浅析地铁降压变电系统的设计
2013-05-22 22:17
浅析地铁降压变电系统的设计
摘 要：地铁，作为一种高密度的交通系统，逐渐成为大型城市公共交通的骨干。地铁的降压变电系统是地铁供电的基本电源设备。本文从变电系统的构成、降压变电的及控制方式着手，探讨地铁降压变电系统的优化设计，使降压变电系统设计更简单、可靠。
关键词：地铁 降压变电 优化设计
一、地铁变电系统概述
地铁变电系统是所有负荷（除了牵引系统以外）的电能来源，对地铁的正常运行起着至关重要的作用。地铁的变电站的一次设备、运行方式及管理模式与日用大电网变电站有所不同，因此也导致了其自动化系统的功能也与大电网变电站的功能存在不少差异。地铁供电变电站按其功能不同可以分为：主变电站、牵引变电站、降压变电站和跟随变电站。主变电站将 110kV 电网电压降为 35kV，输出给下级的供电站包括牵引变电站和降压变电站供电；牵引变电站则是将 35kV交流电经变压电路、整流电路转换为直流 1500V 和 750V，分别给接触网与接触轨供电；降压变电站则是将 35kV 电网电压降至 400V，主要负责车站的动力和照明电源，也是后级跟随变电站的进站端子；跟随变电站无需变压，从降压变电站的进站电源经过配电，为离降压变电站较远的地铁设备供电。
地铁降压变电站可以提供半个车站和单侧相邻半区域的负荷供电，对于较小规模的车站可以只用设置一座降压变电站。规模较大的车站一般设置两座降压变电站。
二、地铁降压变电系统的设计
（一）降压变电站的布置方式
规模较大的地铁车站，使用两座降压变电站供电。而两座降压变电站的布置方式有：两所、一所一室、一所一跟随三种形式。
1.两所布置：在设备区两端各设一座完整的降压变电所，均配有各功能配电房，其特点是：接线形式简单、可靠；两所降压变电站相互独立，但面积大，投入也多；
2.一所一室布置：降压变电跟低压配电分开。降压变电所与低压配电室是一二级关系，低压配电室的进线端是降压变电所的低压侧。其优缺点：减少电缆数；低压配电室负荷的供电距离相对减小，可在一定程度上减少故障的发生机率；降低了投入成本；配电室引入 0.4V 变压，一定程度造成电能损耗；母线槽的敷设增大了施工难度；
3.一所一跟随布置：一所主降压变电所，一所跟随降压变电所。两所高压进线端都是独立来自不同馈线回路，供给各自的负荷。其特点：低压供电损耗小；两所间采用高压独立，在供电质量、可靠性和安全性上都有所提高；跟随所势必增加高压柜、变压器及低压柜和房屋等设备，增加投入成本，工程造价。
（二）降压变电站的电气设计
1.主接线设计
地铁动力、照明等负荷分为一、二级负荷，因此降压变电所需要设计成两路独立供电电源。从 35KV 接线端子进入主变压器，经过变压成 0.4KV 被引出成两路输出电源。每座降压变电所分成若干区，两路电源接至两段不同的母线，同时在降压变电所的每段母线设一路出线电源，向相邻降压变电所供电。降压变电所 35kV 侧（即主变压器的一次线路）接线采用单母线分段型式，设置母联断路器。降压变电站的低压配电 35/0.4kV 变压，使用 2 台动力变压器，分别接自不同10kV 母线上。对于低压配电的动力变压器选型时，应留有裕量。容量按一、二级负荷考虑，因为应满足一台退出运行后，另一台能负担一、二级负荷。降压变电所的主接线如图 2 所示。
如图 2 所示，两座降压变电所的低压母线为单母线分段运行方式，设母联开关，正常情况下各自运行。当一台变压器退出运行时，可自动或手动投切母联开关，由另一台变压器提供整个的一、二级负荷供电。为了能够满足在任何情况下三台开关不同时处于合闸状态，这样避免因同时合闸引起的瞬间过电压造成设备损坏，采取进线开关、母联开关之间进行联锁。同时设置三级负荷总开关，这样做的目的是在当一台变压器退出运行同时另一台接管整个负荷时，避免可能为因超负荷运行而跳闸。进线开关、三级负荷总开关、母联开关的通断顺序不能出错，因先接通进线开关，再是三级负荷总开关，最后才是母联开关。断闸发的过程正好相反。只有这样才能保证不会出现故障，否则可能会在故障暂态过程或者分闸操作过程，变压器的铁芯会发生饱和作用，满足了谐振条件而造成铁磁谐振，给整个变电系统带来严重损坏。
2.控制、继电保护和自动装置
（1）控制
降压变电所的变压器的一级回路的断路器可 以采用 SCADA (Supervisory Control And DataAcquisition 数据采集与监视控制) 远动控制、变电所集中控制和就地控制三种方式；二级低电压 0.4kV 进线、母联开关和三级负荷总开关也可以采用 SCADA 远动控制和就地控制；为防止火灾情况下电源的及时切除，可以安装自动扶梯馈线开关带分励脱扣器，将其分励按钮与 FAS（Fire Automation System 火灾自动报警系统）系统输出继电器的常开接点并联，这样火灾发生时 FAS 系统可将其断开。
（2）继电保护
降压变电所一级线路35（10）kV 系统的继电保护装置采用综合保护测控单元，通过上位机实现实时保护、测量、信息采集与控制、开关间的联锁与联动、通信等功能，可以通过以太网上传数据至工控机。具体保护配置如下：
35（10）kV 进、出线——线路差动保护、过电流保护、零序电流保护、过电压保护、低电压保护；
35（10）kV 母联——限时电流速断保护、零序电流保护；
低压变压器——电流速断保护、过电流保护、过负荷保护、零序电流保护、温度保护、过电压保护、低电压保护；
0.4kV 低压进线柜、母联柜和环控一、二、三级负荷馈电柜均设过载、短路瞬时、短路延时及接地保护，其他低压柜设过载、短路瞬时及接地保护。
(3) 自动装置
可以讲 35（10）kV、0.4kV 母联断路器设置成自动投入装置/功能，以实现遥动自东投切功能。对于交流部分将电母联断路器设置自动投入、进线设来电自复功能，直流部分将两路交流进线设置自动投切功能。
三、测量和计量
变电所的综合保护测控单元可以完成将所有测量和计量的数据采集，并实时显示。可设置的系统的主要参数如下：35（10）kV 进/出线电流，35（10）kV 母线电压，配电变压器一次侧电流、有功功率、有功电度，配电变压器二次侧电流，0.4kV 母线电压，0.4kV 馈线电流，交流所用电系统进线电流及母线电压，直流所用电系统母线电压。
四、功率因素补偿
地铁供电系统具有充电无功功率大、负荷波动性大等特性，会影响电网的正常工作，因此必须采取合理的补偿措施。可以采用低压侧集中补偿的方式，设置电容自动补偿系统，完成系统的无功补偿，事情 Q 值达到 0.9.
五、过电压保护、防雷与接地
降压变电系统运行时存在谐振过电压、空载变压器过电压、母线系统谐振过电压以及雷电过电压等过压状况，严重时会造成系统瘫痪。
过电压保护和防雷措施：在变电所每段35（10）kV 母线处对地间设置一组避雷器，可以采用先进的串联间隙氧化锌避雷器；位于地面的变电所房屋（如车辆段）设置避雷带或避雷针。其额定雷电冲击耐受电压应不低于避雷器的雷电冲击保护电压乘以配合因数Kc（取≥1.4）。在配电变压器0.4kV侧和向重要设备供电的末端配电箱（BAS、FAS、AFC、通信、信号等）的各相母线上，装设电涌保护器（SPD）。
接地措施：35（10）kV 系统经小电阻接地，0.4kV 系统采用TN-S 接地系统。地铁车站设置综合接地网，接地网的接地电阻小于0.5Ω；降压变电所内做局部等电位连接。
参考文献：
[1]张金花.地铁变配电系统设计研讨.甘肃科技纵横.2003.2(32):58-59.
[2]常虹.浅谈地铁降压变电系统的设计与调试.甘肃科技纵横.2006(2):248.
[3]王孟祥.地铁降压变电系统构成和施工调试.铁道工程学报.2005.
