摘 要 中压网络是城市轨道交通供电系统中的重要组成部分。经济合理地选择中压网络,有利于优化系统供电方案,减少工程投资,便于运营管理维护。通过对供电系统中压网络的组成结构和功能的介绍,采用功率矩法分析,结合实际工程对组网的方案采用35ｋｖ、20ｋｖ及10ｋｖ等不同电压等级时的技术经济进行了比较。中压供电网络选择较高的35ｋｖ电压等级是经济合理的。
关键词 城市轨道交通,供电系统,中压网络,电压等级
中压网络是轨道交通供电系统中主变电所(或电源开闭所)与牵引供电系统、动力照明供电系统间相互连接的重要环节。其电压等级的确定,关系到城市轨道交通供电系统的供电质量,同时也制约着主变电所(或电源开闭所)位置及数量的确定。所以,中压网络方案的确定,影响到轨道交通供电系统的整体投资和运营维护等诸多方面,在研究城市轨道交通供电系统时应对中压网络方案进行分析和优化。
1 中压网络的构成及组网结构
中压网络是由两条以上与城市轨道交通线路平行敷设的电缆线路构成。其作用是:纵向把上级的主变电所和下级的牵引变电所、降压变电所连接起来;横向把全线的各个牵引变电所和降压变电所连接起来。由于它是供电系统内部变电所之间唯一的电能传输通道,因此每回电缆线路的容量必须满足所供分区内全部牵引负荷以及一、二级动力照明负荷的需求;在网络的接线形式、电压等级、电缆截面的选择各方面,也应根据负荷情况细致分析确定。WWW.11665.CoM
中压网络的组网结构与城市轨道交通供电系统的外部电源供电方式有关。就集中供电而言,中压网络组网结构为树型(二叉树)结构,如图1所示。而对于分散供电来讲,中压网络组网结构一般采用点对点的结构,如图2所示。
目前,在各个城市的轨道交通建设中,供电系统多采用集中供电方式,所以其中压网络的组网结构主要以树型结构为主。点对点的结构本文就不再详细论述。
树型结构的组网形式相对比较灵活,形式也多种多样。根据用电负荷的性质,树型结构大致可分为两种:一种是混合网络构架,是指由主所或电源开闭所提供的中压电能通过同一中压网络路径直接分配给牵引供电系统和动力照明供电系统这两个子系统。这种组网形式的优点是网络结构简单,设备的利用率较高,投资相对节省;其缺点是事故影响范围较大,排除故障相对复杂。采用这种接线的工程有上海地铁(1号线除外)、广州地铁、天津地铁等,国内新建项目基本上多采用这种中压网络构架。图3是混合网络构架供电系统典型接线图。
另一种是独立网络构架,是指由主所或电源开闭所提供的中压电能通过两个相互独立的中压网络路径分别分配给牵引供电系统和动力照明供电系统这两个子系统。即两级网络构架是由牵引整流和动力照明两个子网络组成,如图4,图5所示。这种组网形式的优点是中压网络供电质量高,网络接线结构清晰,子系统间电气部分相互独立干扰小,事故影响范围小;其缺点是网络结构复杂,设备投资相对较高。采用这种接线的工程有上海地铁1号线(不是典型接线方式,但具有独立网络构架的特点),香港地铁和伊朗地铁等。这种网络构架国内应用的相对较少。
总之,这两种组网形式各有特点。具体的网络接线方式还要根据工程的实际情况,并结合相关轨道交通路网供电系统的组成结构,进行详细的经济技术比较。
2 中压网络电压等级的选择
电压等级的确定,是中压网络研究中的一个关键问题。因为电压等级的选择影响到整个供电系统的供电质量、系统接线和经济投资等诸多方面,所以应对中压电压等级选取进行详细分析研究。
一般来讲,35(33)ｋｖ、20ｋｖ和10ｋｖ这三种电压等级为中压范畴,在城市轨道交通的供电系统中均可采用。33ｋｖ和20ｋｖ为国际标准电压,国内工程采用的相对较少。以下以哈尔滨地铁1号线工程为例,对电压等级的选择进行分析比较。
2.1 工程的概况及相关技术条件
1)线路情况:哈尔滨地铁一期工程全长17.71ｋｍ,均为地下线路,共设置18座车站(如表1);远期线路的两端分别延长,全线建成后长27.3ｋｍ,共设25座车站;其外部电源供电方式为集中供电方式,中压网络组网形式为混合网络构架,初步设置6座牵引变电所,所有车站设置降压变电所。
2)车辆选择:采用ｂ型车,编组为4节动车2节拖车;轴功率按185ｋｗ考虑。
3)行车组织:高峰小时的行车交路情况(哈尔滨南站至哈尔滨东站)如图6所示;动车组旅行速度为35ｋｍ/ｈ。
2.2 中压网络电压等级选择的分析方法
2.2.1 线路电压损耗的计算
线路电压损耗是校验中压网络方案成立与否的关键数据。
1) 线路的电压损耗与电压降
线路的电压损耗是指线路首端电压与末端电压的代数差。线路的电压降是指线路首端与末端电压的相量差。若线路不很长,线路的电压降不大,通常可将电压降的纵分量δｕ视为线路电压损耗。
2) 带若干集中负荷的三相线路电压损耗计算
本文采用功率矩法对三相线路电压损耗进行分析。功率矩法的等效系统示意图见图7。
三相线路的电压损耗公式为
式中:ｒ0,ｘ0分别为线路单位长度的电阻和电抗值,具体值(典型值)可查阅相关产品样本得到;ｌ为线路首端至各负荷点的线路长度;ｒ=ｒ0ｌ,ｘ=ｘ0ｌ。ｐｌ称为功率矩,可用ｍ表示。
通过以上方法可以校验中压网络末端电压损失能否满足地铁规范的要求。
2.2.2中压网络电压选择计算结果的分析
以下分析结果是在同一网络构成条件下计算得出的,即:全线分别在黑龙江大学站和太平桥站附近设2座主变电所(具体网络接线详见图8)。此时两座主变电所的运行方式是考虑相互支援的,即:当一座主所解列时,另外一座主所要担负全线的牵引负荷以及动力照明一、二级负荷的用电要求。
图9为采用35ｋｖ电压等级,黑龙江大学主所解列时,中压网络电压水平分析图。图中系列1代表左母线,系列2代表右母线,每个变电所代表一个节点(见表2)。
图10为采用20ｋｖ电压等级,黑龙江大学主所解列时,中压网络电压水平分析图。
图11为采用10ｋｖ电压等级,黑龙江大学主所解列时,中压网络电压水平分析图。
以上只对黑龙江大学主所解列的情况进行分析,太平桥主所解列的情况与之相似,不再列举。从图9～11可以很清晰地看出35ｋｖ电压等级的中压网络的电压水平要比10ｋｖ和20ｋｖ都高许多。《地铁设计规范》要求:“中压网络末端电压损失不宜大于系统额定电压的5%”。因此,在设置2座主变电所时,只有采用35ｋｖ等级的中压网络才能满足规范要求;若采用10ｋｖ或20ｋｖ的中压网络,则供电系统需要增设主变电所,相应的供电系统的投资会大幅度上升。
3不同电压等级的比较
表3为采用不同电压等级时供电系统的技术经济比较。
综合上述分析,哈尔滨地铁工程中压环网采用35ｋｖ电压等级与采用20ｋｖ和10ｋｖ相比,在供电范围、供电质量、输电能力、运营费用、工程投资、调度管理、工程实施难易程度等多方面均具有优势。采用35ｋｖ等级电压,主变电所的数目最少,节省轨道交通外部电源投资。所以在城市轨道交通的建设中,中压供电网络选择较高的35ｋｖ的电压等级,是经济合理的,当然,对于其他城市的轨道交通工程,还应结合实际情 况,具体问题具体分析。
中压网络的选择没有特别的定式。本文的研究结论仅作为其他城市轨道交通工程供电系统设计的参考。
参考文献
1 刘介才.工厂供用电实用手册.北京:中国电力出版社,2001.616
2 中铁电气化设计院.电气化铁道设计手册-牵引供电系统.北京:中国铁道出版社,1988.17～22
3 何宗华.城市轨道交通工程设计指南.北京:中国建筑工业出版社,1993.179～190
