地铁变电所操作电源设计方案及存在问题

地铁变电所操作电源设计方案及存在问题

谢宗桀

(深圳市市政设计研究院有限公司广东省深圳市518000)

摘要：地铁变电所操作电源是地铁供电系统中极其重要的负荷，是保障地铁供电系统安全、可靠运行的基础，其设计方案和城市变电站的操作电源相比较，存在一定的特殊性。本文对交流电源系统、直流电源系统和配电方式设计方案的进行了分析和总结，提出实际工程中遇到几个问题的解决方案，以期为地铁变电所操作电源的设计提供借鉴。

关键词：地铁；变电所；操作电源；交流电源；直流电源

变电所的控制、信号、保护及自动装置以及其他二次回路的工作电源称为操作电源[1]。对于地铁车站变电所，操作电源一般也称为所用电，而对于主变电所，所用电的范围更加广泛，除供配电设备操作电源外，还应包括主变电所建筑物中其他的动力照明用电电源。地铁变电所操作电源分为交流电源系统和直流电源系统，其中保护、控制及线圈回路通常采用直流电源，加热、照明、风机等回路通常采用交流电源。

1交流电源系统

地铁变电所操作电源中交流电源系统主要有单母线分段和单母线两种接线形式，额定电压为380V/220V,采用TN接地系统。

采用单母线分段形式时，由降压变电所交流0.4kV两段母线分别引入两回电源作为交流电源系统的进线电源。两路交流进线互为备用，不分主次，可自动和手动切换，在电源切换过程中应保证先断后合，可自投自复。两路进线断路器应采用高分断自动空气断路器，带有电动操作机构及分励、失压脱扣器，同时带有缺相保护及检压继电器。进线断路器的过流保护应具有闭锁自动投切装置的功能，母联开关采用带电动操作机构的空气断路器。当变电所规模较小时，也可采用单母线接线形式，此时引自两台变压器的电源应经过PC级双电源切换装置接至同一段母线[2]。对于地铁主变电所和区间牵引变电所，也可以采用交流电源屏和0.4kV开关柜合设的方案，此时应采用单母线分段接线形式。

交流屏柜内通常采用母排方式，馈线输出AC380V/230V。每路输出均需配有带报警辅助接点的高分断自动空气断路器，并配置信号指示等组件，信号灯采用节能型。空气断路器的技术特性应满足系统短路容量的要求。进线与馈线断路器必须在线路故障时确保跳闸时间相协调。重要的操作电源负荷采用双回路供电时，应当从不同母线段接线。

交流屏与直流屏通常共用一套监控单元，能够对所有进线、馈线及所有故障信息进行监视，对进线电流、母线电压进行监测，所有数据能够通过监控单元的通信接口接入变电所综合自动化。

2直流电源系统

一组蓄电池的直流系统，采用单母线分段或单母线接线形式。两组蓄电池的直流系统，采用单母线分段接线形式，两组蓄电池分别接于不同的母线，两段母线间应设置PC级ATS实现双切。若交流电源采用单母线接线方式时，直流屏不宜再从交流屏引双回路电源。地铁车站、车场变电所通常设一组蓄电池，主变电所通常设两组蓄电池。地铁变电所一般选择阀控式密封铅酸蓄电池，可实现免维护。

地铁变电所规模小，动力负荷小，直流母线一般采用合母、控母合设的方案，并应设计调压装置。考虑双边联跳回路、上网隔离开关回路、区间跟随所等负荷供电距离较远，直流电源母线宜电压采用220V。此外，部分直流开关柜厂家的断路器合闸线圈采用电磁机构，其直流电源电压应采用220V。正常情况下，直流母线电压应为直流电源系统标称电压的105%；蓄电池均充情况下，直流母线电压不应超过直流电源系统标称电压的110%；其他情况下，直流母线电压不应超过用电设备允许的电压波动范围，一般为直流电源系统标称电压的85%-110%。

蓄电池的个数，应根据单体电池正常浮充电压值和直流母线电压为1.05倍直流电源系统标称电压值确定。蓄电池组的容量应根据简化计算法或阶梯计算法进行确定[3]。

充电装置宜采用高频开关电源，其容量应满足系统最大经常性负荷和蓄电池充电电流的要求，并采用N+1热冗余配置。

3配电方式

由于变电所各用电设备的位置分布较零散，而且有单独维护检修的需求，从交流电源和直流电源母线到用电设备一般采用放射式供电方式。

对于单一布置的用电设备，放射式供电接线简单，可靠性高，检修维护方便。缺点是当全所放射式供电回路占多数时，二次电缆用量较大。

对于成排布置的开关柜、接触网隔离开关等设备，根据在各设备之间的不同内部接线形式，实则形成了树干式或环式供电方式，其中环式供电对应交、直流系统宜采用单母线分段接线。常见的采用树干式供电方式的有直流开关柜，通常由负极柜或进线柜引入一回总电源，再通过小母线将电源接入各面开关柜。常见的采用环式供电方式的有交流中压开关柜，通常由I段和II段的进线开关柜各引入一回总电源，再通过小母线将电源接入各面开关柜，同时在母联柜或隔离柜设置小母线的联络开关。联络开关为常开状态，正常时由I、II段进线柜引入的电源分别为各开关柜供电，开环运行。当I段或II段进线柜中一回电源故障时，手动合上联络开关，由另一电源为全部开关柜供电。树干式和环式供电方式电源接线少，可靠性较高，但其缺点是干线出现故障时会影响后续回路供电。

4存在问题

4.1直流回路并联供电

在提供直流用电需求时，部分厂家对其同一用电设备提出了双回路供电的需求，但其设备本身并不具备相互隔离的双电源模块，而在其进线电源处设置双电源切换装置也是不现实和不经济的。为了满足其双回路供电的需求，很多工程中采取了双回路并联供电的方式。这种做法虽然达到了供电线路的冗余的功能，在电缆断线情况下能起到设备不断电的作用，但是却带来新的问题。

直流电源系统一般设置绝缘监察系统，能对母线电压、母线对地绝缘电阻及各馈线支路绝缘状况进行实时测量判断，超出正常范围时发出报警信号，并正确指示发生故障的馈线支路，并能实现在不停电状态下的故障查找定位，其中各支路工作状态的监测一般通过该回路中设置的霍尔元件实现。当系统中出现真实的接地故障时，系统将检测到绝缘电阻降低，并且故障回路的霍尔元件上能检测到电流，这是由于该回路正导线和负导线中的电流大小不一致而出现的。

当采用双回路并联供电时，同一用电负荷实际由两根正导线和两根负导线为其供电，如图1所示，L1+和L2+实际接到同一点，L1-和L2-也接到同一点。L1回路和L2回路分别设置了霍尔元件H1和H2。

图1并联供电示意图

理想情况下，导线L1+和导线L1-中的电流大小相等，方向相反，霍尔元件H1监测到电源为0；导线L2+和导线L2-中的电流大小相等，方向相反，霍尔元件H2监测到电源为0。但在实际工程中，往往由于四根导线及其后续回路中的回路电阻不同，造成L1+和L1-导线的电流绝对值不相等、L2+和L2-导线的电流绝对值不相等。同时霍尔元件H1和H2分别监测到大小相等、方向相反的两个电流，其电流的大小与用电负荷、回路导线长度、回路中各接线端子接触电阻大小等有关。因此，正常情况下本不该监测到电流的霍尔元件H1和H2监测到电流信号。当直流电源真正出现接地故障时，可能会出现误报的情况，影响故障处理。

针对上述情况，目前有主要有两种解决方案。一种方法是在绝缘监察系统的软件中进行内部处理，将并联回路两个霍尔元件的测量值求矢量和，将求和后的数值再作为判断回路绝缘状态的标准。正常时，该和值应为零。而当并联的两个回路其中一个出现接地故障时，其霍尔元件的测量值求和必不为零，从而将故障范围缩小到了特定的两个回路。

而另一种方法，是将所并联的两个回路的两正两负四根导线同时穿过一个霍尔元件，如图2所示。

图2并联供电共用霍尔元件示意图

正常情况下，L1+、L1-、L2+和L2-四根导线电流矢量和为零,霍尔元件H监测到电流为0。当任意一根导线出现接地故障时，霍尔元件H均能正确检测。

由于霍尔元件的负载能力有限，一般量程为±10mA或±20mA。在一些极限情况下，比如并联供电回路中某一根导线断线，会出现霍尔元件测得的电流远远大于其量程的情况，导致霍尔元件过载。霍尔元件长期过载后，将导致内部磁化，影响系统工作。

故笔者认为，各设备厂家在自身不具备相互隔离的双电源模块或双电源切换装置的情况下，应该避免提出直流双回路供电的要求。若必须采取并联供电时，应采取上述第二种方法，该方法更加安全可靠，并能同时能减少霍尔元件的使用。

4.2蓄电池放电装置

为了方便运营维护单位进行蓄电池充放电试验，操作电源系统应设置试验放电装置。因放电试验时间较长，记录数据较多，试验放电装置应具备自动记录数据和导出的功能。放电装置可采用固定式，也可采用移动便携式。固定式的放电装置可采用电热器件或有源逆变放电装置。

当采用电热器件（如放电电阻）时，将蓄电池组与控母之间的馈线开关断开，将电阻接入蓄电池组的负载回路中，通过放电电阻消耗蓄电池的电能进行相关试验。整个试验过程中不会产生明火，安全可靠，但由于试验过程中电阻持续发热，导致设备房温度上升，造成局部较热。当采用有源逆变装置时，将蓄电池的输出经逆变接入交流电源系统中，对蓄电池的电能进行消耗。该方案充分利用能源，但系统接线复杂，增加了投资。而且，一般的运营部门一年只进行一到两次蓄电池放电试验，逆变装置的利用率极其有限。

因此，笔者建议，在蓄电池放电试验不频繁的情况下，应首选移动便携式放电测试仪。当便携式放电测试仪无法满足运营部门要求时，可考虑设置电热器件放电装置。

4.3馈线开关选型

交、直流馈线回路的馈线开关及电缆应根据各设备厂家提出的用电需求进行选择。由于各设备用电需求差异较大，导致馈线开关种类较多，同一系统中会同时出现10A、16A、20A、25A等多种规格的开关。导致运营部门需要在备品库中准备多种不同种类的开关，造成库存积压或者物资浪费。因此在实际工程中，应适当增大某些馈线回路的开关，尽量减少开关的种类，将开关的规格减少到2种甚至1种，从而降低运营维护成本。

5结语

地铁变电所操作电源的设计方案与城市变电站的操作电源基本原则一致，但又因其特定的生产环境和负荷需求而存在一定的特殊性。随着新技术的出现、设备生产工艺的提高和运营维护需求的变化发展，不断的产生新的问题。笔者结合可靠性、可行性和经济性，通过对并联供电等问题的分析，提出解决方案的建议，以期为地铁变电所操作电源的设计者和维护人员提供借鉴。

参考文献:

[1]中国航空规划设计研究总院有限公司.工业与民用供配电设计手册（第四版）[M].北京:中国电力出版社,2016．

[2]GB50059-2011,35kV～110kV变电站设计规范[S].北京:中国计划出版社,2011．

[3]DL/T5044-2014,电力工程直流电源系统设计技术规程[S].北京:中国计划出版社,2014．

谢宗桀：深圳市市政设计研究院有限公司，工程师，深圳，518000