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        市域鐵路牽引供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)關(guān)鍵問題探討

        2022-07-15 03:16:58黃玲珍
        城市軌道交通研究 2022年6期
        關(guān)鍵詞:市域變電所軌道交通

        黃玲珍

        (中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司, 200070, 上?!胃呒壒こ處?

        社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展加速了城市與城市之間、城市郊區(qū)與中心城區(qū)之間的交通需求,市域鐵路作為快速、便捷的交通方式,緩解了居民的出行壓力[1]。牽引供電系統(tǒng)為列車提供動(dòng)力,其安全、可靠、不間斷供電是市域鐵路正常運(yùn)營的關(guān)鍵。市域鐵路牽引供電系統(tǒng)有別于城市軌道交通和城際鐵路,其需同時(shí)滿足快速、公交化的運(yùn)營要求。以上海市域鐵路嘉閔線(以下簡為“嘉閔線”)為例,對該線路牽引供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的供電制式選擇、牽引變電所與電力變電所合建(以下簡為“牽引電力合建變電所”)方案,以及其與軌道交通供電資源共享模式等關(guān)鍵問題進(jìn)行了探討。

        1 市域鐵路牽引供電制式選擇

        城市軌道交通通常采用直流750 V或直流1 500 V牽引供電制式,城際、客運(yùn)專線采用單相工頻25 kV交流牽引供電制式。交通線網(wǎng)的協(xié)調(diào)性、速度的適應(yīng)性、供電能力的合理性及經(jīng)濟(jì)性等特點(diǎn),決定了上海市域鐵路牽引供電制式的選擇。

        上海市域鐵路作為長江三角洲區(qū)域一體化交通網(wǎng)絡(luò)的一部分,在運(yùn)輸組織上與國鐵互聯(lián)互通,需滿足國鐵跨線車的通行。上海市內(nèi)已運(yùn)營或即將改造并納入上海市域鐵路線網(wǎng)的金山支線、浦東鐵路等均采用25 kV交流供電制式。上海市域鐵路采用交流供電制式,可以實(shí)現(xiàn)長江三角洲區(qū)域一體化鐵路交通網(wǎng)絡(luò)開行大交路列車及互聯(lián)互通的目標(biāo)。

        上海市域鐵路設(shè)計(jì)速度采用120 km/h及以上,在建市域鐵路機(jī)場聯(lián)絡(luò)線、嘉閔線的設(shè)計(jì)速度均為160 km/h,目前還未有能滿足該設(shè)計(jì)速度的直流制式車輛,若重新研制勢必造成成本增加。以嘉閔線為例,線路長約44 km,設(shè)15座車站,平均站間距3.110 km,最小行車間隔3 min。暫不考慮線路土建、車輛研發(fā)及購置等因素,對該線路交、直流牽引供電制式的工程投資進(jìn)行對比,如表1所示。

        交流牽引供電系統(tǒng)供電電壓等級高,牽引供變電設(shè)施少,接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)簡單。嘉閔線牽引供電系統(tǒng)采用交流供電制式與采用直流供電制式相比,工程投資可減少約500萬元/km。因此,嘉閔線采用25 kV交流牽引供電制式,即可適應(yīng)160 km/h的設(shè)計(jì)速度,在牽引供電工程投資上也更具備經(jīng)濟(jì)性。市域鐵路整體工程的經(jīng)濟(jì)性可結(jié)合土建、車輛、信號、通信、檢修維護(hù)進(jìn)一步分析[1]。

        表1 嘉閔線交、直流牽引供電制式下工程投資對比表

        2 牽引電力合建變電所方案

        2.1 市域鐵路電力供電方案

        市域鐵路電力供電方式主要有分散式貫通供電方案和集中式環(huán)網(wǎng)供電方案[2]。

        1) 分散式貫通供電方案:借鑒鐵路貫通線供電方式,設(shè)1路10 kV一級負(fù)荷貫通線和1路10 kV綜合負(fù)荷貫通線。車站從地方變電站引入2路10 kV電源,為通信、信號以及動(dòng)力照明等綜合負(fù)荷供電[3]。10 kV供電系統(tǒng)處于城市電網(wǎng)繼電保護(hù)的中末端,運(yùn)行易受其他用戶的干擾;其電壓等級較低,系統(tǒng)網(wǎng)壓波動(dòng)較大。若沿線既有電源點(diǎn)的備用容量難以滿足本工程大負(fù)荷的需求,需對地區(qū)變電所進(jìn)行較大的擴(kuò)建、改建或新建。

        2) 集中式環(huán)網(wǎng)供電方案:借鑒城市軌道交通中壓環(huán)網(wǎng)供電方式,在全線負(fù)荷點(diǎn)設(shè)置配電所,通過配電所將來自城市電網(wǎng)的高壓電源提供給沿線車站降壓變電所。電源電壓采用110 kV/35 kV或35 kV/35 kV。該供電方式具有電壓等級高、電源可靠性高、要求城市電網(wǎng)提供的電源點(diǎn)少、外部電源費(fèi)用少、有利于多條線路共享等優(yōu)點(diǎn)。

        以嘉閔線為例,該線路車站數(shù)量多,均為地下站,動(dòng)力照明負(fù)荷重;高峰小時(shí)列車對數(shù)多,故障影響范圍廣。獨(dú)立設(shè)置35 kV電力配電所的集中式環(huán)網(wǎng)供電方式的可靠性較好,更適用于市域鐵路供電需求。

        2.2 牽引電力合建變電所主接線方案

        上海市域鐵路連接市郊與市區(qū),線路穿越城區(qū),牽引變電所不可避免地選址于城市中心、商業(yè)繁華地帶、開發(fā)區(qū)等用地緊張地段,征拆難度大。市域鐵路采用27.5 kV牽引變電所與35 kV電力變電所合建方式,可實(shí)現(xiàn)土地集約化、資源共享化、工程投資經(jīng)濟(jì)化。牽引變電所占電力變電所合建主接線方案有以下3種:

        1) 牽引、電力變壓器共用110 kV電源。1組牽引變壓器和電力變壓器接自同1路110 kV電源進(jìn)線,2路110 kV電源分列運(yùn)行。牽引變壓器采用一主一備方式,電力變壓器采用雙電源同時(shí)運(yùn)行方式。牽引、電力變壓器共享110 kV電源,變壓器及其低壓側(cè)的設(shè)備分開設(shè)置,電力變壓器與牽引變壓器互不影響。該方案的主接線方式如圖1所示。

        注:ABC為電源相序,圖2~3同。

        2) 電力變壓器接于牽引變壓器27.5 kV側(cè)母線。2臺27.5 kV/35 kV電力變壓器接于牽引變壓器二次側(cè)27.5 kV母線。因接觸網(wǎng)是工頻單相電源,牽引負(fù)荷波動(dòng)頻繁,將產(chǎn)生電壓波動(dòng)、諧波及負(fù)序等電能質(zhì)量問題;牽引網(wǎng)檢修影響電力變壓器的供電;兩相27.5 kV和三相35 kV電力變壓器為非標(biāo)設(shè)備,其定制需增加購置成本。該方案的主接線方式如圖2所示。

        3) 采用110 kV/27.5 kV/35 kV三繞組變壓器。110 kV三繞組變壓器二次側(cè)分別為35 kV電力變壓器繞組和27.5 kV牽引變壓器繞組。電力繞組為通信、信號、動(dòng)力照明等供電,牽引繞組為牽引網(wǎng)提供單相電源。該方案的優(yōu)點(diǎn)是三繞組變壓器設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊、節(jié)省房建用地;缺點(diǎn)是變壓器定制成本高,電力與牽引檢修相互影響。該方案的主接線方式如圖3所示。

        圖2 電力變壓器接于牽引變壓器27.5 kV側(cè)母線主接線方案Fig.2 Power transformer connection to traction transformer 27.5 kV bus bar main wiring scheme

        圖3 110 kV/27.5 kV/35 kV三繞組變壓器主接線方案Fig.3 110 kV/27.5 kV/35 kV three-winding transformer main wiring scheme

        綜上,推薦嘉閔線牽引電力合建變電所采用電力變壓器與牽引變壓器共享110 kV電源的主接線方式。

        2.3 牽引電力合建變電所總平面布置

        市域鐵路牽引變電所多設(shè)置于鐵路沿線,采用戶外敞開式布置方式,房屋面積較大。市域鐵路大多穿越市(郊)區(qū),戶外敞開式變電所的占地面積大,電氣設(shè)備的噪聲及布置影響城市環(huán)境和景觀。而全戶內(nèi)布置型式變電所具有布局緊湊、占地面積少、設(shè)備安裝運(yùn)行環(huán)境好、便于維修等優(yōu)點(diǎn)[4]。綜合上述因素,嘉閔線牽引電力合建變電所采用全戶內(nèi)優(yōu)化布置型式。

        全戶內(nèi)優(yōu)化布置的牽引電力合建變電所采用局部三層設(shè)計(jì):第一層設(shè)有電力變壓器室、牽引變壓器室、110 kV組合電器室、SVG(動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置)室等房屋;局部夾層設(shè)有SVG室和通信室;第三層設(shè)有高壓室、控制室、接地變和電阻柜室等。

        按常規(guī)戶外敞開式變電所布置時(shí),場坪尺寸為120 m×100 m;按全戶內(nèi)一層牽引變電所布置時(shí),場坪尺寸為100 m×42 m;按全戶內(nèi)二層牽引變電所布置時(shí),場坪尺寸為75 m×40 m;采用優(yōu)化后的全戶內(nèi)三層設(shè)計(jì)方案時(shí),場坪尺寸為61 m×40 m,僅為戶外敞開式設(shè)計(jì)方案的20.3%,為全戶內(nèi)一層布置方案的58.1%,為全戶內(nèi)二層布置方案的81.3%。牽引電力合建變電所全戶內(nèi)總平面優(yōu)化布置方案如圖4所示。

        尺寸單位:mm圖4 牽引電力合建變電所全戶內(nèi)總平面優(yōu)化布置圖Fig.4 Traction and electricity joint construction substation optimized indoor general layout plan

        3 市域鐵路與城市軌道交通供電資源共享模式

        軌道交通主變電所采用110 kV/35 kV供電方式,通過中壓供電網(wǎng)絡(luò)為沿線牽引(混合)變電所及降壓變電所供電。上海在建及規(guī)劃市域(郊)鐵路線路(長度超過600 km),將與城市軌道交通形成網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營,且多處站點(diǎn)與規(guī)劃城市軌道交通銜接。通過市域鐵路與城市軌道交通主變電所資源共享,可減少外部電源投資[5]。

        市域鐵路與城市軌道交通主變電所共享的模式包括110 kV電源側(cè)共享及35 kV電源側(cè)共享[6]。

        3.1 110 kV電源側(cè)共享

        110 kV電源側(cè)共享模式設(shè)置6臺變壓器:2臺110 kV/27.5 kV牽引變壓器為市域鐵路牽引網(wǎng)供電,2臺110 kV/35 kV電力變壓器為市域鐵路電力供電,2臺110 kV/35 kV主變壓器為軌道交通線路供電。該模式的主接線方式與圖1類似,增加了2臺軌道交通專用主變壓器。

        3.2 35 kV電源側(cè)共享

        35 kV電源側(cè)共享模式的常用主接線方式主要有T接方式和兩級母線方式,如圖5所示。

        1) T接方式:從變壓器二次側(cè)出線端子處引出。共享工程分別設(shè)置獨(dú)立的35 kV母線,市域鐵路電力供電系統(tǒng)與城市軌道交通供電系統(tǒng)相對獨(dú)立。

        2) 兩級母線方式:在變壓器二次側(cè)設(shè)置兩級35 kV母線,第一級35 kV母線為市域鐵路與城市軌道交通共用;第二級35 kV母線分別為市域鐵路與城市軌道交通設(shè)置,且各線路35 kV供電系統(tǒng)相對獨(dú)立。

        a) T接方式

        b) 兩級母線方式圖5 35 kV電源側(cè)共享方式Fig.5 35 kV power side sharing mode

        T接方式結(jié)構(gòu)簡單,母線相互干擾小;兩級母線方式適用于共享主變電所距離較遠(yuǎn)、饋線回路較多、線路建設(shè)時(shí)序相差較大的線路。

        3.3 供電資源共享方案分析

        市域鐵路與城市軌道交通110 kV電源側(cè)共享和35 kV電源側(cè)共享方案,從故障影響、運(yùn)營管理、占地面積、工程投資等方面進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較[7],見表2。

        表2 兩種供電資源共享方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)性對比

        市域鐵路與城市軌道交通供電資源共享模式的選擇,需結(jié)合線網(wǎng)規(guī)劃、建設(shè)時(shí)序,經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜合比較后再確定。

        4 結(jié)語

        上海市域鐵路嘉閔線采用交流牽引供電制式,在與國鐵互聯(lián)互通、運(yùn)輸組織需求、經(jīng)濟(jì)性等方面具有較為明顯的優(yōu)勢。推薦嘉閔線牽引電力合建變電所總平面采用全戶內(nèi)三層優(yōu)化布置型式,該型式節(jié)省占地面積、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。該線路與城市軌道交通供電資源的共享模式可結(jié)合供電系統(tǒng)的可靠性、建設(shè)時(shí)序適應(yīng)性等方面來確定。

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