式安裝，依次插接在母線(xiàn)上。三級(jí)負(fù)荷饋出斷路器設(shè)置電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)。

正常運(yùn)行時(shí)，2臺(tái)AC 35/AC 0.4 kV配電變壓器分列運(yùn)行，負(fù)責(zé)向供電范圍內(nèi)的全部動(dòng)力照明負(fù)荷供電。AC 0.4 kV母線(xiàn)分段斷路器處于分閘位置，每段母線(xiàn)分別由不同的配電變壓器供電。

當(dāng)一路AC 0.4 kV進(jìn)線(xiàn)電源失壓時(shí)，斷開(kāi)AC 0.4 kV進(jìn)線(xiàn)開(kāi)關(guān)，根據(jù)負(fù)荷情況自動(dòng)或手動(dòng)切除三級(jí)負(fù)荷，在確認(rèn)不是由于A(yíng)C 0.4 kV側(cè)過(guò)電流故障原因造成電源失壓時(shí)，合閘母線(xiàn)分段斷路器，恢復(fù)向該變電所供電范圍內(nèi)的全部動(dòng)力照明一、二級(jí)負(fù)荷的供電。當(dāng)進(jìn)線(xiàn)電源恢復(fù)時(shí)，母線(xiàn)分段斷路器分閘，進(jìn)線(xiàn)斷路器合閘，恢復(fù)正常供電方式。

2 AC 0.4 kV開(kāi)關(guān)柜母聯(lián)備自投控制存在問(wèn)題

在長(zhǎng)春城軌1號(hào)線(xiàn)運(yùn)營(yíng)期間，當(dāng)變電所AC 0.4 kV供電系統(tǒng)其中一段進(jìn)線(xiàn)失電時(shí)，偶爾會(huì)出現(xiàn)母聯(lián)備自投投入時(shí)間大于30 s的現(xiàn)象（正常情況下僅需10 s左右），前10～20 s會(huì)出現(xiàn)控制中心電力調(diào)度系統(tǒng)與車(chē)站0.4 kV供電系統(tǒng)通信中斷，當(dāng)0.4 kV母聯(lián)備自投投入后，控制中心電調(diào)通信恢復(fù)正常。

針對(duì)這一現(xiàn)象對(duì)現(xiàn)場(chǎng)狀況進(jìn)行排查。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)排查后發(fā)現(xiàn)，0.4 kV母聯(lián)備自投PLC及通信器件并未損壞，且上述情況僅偶爾出現(xiàn)。為了解決這一問(wèn)題，從系統(tǒng)原理著手排查，經(jīng)排查最終確認(rèn)，問(wèn)題出現(xiàn)在A(yíng)C 0.4 kV備自投PLC電源。

0.4 kV母聯(lián)合閘邏輯如圖1所示。AC 0.4 kV系統(tǒng)的控制操作模式由母線(xiàn)分段開(kāi)關(guān)柜上的選擇開(kāi)關(guān)1SA和2SA選擇定義，共有3種控制操作模式，分別為手投手復(fù)、自投自復(fù)和自投手復(fù)?！笆滞丁笔侵竿ㄟ^(guò)手動(dòng)按鈕操作母線(xiàn)分段斷路器合閘；“自投”是指通過(guò)PLC程序自動(dòng)操作母線(xiàn)分段斷路器合閘；“手復(fù)”是指通過(guò)手動(dòng)按鈕操作母線(xiàn)分段斷路器分閘和1#進(jìn)線(xiàn)斷路器或2#進(jìn)線(xiàn)斷路器合閘；“自復(fù)”是指通過(guò)PLC程序自動(dòng)操作母線(xiàn)分段斷路器分閘和進(jìn)線(xiàn)斷路器合閘。3種模式對(duì)應(yīng)的條件是在一路進(jìn)線(xiàn)電源失壓跳閘后。

圖1 0.4 kV母聯(lián)合閘邏輯

長(zhǎng)春城軌1號(hào)線(xiàn)AC 0.4 kV備自投PLC采用交流220 V電源模塊，由變電所自用電系統(tǒng)交流屏供電，交流屏從變電所低壓柜兩段AC 0.4 kV母線(xiàn)各引入一路電源，作為交流所用電系統(tǒng)的進(jìn)線(xiàn)電源，如圖2所示。

圖2 交流屏雙電源進(jìn)線(xiàn)接線(xiàn)示意圖

交流所用電系統(tǒng)采用單母線(xiàn)接線(xiàn)形式，進(jìn)線(xiàn)處設(shè)雙電源自動(dòng)切換裝置。正常運(yùn)行時(shí)，主供電源通過(guò)母線(xiàn)向負(fù)載供電，當(dāng)主供電源失壓時(shí)，通過(guò)切換裝置自動(dòng)切換至備用電源，在切換過(guò)程中，PLC有短暫失電再重啟過(guò)程，重啟過(guò)程約耗時(shí)25～30 s，PLC重啟完畢后，再控制AC 0.4 kV母聯(lián)斷路器備自投合閘。即AC 0.4 kV開(kāi)關(guān)柜一段失電后，控制中心電調(diào)系統(tǒng)與0.4 kV供電系統(tǒng)通信中斷，并且本段單電源供電饋線(xiàn)短暫失電，備自投合閘需耗時(shí) 25～30 s。

3 AC 0.4 kV開(kāi)關(guān)柜母聯(lián)備自投控制PLC電源改造方案

為了解決0.4 kV母聯(lián)備自投PLC短暫失電問(wèn)題，本文討論以下兩種整改方案并進(jìn)行對(duì)比分析。

3.1 方案一

方案一為直接向0.4 kV母聯(lián)PLC提供UPS不間斷電源。為縮短AC 0.4 kV開(kāi)關(guān)柜備自投合閘時(shí)間，考慮母聯(lián)備自投控制PLC可由不間斷電源供電，為0.4 kV母聯(lián)PLC單獨(dú)增加一套UPS電源，提供交流220 V電源后備時(shí)間2 h，電源接線(xiàn)如圖3所示。

圖3 UPS電源接線(xiàn)示意圖

UPS不間斷電源為交-直-交供電模式，包含交流電源進(jìn)線(xiàn)、穩(wěn)壓裝置、整流裝置、蓄電池、逆變器等。為0.4 kV母聯(lián)PLC提供UPS不間斷電源后，在交流屏雙電源切換裝置切換過(guò)程中，PLC不會(huì)出現(xiàn)失電狀態(tài)，可解決上述問(wèn)題。

3.2 方案二

方案二為利用既有直流屏增加逆變器（逆變交流220 V）向0.4 kV母聯(lián)PLC提供不間斷電源。

變電所直流自用電系統(tǒng)在應(yīng)急狀態(tài)下，蓄電池容量可保證所內(nèi)經(jīng)常性用電負(fù)荷應(yīng)急供電時(shí)間不小于2 h。因此考慮由直流屏經(jīng)逆變?yōu)榻涣?20 V工頻電壓為其供電。

3.3 方案對(duì)比

上述兩種方案均可解決0.4 kV母聯(lián)PLC短暫失電的問(wèn)題，經(jīng)分析比較，方案一采用單獨(dú)提供UPS不間斷電源，造價(jià)較高，全線(xiàn)造價(jià)約為70萬(wàn)元；同時(shí)占地面積大，敷設(shè)電纜多。方案二采用利用既有直流屏增加逆變器方法，逆變交流220 V為0.4 kV母聯(lián)PLC提供不間斷電源，僅需考慮增加逆變器及蓄電池屏至直流屏電纜，更換饋線(xiàn)開(kāi)關(guān)，可節(jié)省UPS控制主機(jī)、蓄電池、0.4 kV開(kāi)關(guān)柜至UPS進(jìn)線(xiàn)電源電纜及UPS饋線(xiàn)開(kāi)關(guān)等設(shè)備費(fèi)用，僅新增逆變器的費(fèi)用，初步測(cè)算全線(xiàn)19座車(chē)站投資約為40萬(wàn)元；并且占地小，可直接安裝于既有直流屏剩余空間內(nèi)，施工工作量較少。經(jīng)綜合考慮，本工程優(yōu)先考慮采用利用既有直流屏增加逆變器逆變交流220 V為0.4 kV母聯(lián)PLC提供不間斷電源的方案。直流屏饋線(xiàn)改造回路如圖4所示。

圖4 直流屏饋線(xiàn)改造回路

4 逆變器的選擇

DC/AC逆變技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)直流電到交流電的轉(zhuǎn)換，逆變技術(shù)在交流電機(jī)傳動(dòng)、不間斷電源、變頻電源、有源濾波器等領(lǐng)域均得到了廣泛應(yīng)用。DC/AC逆變技術(shù)的基本原理是利用半導(dǎo)體功率開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)通和關(guān)斷作用，將直流電變換成交流電，是一種電能變換裝置。由于該裝置通過(guò)半導(dǎo)體功率開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)通和關(guān)斷實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換，因此轉(zhuǎn)換效率較高。

本次電源改造選擇技術(shù)成熟的逆變器。逆變器主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 主要技術(shù)參數(shù)

選定逆變器后，根據(jù)長(zhǎng)春城軌1號(hào)線(xiàn)既有情況，逆變器可安裝于控制室內(nèi)直流屏內(nèi)。

5 結(jié)語(yǔ)

控制電源是保障供電系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)，合理選擇控制電源可以縮短停電時(shí)間，保證電力供應(yīng)的連續(xù)性。在城市軌道交通AC 0.4 kV系統(tǒng)中，母聯(lián)備自投控制電源選擇直流電源控制時(shí)，不受進(jìn)線(xiàn)電源失壓的影響，控制電源穩(wěn)定，沒(méi)有失電重啟過(guò)程。即使直流進(jìn)線(xiàn)失電，蓄電池組仍能提供2 h的控制電源供電時(shí)間，為排除故障、恢復(fù)正常供電節(jié)約時(shí)間。該技術(shù)改造費(fèi)用較低，不會(huì)對(duì)供電系統(tǒng)造成不良影響，安全可靠、簡(jiǎn)單實(shí)用。