王開康

（中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北武漢 430063）

0 概述

變電所的控制、信號、保護(hù)和自動(dòng)裝置以及二次回路的工作電源，稱為操作電源。操作電源系統(tǒng)分為直流操作電源系統(tǒng)和交流操作電源系統(tǒng)[1]。

操作電源是變電所的重要組成部分，其可靠運(yùn)行是變電所正常運(yùn)行的重要保障，一旦操作電源退出運(yùn)行，變電所勢必停止運(yùn)行。因此，GB 50157-2013《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》明確規(guī)定變電所操作電源為 1 級負(fù)荷中特別重要負(fù)荷[2]，城軌工程中變電所操作電源一般采用直流電源，并配備蓄電池作為應(yīng)急電源。

由于相關(guān)規(guī)范對直流操作電源的設(shè)計(jì)規(guī)定不夠詳盡，加之不同設(shè)計(jì)人員對規(guī)范的理解偏差，導(dǎo)致目前城軌直流操作電源系統(tǒng)（以下簡稱“直流電源”）的設(shè)計(jì)方案類型較多，尤其在同一城市，多種方案并存對運(yùn)營管理及標(biāo)準(zhǔn)化推進(jìn)均產(chǎn)生不利影響。

本文針對地鐵變電所特點(diǎn)，對直流電源的主接線、母線額定電壓等級進(jìn)行分析研究，提出推薦方案，其他類型城市軌道交通可參照本文分析得出相同結(jié)論。

1 主接線

目前城軌變電所直流電源主接線有單母線分段和單母線 2 種，具體接線如圖1、圖2所示。

根據(jù) GB 50059-2011《35～110 kV變電站設(shè)計(jì)規(guī)定》第 3.7.1 條規(guī)定：變電站的直流母線宜采用單母線或單母線分段的接線，采用單母線分段時(shí)，蓄電池應(yīng)能切換到任一母線[3]。查閱其他相關(guān)規(guī)范及手冊，對直流電源的接線形式要求基本與上述規(guī)范類似，因此，無法根據(jù)規(guī)范條文直接確定城軌變電所直流電源接線形式。

比較 2 種接線形式，其根本區(qū)別在于：單母線分段接線對重要負(fù)荷可以采用雙重電源供電，從而保證供電可靠性；當(dāng) 1 段母線發(fā)生故障，分段斷路器自動(dòng)將故障段隔離，保證正常段母線不間斷供電，不致使重要客戶停電；2 段母線同時(shí)故障的幾率小，可以不予考慮；反之，單母線接線則無法實(shí)現(xiàn)對重要負(fù)荷的雙重電源供電。因此，確定直流電源主接線首先要確定直流電源的負(fù)荷分級。

GB 50157-2013《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》第 15.5.1 條規(guī)定：變電所操作電源為 1 級負(fù)荷中特別重要負(fù)荷[2]。對該條中“變電所操作電源”的不同理解，是工程中變電所直流電源接線出現(xiàn)不同方案的主要原因。如果將規(guī)范中所述“變電所操作電源”理解為變電所中某個(gè)具體的二次裝置或二次回路的工作電源，則直流電源必須采用單母線分段接線，且為滿足 1 級負(fù)荷供電需求，必須采用雙重電源輻射供電；如果將變電所中二次裝置或二次回路視為一個(gè)整體，把為其提供工作電源的直流電源視為規(guī)范中所述“變電所操作電源”，則變電所直流電源采用單母線接線（2 路進(jìn)線）即可滿足規(guī)范要求。

圖1 單母線分段接線示意圖

圖2 單母線接線示意圖

根據(jù) GB 50052-2009《供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》第 3.0.1 條規(guī)定，符合下列情況之一時(shí)，應(yīng)視為 1 級負(fù)荷[4]：

（1）中斷供電將造成人身傷害時(shí)；

（2）中斷供電將在經(jīng)濟(jì)上造成重大損失時(shí)；

（3）中斷供電將影響重要用電單位的正常工作時(shí)。

城市軌道交通一般有主變電所、牽引降壓混合變電所、牽引變電所、降壓變電所、跟隨式降壓變電所等5種類型的變電所，對任一種變電所而言，當(dāng)變電所中單個(gè)二次裝置或二次回路工作電源中斷時(shí)，均不會產(chǎn)生上述后果；當(dāng)變電所直流電源中斷供電時(shí)，將會導(dǎo)致整座變電所退出運(yùn)行，但不同類型變電所退出運(yùn)行后，對城市軌道交通影響范圍存在較大差異。

（1）主變電所。主變電所是城市軌道交通供電系統(tǒng)的心臟，一般工程中均設(shè)置 2 座以上主變電所，并通過環(huán)網(wǎng)電纜相互連接。當(dāng) 1 座主變電所解列，在解列主變電所 35 kV 母線未故障的情況下，可通過調(diào)整運(yùn)行方式，由其他主變電所對全線 1、2 級負(fù)荷進(jìn)行供電；當(dāng)主變電所直流電源中斷供電時(shí)，主變電所將整體退出運(yùn)行，此時(shí)雖然 35 kV 母線未發(fā)生故障，但是由于微機(jī)繼電保護(hù)裝置無工作電源，35 kV 母線不能投入運(yùn)行，將會造成本線部分區(qū)段停運(yùn)，在資源共享的情況下，將影響 2～3 條線的正常運(yùn)行。

（2）牽引變電所。牽引變電所主要為列車提供牽引電源，1 座牽引變電所解列為牽引供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)考慮的工況之一。當(dāng)牽引變電所直流電源中斷供電時(shí)，由于直流越區(qū)隔離開關(guān)失電，無法通過控制中心遙控形成雙邊供電，需要運(yùn)營人員到現(xiàn)場手合越區(qū)開關(guān)，時(shí)間較長，在此期間可根據(jù)具體情況采用單邊供電（供電能力不夠時(shí)需限制行車對數(shù)）或者采用區(qū)間折返等降級運(yùn)行模式。

（3）降壓變電所。降壓變電所主要為車站及區(qū)間動(dòng)力、照明負(fù)荷提供電源。當(dāng)降壓變電所解列時(shí)，由于車站內(nèi)特別重要的1級負(fù)荷均設(shè)置有備用電源，因此，車站可以在一段時(shí)間內(nèi)維持基本運(yùn)行，但是服務(wù)水平有所下降。

（4）跟隨式降壓變電所。跟隨式降壓變電所一般僅為遠(yuǎn)離車站降壓變電所的動(dòng)力、照明負(fù)荷供電。與降壓變電所一樣，當(dāng)跟隨所解列時(shí)，不會影響車站的基本運(yùn)行，但服務(wù)水平有所下降。

（5）牽引降壓混合變電所。牽引降壓混合變電所是牽引變電所與降壓變電所的合建所，其解列后對城市軌道交通的影響包含（2）、（3）所述。

此外，隨著高頻開關(guān)電源技術(shù)的發(fā)展，城軌工程中直流電源均采用高頻開關(guān)電源模塊型充電裝置，其整流模塊可以更換，且有冗余，可靠性相對較高，一般不做整套充電裝置的備用[5]。在此背景下，圖1所示的單母線分段接線在饋線母排上一級依然存在匯流母排，無法形成相互獨(dú)立的 2 路整流電源，即便對重要負(fù)荷實(shí)現(xiàn)雙回路饋電，也主要是實(shí)現(xiàn)了電纜線路的備用，而此需求單母線接線同樣可以實(shí)現(xiàn)。因此，DL/T 5044-2014《電力工程直流系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》第 3.5.1 條規(guī)定：1 組蓄電池配置 1 套充電裝置時(shí)，宜采用單母線接線[5]。

從以上分析可以看出，將 GB 50157-2013《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》第 15.5.1 條所述“變電所操作電源”理解為變電所直流電源更為合理，直流電源采用單母線接線即可滿足規(guī)范要求?？紤]到主變電所直流電源中斷后對城市軌道交通正常運(yùn)行將產(chǎn)生重大影響，且主變電所數(shù)量不多，其直流電源采用單母線分段較為合理，條件允許時(shí)，2 段母線應(yīng)分開配屏，減小 2 段母線同時(shí)故障的概率；對于其他類型的變電所，由于直流電源中斷供電對城市軌道交通的正常運(yùn)行影響較小，且變電所數(shù)量較多，直流電源采用單母線接線滿足規(guī)范要求，使系統(tǒng)接線更加簡單，運(yùn)行更加可靠，同時(shí)減少了元器件及線纜數(shù)量，可以節(jié)省工程投資、減少維護(hù)工作量。

2 母線額定電壓

直流電源母線額定電壓有3種，即 DC220V、DC110V 與 DC48V。DC220V 與 DC110V 廣泛應(yīng)用于各種變電站，DC48V 主要用于有配電網(wǎng)自動(dòng)化的環(huán)網(wǎng)柜與箱式變壓器[6]。

DL/T 5044-2014《電力工程直流系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》對直流系統(tǒng)標(biāo)稱電壓要求如下[5]：

（1）專供控制負(fù)荷的直流系統(tǒng)宜采用 110 V，也可采用 220 V；

（2）專供動(dòng)力負(fù)荷的直流系統(tǒng)宜采用 220 V；

（3）控制負(fù)荷和動(dòng)力負(fù)荷合并供電的直流系統(tǒng)采用 220 V 或 110 V。

其條文說明如下。

（1）對于控制負(fù)荷，一般電流較小，宜采用110 V，特別是中、小型變電所，無電動(dòng)機(jī)負(fù)荷，目前斷路器均采用液壓或彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)，合閘電流只有 2～5 A，供電距離較短，主要是控制負(fù)荷，更有條件采用 110 V。

（2）動(dòng)力負(fù)荷的功率一般較大，供電距離較長，采用 110 V 時(shí)，電纜截面較大，投資增加，通過經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較，采用 220 V 較好。

（3）有些工程的配電裝置規(guī)模較大，距離控制室又遠(yuǎn)，控制負(fù)荷如采用 110 V 電壓，控制電纜的截面雖然選擇很大，但往往無法滿足要求。因此，可以采用220 V 電壓，同時(shí)向控制負(fù)荷和動(dòng)力負(fù)荷供電；反之，可采用 110 V 電壓。

城軌各類變電所中高壓交流斷路器均采用彈簧操作機(jī)構(gòu)，直流斷路器合閘線圈功率一般在 2 000 W 以下，上網(wǎng)隔離開關(guān)電機(jī)額定功率一般在 150 W 左右；變電所規(guī)模較小，主要負(fù)荷集中在 50 m 范圍以內(nèi)，負(fù)荷以控制負(fù)荷為主，基本沒有動(dòng)力負(fù)荷，因此，具備采用 110 V電壓的條件?！峨娏こ屉姎庠O(shè)計(jì)手冊——電氣二次部分》中對采用 110 V 電壓的優(yōu)點(diǎn)描述如下[7]。

（1）110 V 的網(wǎng)絡(luò)較小，提高了操作電源系統(tǒng)的可靠性和供電質(zhì)量。

（2）110 V 直流系統(tǒng)要求的絕緣水平較低，提高了運(yùn)行的安全性，同時(shí)減少了中間繼電器線圈斷線和接地故障。110 V 繼電器觸點(diǎn)斷開時(shí)的干擾電壓幅值下降，可提高設(shè)備工作的可靠性。

（3）蓄電池個(gè)數(shù)和蓄電池室的面積減少，簡化了安裝和維護(hù)。

《電力工程電氣設(shè)計(jì)手冊——電氣二次部分》中對采用 110 V 電壓的缺點(diǎn)描述如下[7]：

（1）當(dāng)發(fā)電廠設(shè) 2 種直流系統(tǒng) 220 V 和 110 V 時(shí)，增加了蓄電池組數(shù)，使投資稍有增加，布置也較困難；

（2）控制回路截面較大；

（3）220 V 直流電源對變電所的事故照明比較有利，接線簡單，切換回路可以簡化，而用 110 V 時(shí)則要采用逆變電源裝置或其他方法解決事故照明的供電問題。

針對城軌變電所，上述缺點(diǎn)描述中第（1）條并不適用；考慮到降低電纜斷線的機(jī)率，電纜截面降低到一定程度即不再降低，如《工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊》提出“由直流屏引出的控制、信號饋線應(yīng)選擇銅芯電纜，其截面不宜小于 4 mm2”，城軌變電所因其規(guī)模小，負(fù)荷電流小，從多個(gè)工程的實(shí)踐來看，無論直流電源采用 110 V 還是 220 V，電纜截面均以 4 mm2為主，其次為 6 mm2，極少采用 4 mm2以下和 10 mm2以上電纜，因此，缺點(diǎn)描述中第（2）條所述控制電纜截面問題也不存在；城軌車站變電所事故照明一般由車站應(yīng)急電源（EPS）統(tǒng)一供電，主變電所因獨(dú)立設(shè)置，一般由直流電源供電，但是主變電所數(shù)量較少，因此，缺點(diǎn)描述中第（3）條所述，在城軌領(lǐng)域沒有明顯優(yōu)勢。

通過以上分析，可以看出城軌直流電源采用 110 V電壓等級具有明顯優(yōu)勢，工程中應(yīng)優(yōu)先考慮。

3 結(jié)論

城市軌道交通變電所具有規(guī)模小、負(fù)荷功率小、負(fù)荷分布集中等顯著特點(diǎn)，工程設(shè)計(jì)中應(yīng)針對變電所的特點(diǎn)確定直流操作電源的接線和額定電壓。本文以地鐵各類變電所為參照進(jìn)行了分析，推薦直流電源采用單母線接線、DC110V 額定電壓為主的方案。該方案滿足規(guī)范要求，且具有接線簡單、電池?cái)?shù)量少、投資節(jié)省等特點(diǎn)，該方案也適用于輕軌、單軌、中低速磁懸浮、有軌電車等軌道交通工程。