魏錦地

0 引言

廈門市軌道交通 3號(hào)線是廈門市線網(wǎng)規(guī)劃中西南至東北向骨干線，構(gòu)建了本島與翔安片區(qū)的快速跨海連接通道，起于思明區(qū)廈門火車站，終于大嶝島翔安機(jī)場(chǎng)，線路全長(zhǎng)36.7 km。該線跨海段工程穿越廈門東海域，包含兩站兩區(qū)間，即體育會(huì)展站、東界站、五緣灣—體育會(huì)展和體育會(huì)展—東界區(qū)間，全長(zhǎng) 6.5 km。五緣灣—體育會(huì)展區(qū)間全長(zhǎng)4.9 km，其中穿越海域長(zhǎng)度3.9 km[1]。該地鐵隧道最深處在海平面下75 m，是目前國(guó)內(nèi)超深的海底地鐵隧道之一。

海底地鐵隧道設(shè)置了用于抽排海底滲漏水的水泵等機(jī)電設(shè)備，為了確保海底地鐵隧道在極端天氣災(zāi)害工況下機(jī)電設(shè)備能夠持續(xù)正常供電，提高海底地鐵隧道機(jī)電設(shè)備供電能力和運(yùn)行可靠性，防止極端天氣災(zāi)害時(shí)地鐵用電失電，機(jī)電設(shè)備退出運(yùn)行及海底隧道被淹的風(fēng)險(xiǎn)，研究海底地鐵隧道機(jī)電設(shè)備供電設(shè)置和運(yùn)行控制具有十分重要的意義。

1 海底地鐵隧道機(jī)電設(shè)備供電設(shè)置研究

1.1 第一路電源（3號(hào)線主變電所供電）

目前國(guó)內(nèi)地鐵長(zhǎng)大隧道區(qū)間的機(jī)電設(shè)備供電主要采用跟隨所配電的傳統(tǒng)方案，通過本線路兩個(gè)主變電所以 35 kV環(huán)網(wǎng)電纜的形式向區(qū)間隧道機(jī)電設(shè)備供電，供電方案簡(jiǎn)單、安全可靠，能夠滿足運(yùn)營(yíng)需求。該方案以下簡(jiǎn)稱為第一路電源方案。

本文所述的海底地鐵隧道第一路電源由廈門地鐵 3號(hào)線設(shè)置的蔡厝主變電所和火炬園主變電所通過 35 kV環(huán)網(wǎng)電纜聯(lián)絡(luò)開關(guān)向體育會(huì)展站牽引降壓所供電，再向3號(hào)線海底地鐵隧道泵房跟隨所供電（圖1）。跟隨所配電變壓器容量設(shè)置為 2×1 000 kV·A，低壓主接線采用單母線分段運(yùn)行。正常情況下，兩臺(tái)動(dòng)力變壓器同時(shí)運(yùn)行，母聯(lián)開關(guān)斷開；當(dāng)一臺(tái)變壓器故障或失電時(shí)，母聯(lián)開關(guān)自動(dòng)投入，由另一臺(tái)變壓器負(fù)責(zé)供電，確保海底地鐵隧道泵房水泵機(jī)電設(shè)備正常供電和正常運(yùn)行。這一路電源作為海底地鐵隧道機(jī)電設(shè)備的第一路電源，方案設(shè)置合理，是機(jī)電設(shè)備日常供電的基本保證。

圖1 第一路電源供電示意圖

1.2 第二路電源（2號(hào)線線網(wǎng)支援供電）

青島地鐵于2021年4月完成了在青島北站由3號(hào)線35 kV電源支援8號(hào)線供電的改造，消除了8號(hào)線北段大長(zhǎng)距離在本單線路供電故障情況下可能帶來的海底隧道機(jī)電設(shè)備不能連續(xù)抽排水造成隧道被淹的風(fēng)險(xiǎn)，保證了8號(hào)線海底隧道兩路電源同時(shí)供電，該方案以下簡(jiǎn)稱為第二路電源方案。

本文所述的第二路電源是根據(jù)廈門地鐵線網(wǎng)互相支援的供電原則，在廈門地鐵3號(hào)線體育中心站（體育中心站為2、3號(hào)線換乘站），通過地鐵2、3號(hào)線工程聯(lián)絡(luò)線設(shè)置了2號(hào)線支援3號(hào)線的供電線路。在3號(hào)線線路電源供電故障情況下，即3號(hào)線火炬園和蔡厝兩座主變電所故障退出運(yùn)行時(shí)，由2號(hào)線古地石主變電所向體育中心站通過35 kV環(huán)網(wǎng)電纜聯(lián)絡(luò)開關(guān)對(duì) 3號(hào)線海底地鐵隧道跟隨所供電，作為3號(hào)線海底地鐵隧道機(jī)電設(shè)備的第二路電源（圖2），大大提高了海底地鐵隧道機(jī)電設(shè)備供電的可靠性。

圖2 第二路電源供電示意圖

1.3 第三路電源（柴油發(fā)電機(jī)組應(yīng)急保障供電）

2016年9月15 日第14號(hào)超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“莫蘭蒂”在福建省廈門市登陸，登陸時(shí)中心最大風(fēng)力48 m/s（年鑒上調(diào)至52 m/s，超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)），全城大面積停水、停電，交通癱瘓，重創(chuàng)廈門市?？紤]到廈門地處沿海地區(qū)，多有臺(tái)風(fēng)發(fā)生，易造成市電癱瘓或電壓不穩(wěn)定，海底地鐵隧道機(jī)電設(shè)備若長(zhǎng)時(shí)間失去電源，無法及時(shí)抽排隧道結(jié)構(gòu)滲漏水到隧道外地面排水網(wǎng)，將導(dǎo)致整條地鐵隧道被淹的嚴(yán)重后果。為杜絕廈門地鐵2、3號(hào)線地面3座主變電所因極端氣候?yàn)?zāi)害工況退出運(yùn)行而均無法向海底地鐵隧道機(jī)電設(shè)備供電，在3號(hào)線體育會(huì)展站站外地面設(shè)置柴油發(fā)電機(jī)組，作為3號(hào)線海底地鐵隧道機(jī)電設(shè)備的第三路應(yīng)急保障電源[2]（如圖3所示），在地鐵市電失電情況下為機(jī)電設(shè)備提供應(yīng)急保障電源。目前，國(guó)內(nèi)暫無海底地鐵隧道機(jī)電設(shè)備第三路供電方案的設(shè)計(jì)和施工經(jīng)驗(yàn)，本文著重研究第三路電源柴油發(fā)電機(jī)組應(yīng)急保障供電設(shè)置及運(yùn)行控制模式。

圖3 第三路電源供電示意圖

2 第三路應(yīng)急保障電源設(shè)置及運(yùn)行控制

2.1 應(yīng)急保障供電配置情況

海底地鐵隧道機(jī)電設(shè)備第三路電源應(yīng)急保障供電設(shè)備主要由箱式柴油發(fā)電機(jī)組和箱式升壓變壓器組成。箱式柴油發(fā)電機(jī)組配置為1臺(tái)1 000 L油箱的0.4 kV柴油發(fā)電機(jī)，標(biāo)準(zhǔn)集裝箱箱體尺寸為11 000×3 400×3 000(mm)；箱式升壓變壓器內(nèi)設(shè)置1臺(tái)0.4/35 kV升壓變壓器，1臺(tái)40.5 kV GIS進(jìn)線柜，1臺(tái)40.5 kV GIS出線柜，標(biāo)準(zhǔn)集裝箱箱體尺寸為5 500×3 000×3 400(mm)。

2.2 柴油發(fā)電機(jī)組技術(shù)參數(shù)

2.2.1 容量計(jì)算

柴油發(fā)電機(jī)組按照《火力發(fā)電廠廠用電設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》（DL/T 5153—2014）附錄 D給出的內(nèi)容和方法進(jìn)行計(jì)算。

極端情況下，海底地鐵隧道廢水泵房可6臺(tái)水泵同啟，每臺(tái)水泵額定功率為125 kW，額定電壓為400 V，額定電流為254 A，啟動(dòng)方式為軟啟動(dòng)，啟動(dòng)電流按2倍計(jì)算，機(jī)組允許電壓降15%，每臺(tái)水泵順序啟動(dòng)。計(jì)算6臺(tái)水泵總負(fù)載Sc1= 6×125 kW = 750 kW，電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)cosθ= 0.8，電機(jī)效率η= 0.9，運(yùn)行功率合計(jì)為Se=Sc1/cosθ/η= 1 042 kV·A，故柴油機(jī)組容量最小穩(wěn)態(tài)功率應(yīng)大于1 042 kV·A。綜合考慮設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)容量選型以及水泵啟動(dòng)電流因素，柴油發(fā)電機(jī)組選擇1 300 kW容量。

2.2.2 主要技術(shù)參數(shù)及主接線

柴油發(fā)電機(jī)為水平布置的無刷勵(lì)磁永磁同步交流發(fā)電機(jī)，額定容量1 200 kW（Pe值，功率因數(shù)為0.8），最大容量1 300 kW。

柴油發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)：功率約為1 320 kW（最大）；啟動(dòng)方式為電啟動(dòng)；冷卻方式為閉式強(qiáng)制水冷。

發(fā)電機(jī)參數(shù)：額定輸出容量1 625 kV·A；額定頻率50 Hz；額定電壓400 V（Ue）；絕緣等級(jí)為H級(jí)；溫升等級(jí)為B級(jí)；功率因數(shù)0.8；冷卻方式為空氣冷卻。

柴油發(fā)電機(jī)在12 h內(nèi)滿載持續(xù)運(yùn)行，具有連續(xù)運(yùn)行14天的能力；開機(jī)指令發(fā)出15 s內(nèi)加至滿載；設(shè)過電流主保護(hù)、定時(shí)限后備保護(hù)及自動(dòng)電壓調(diào)整器故障保護(hù)等。

應(yīng)急保障電源主接線如圖4所示。

圖4 應(yīng)急保障電源主接線

2.3 第三路電源應(yīng)急保障供電接入方式

箱式升壓變壓器饋出一路 35 kV電源電力電纜，沿體育會(huì)展站站外新風(fēng)井進(jìn)入站內(nèi)，吊頂敷設(shè)至強(qiáng)電電纜井，然后垂直引下敷設(shè)至電纜夾層，繼續(xù)敷設(shè)至40.5 kV GIS開關(guān)柜的下方，最終實(shí)現(xiàn)在極端災(zāi)害情況發(fā)生時(shí)，通過已設(shè)置的海底地鐵隧道跟隨所對(duì)廢水泵房水泵進(jìn)行供電抽水。

2.4 第三路電源應(yīng)急保障供電運(yùn)行控制

柴油發(fā)電機(jī)組應(yīng)急保障供電是用于在極端災(zāi)害情況下[3]，3號(hào)線蔡厝、火炬園兩個(gè)主變電所和2號(hào)線古地石主變電所線網(wǎng)支援供電同時(shí)解列時(shí)向海底地鐵隧道機(jī)電設(shè)備供電的應(yīng)急保障電源，當(dāng)向地鐵供電的兩路市政電源（第一路和第二路電源）失電時(shí)，作為柴油發(fā)電機(jī)的啟動(dòng)信號(hào)，此時(shí)應(yīng)首先斷開供電系統(tǒng)中除為跨海段海底地鐵隧道機(jī)電設(shè)備供電外的其他進(jìn)出線及饋線開關(guān)斷路器，手動(dòng)合閘40.5 kV GIS進(jìn)線開關(guān)柜斷路器，實(shí)現(xiàn)對(duì)跨海段海底地鐵隧道跟隨所的供電。

柴油發(fā)電機(jī)組應(yīng)急保障電源僅作為緊急情況下應(yīng)急使用，當(dāng)兩路電源（第一路或第二路電源）恢復(fù)送電時(shí)應(yīng)及時(shí)將柴油發(fā)電機(jī)組退出運(yùn)行。

3 第三路電源應(yīng)急保障送電測(cè)試及安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

本次測(cè)試和評(píng)估是指在極端災(zāi)害兩路電源失電情況下，采用應(yīng)急保障電源向海底地鐵隧道機(jī)電設(shè)備供電的測(cè)試和評(píng)估。測(cè)試為體育會(huì)展站站外箱式柴油發(fā)電機(jī)組供電至站內(nèi)應(yīng)急電源進(jìn)線柜，由應(yīng)急電源進(jìn)線柜向海底地鐵隧道跟隨所配電變壓器供電，保證跟隨所低壓開關(guān)柜電源正常運(yùn)行，為水泵正常供電。

3.1 送電測(cè)試

組織各參建單位啟動(dòng)海底地鐵隧道廢水泵房應(yīng)急保障電源條件核查，進(jìn)行耐壓測(cè)試并核對(duì)應(yīng)急保障電源進(jìn)線柜定值、所間電纜絕緣性能、開關(guān)狀態(tài)、接地狀態(tài)和水泵電源切換柜控制狀態(tài)。

為避免首次啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)組電流過大對(duì)水泵造成沖擊，每隔5 min啟動(dòng)1臺(tái)水泵，30 min內(nèi)完成6臺(tái)水泵的送電啟動(dòng)。

3.1.1 測(cè)試階段

海底地鐵隧道廢水泵房水泵PLC控制柜控制模式首先切換至就地/手動(dòng)模式，跟隨所低壓開關(guān)柜母聯(lián)分段開關(guān)備自投退出，停止正在運(yùn)行的所有水泵，將第1、2、3、4、5、6號(hào)水泵電源切換柜切換至手動(dòng)運(yùn)行模式，切換至低壓開關(guān)柜Ⅰ段供電；再根據(jù)送電方案啟動(dòng)箱式柴油發(fā)電機(jī)組，按順序操作箱式升壓變壓器開關(guān)柜饋線柜、應(yīng)急電源進(jìn)線柜開關(guān)，每間隔 5 min逐臺(tái)啟動(dòng) 1、3、5，2、4、6號(hào)水泵，并做好柴油發(fā)電機(jī)組現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)記錄（表1），最后1臺(tái)水泵啟動(dòng)計(jì)時(shí)5 min后逐臺(tái)停止運(yùn)行，結(jié)束測(cè)試。

表1 柴油發(fā)電機(jī)組現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)記錄

3.1.2 恢復(fù)階段

按照供電恢復(fù)方案，順序斷開體育會(huì)展站箱式升壓變壓器斷路器、隔離開關(guān)，箱式柴油發(fā)電機(jī)組停止運(yùn)行?；謴?fù)3號(hào)線主變電所向體育會(huì)展站牽引變電所和海底地鐵隧道跟隨所供電，隧道廢水泵房水泵正常受電。

在供電專業(yè)恢復(fù)送電后，海底地鐵隧道廢水泵房6臺(tái)水泵電源切換柜切換至自動(dòng)運(yùn)行模式，廢水泵房水泵PLC控制柜控制模式恢復(fù)至遠(yuǎn)方/正常模式，水泵具備自動(dòng)啟動(dòng)條件。

3.2 送電測(cè)試安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

3號(hào)線跨海段海底地鐵隧道機(jī)電設(shè)備應(yīng)急保障電源功能測(cè)試過程中，水泵電源由第一路電源供電切換到由第三路電源柴油發(fā)電機(jī)應(yīng)急保障供電，存在水泵失電和設(shè)備發(fā)生故障，未能正常啟動(dòng)水泵排水的風(fēng)險(xiǎn)。因此，在測(cè)試前需對(duì)操作人員進(jìn)行測(cè)試停送電方案培訓(xùn)，防止誤操作造成水泵失電風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)語

地鐵海底隧道供電電源設(shè)置研究應(yīng)用，綜合考慮了本工程穿越海域段地質(zhì)復(fù)雜、地下水豐富、臺(tái)風(fēng)等極端災(zāi)害等多種交叉因素的影響，供電設(shè)置合理，各項(xiàng)安裝測(cè)試數(shù)據(jù)滿足要求，達(dá)到應(yīng)急保障的能力。建議在后續(xù)運(yùn)營(yíng)期間采用信息化手段和智能供電管理系統(tǒng)，加強(qiáng)跨海段海底地鐵隧道水量監(jiān)測(cè)及機(jī)電設(shè)備管養(yǎng)，保障跨海段超深海底地鐵隧道機(jī)電設(shè)備及列車運(yùn)行安全。