【摘　要】结合上海轨道交通8号线南延伸工程降压变电所设计,介绍了降压变电所主接线及运行方式、变电所保护、控制与自动装置等概况,并对降压变电所的设计思路、系统配置、系统功能以及变电所综合自动化系统、无功补偿、谐波治理等进行了分析。

【关键词】轨道交通;降压变电所;主接线;综合自动化;无功补偿;电能质量管理系统

 

1、工程概述

      上海轨道交通8号线南延伸工程(又称浦江镇公共交通配套工程)北起成山路站,南至航天公园站,全长14. 23 km,全线共设8座车站。其中杨思站、济阳路站、凌兆新村站、芦恒路站为地下车站,浦江镇站、江月路站、浦江世博家园站、航天公园站为高架车站,设浦江镇停车场一座。地下车站和高架车站各设一座35/0. 4 kV降压变电所,停车场设35/0. 4 kV降压变电所和跟随降压变电所各一座。

      浦江镇公共交通配套工程全线共设置10座降压变电所,其中6座与牵引变电所合建为牵引、降压混合式变电所, 1座为跟随式变电所。供电系统与轨道交通8号线保持一致,采用110/35 kV两级电压供电方式。本工程在江月路站附近设一座110/35 kV主变电所,馈出35 kV电源,分别向沿线各车站及车辆段的牵引、降压变电所供电。

2、降压变电所主接线及运行方式

2. 1　主接线

      降压变电所35 kV侧采用单母线分段接线方式,中间设分段开关。两路35 kV进线电源来自江月路主变电所或相邻车站混合变电所(降压变电所)的两段不同母线,每段母线馈出一回至下一个相邻的牵引降压混合所或降压变电所,形成中压环网供电方式,跟随式降压变电所采用线路变压器组接线,由相邻的牵引降压混合所或降压变电所供电。两台35/0. 4 kV配电变压器分别接于两段母线上。0. 4 kV母线为单母线分段,中间设母联开关,0. 4 kV每段母线设三级负荷总开关(见图1)。

2. 2　运行方式

      1)正常运行方式。降压变电所正常运行时, 35kV母线及0. 4 kV母线分段断路器分闸,两路35 kV进线及两台配电变压器分列运行,分别负担其供电范围内的一、二、三级负荷。

      2)故障运行方式。当一路35 kV进线电源故障或失电时,该路电源进线断路器分闸, 35 kV母线分段断路器在具备合闸条件时自动投入,由另一路进线负担该变电所供电范围内的动力照明负荷。

当一台变压器故障或检修退出运行时,自动切除该所供电范围内的所有三级负荷, 0. 4 kV母联断路器在具备合闸条件时合闸,由另一台变压器负担全所动力照明一、二级负荷的供电。

3、变电所保护、控制与自动装置

3. 1　继电保护配置

      降压变电所继电保护配置应相互协调配合,以适应不同的运行方式,满足可靠性、选择性、灵敏性和速动性的要求,并力求简化保护配置。

      35 kV进出线通过微机综合保护测控单元实现差动、过流、零序等保护,配电变压器装设高温报警及超高温跳闸保护; 0. 4 kV低压进线及母联开关通过配置智能型框架断路器实现长延时、短延时、瞬动及接地保护等功能。上下级开关之间应有良好的动作选择性,例如低压进线短路器的过载长延时保护应与配电变压器允许的正常过负荷相配合,使配电变压器容量得到充分利用而又不影响变压器的运行寿命。

3. 2　控制与自动装置

      降压变电所均按无人值班方式设计。采用三级控制方式,即开关柜本体的就地控制、所内控制信号屏或维护计算机的所内控制、控制中心电力调度系统的远动控制。三级控制相互之间应具有可靠的闭锁,任何时刻降压变电所各种设备的控制只执行一个操作命令。

      35 kV母线分段断路器设置自动投入装置,自投功能可在当地/远方进行投入/撤出。0. 4 kV母联断路器设置备用电源自动投入装置, 0. 4 kV三级负荷总开关设置失压脱扣联跳装置(失压或低电压时与另一段母线的三级负荷开关联动跳闸)。变电所交直流自用电系统的两回路0. 4 kV进线电源设置备用电源自动投入装置(见图2)。

4、变电所综合自动化系统

      降压变电所二次设备选用集控制、保护、测量、信号功能为一体的微机或智能监测单元。

4. 1　系统构成

      变电所综合自动化系统采用分层、分布式结构,系统分为三层:站级管理层,网络通讯层和设备间隔层。站级管理层为安装在控制信号屏上的主控管理单元;设备间隔层为安装在各开关柜内的微机综合保护测控单元;站级管理层与设备间隔层间通过所内通信网络实现数据交换。

      变电所综合自动化系统以供电设备为对象,通过所内网络将所内的35 kV保护测控单元、0. 4 kV保护测控单元、交直流自用电系统监控单元等间隔层设备与站级管理层设备连接起来。

4. 2　系统功能

      变电所综合自动化系统采用集中管理、分布控制模式,各微机综合保护测控单元由主控管理单元管理,并通过所内通信网络进行数据交换。利用计算机、通信、网络等技术,实现无人值班变电所各种设备的控制、监视、测量、保护及故障切除、信息发送、故障诊断等(见图3)。

5、无功补偿及谐波治理

5. 1　无功功率补偿

      在降压变电所0. 4 kV侧两段低压母线上集中设置自动无功功率补偿装置,使补偿后的功率因数达到0. 9以上。采用串联电抗器的无功补偿装置,电抗器的电抗系数P的范围为6% ~7%,谐振频率为189Hz~204Hz,能抑制5次及以上谐波发生谐振现象。补偿电容器采用三角形接线,由自动功率因数控制仪自动控制电力电容的投入和切除。

5. 2　谐波治理

      针对地铁车站动力照明设备(如变频器)、电子镇流器等非线性负载的情况,本工程在降压变电所0. 4 kV侧两段低压母线上并联设置有源滤波器,可根据要求滤除2~50次之间的谐波,并可同时滤除不少于15种谐波。同时进行滤波和无功补偿,可根据需要设定滤波的谐波次段和滤除谐波的目标值。有源滤波器在滤波的同时还可避免过补偿,即有源滤波器可以做到只滤波而不产生无功功率,完全避免过补偿,也可以通过设定目标功率因数,将滤波后剩余的能量用于无功补偿。滤波器无功补偿功能的投入应能单独控制或设定。

6、接地与避雷系统

      全线各车站接地按综合接地系统进行设计,接地电阻≯0. 5Ω。形成全线统一的高低压兼容、强弱电合一的接地系统,满足车站内各类设备的工作接地、安全接地及防雷接地要求。配电系统采用TN-S制。

      地下车站的接地网由人工垂直接地极和水平接地极组成,接地网设于变电所侧车站结构底板垫层下,并采用绝缘措施引至变电所的夹层内,作为强弱电接地母排接入点。

      高架车站低压配电系统接地与建筑物防雷击接地共用接地系统。接地装置由自然接地体和人工接地体构成,利用车站内的结构钢筋作为自然接地体。并利用立柱内钢筋作为防雷击引下线。

7、设计的难点与关键技术

7. 1　0. 4 kV进线及母联开关的极数选择

      根据地铁运营公司实测,车站降压变电所低压柜PE线上长期存在几安甚至十几安电流。经分析,由于地铁低压配电系统采用的TN-S系统,两台动力变压器中性点分别直接接地,如按以往设计,进线及母联开关采用三级开关,在变压器正常及故障运行时,容易使负荷电流通过母联柜内的中心线和PE线,从而引起杂散电流,有可能会引起开关误动,导致对信息技术设备产生干扰。经反复研究,将0. 4 kV进线及母联改为四级开关,可以有效阻断杂散电流的通路,也有利于电气检修安全。

7. 2　电能质量管理系统的采用

      本工程采用电能质量管理系统,对低压负荷进行实时监测, 35 kV侧进、出线、母线以及配电变压器馈线通过35 kV侧综合保护测控单元实现智能化计量;降压变电所0. 4 kV侧进线、三级负荷总开关、照明母线以及环控负荷出线通过配置智能化表计实现计量。

      通过各回路设置的智能化仪表,采集用电负荷相关电量信息,并将相关信息送至轨道交通能源利用综合管理平台进行分析处理,为实现轨道交通电能质量监测、节能管理等提供依据。

7. 3　设备选型

7. 3. 1　35 kV开关柜

      采用SF6气体绝缘的GIS开关柜,它具有可靠性强、体积小、免维护及寿命长等优点。本工程选用的35 kV GIS交流开关柜采用模块化设计,柜间连接采用B-LINK模块,现场安装无需充气。当一台设备发生故障需要拆除时,可以很方便地抽出母线连接装置B-LINK,开关柜很容易被抽出,其它设备可以快速恢复送电,大大减少停电时间。

7. 3. 2　交直流屏

      本工程选用的交直流屏采用高频开关直流自用电系统,设计上除了配置采取n+1冗余设计,并且独立设置充电高频开关电源模块和控制电源高频开关电源模块。万一控制电源高频开关电源模块(n+1)全部发生故障,充电高频开关电源模块可替代控制电源高频开关电源模块,确保控制母线不失电,可大大提高系统的安全可靠性。设备的组件按不同的功能采用模块化设计,扩展及使用维护方便。