地铁接地变选型设计要素分析

地铁接地变选型设计要素分析 摘 要：为了防止系统在严重偏执中性电流的作用下出现跳闸等异常反应，系统要设置大容量的接地变压器用作中性点接地。重点研究了接地变压器的选型，而接地变压器的选型主要包括接地容量的验算、站内用电功率的计算、配合系统对接地变压器的影响、柔性供电方案对接地变压器的影响、接地变压器的并列方案等。 关键词：地铁；接地变压器；选型设计；中性点 中图分类号：U231.8 文献标识码：A DOI：10.15913/ki.kjycx.2015.02.088 地变压器（简称接地变）的作用是在系统为型接线或Y型接线中性点无法引出时，引出中性点用于加接消弧线圈或电阻。此类变压器采用Z型接线（或称曲折型接线），它与普通变压器的区别是，每相线圈分成两组分别反向绕在该相磁柱上。这样连接的好处是零序磁通可沿磁柱流通，而普通变压器的零序磁通是沿着漏磁磁路流通，所以，Z型接地变压器的零序阻抗很小（10 左右），而普通变压器要大得多。按规程规定，用普通变压器带消弧线圈时，其容量不得超过变压器容量的20%. Z型变压器则可带90%100%容量的消弧线圈，接地变压器除了可以带消弧圈外，也可带二次负载，可代替所用变，从而节省投资费用。 1 工程背景 某地铁站总长为195.32 m（内净），标准段宽为18.3 m（内净），车站高度为14.51 m，主体建筑面积为8 805 m2，为局部地下3层10.5 m岛式站台车站。其地下一层为设备层，地下二层为站厅层，地下三层为站台层，车站无轨道交通换乘，车站共设4个出入口。车站降压变电所位于车站站台层的西端，负责供车站和两端相邻各半个区间的动力照明用电。 因为地铁站规模有限，所以，降压变电站用作站内低压变电站，降压变电站尾端引出三相400 V照明电电压直接进入站内EPS系统。接地变压器在地铁接地系统中的应用如图1所示。 图1 接地变压器在地铁接地系统中的应用 2 用电源头 地铁站的用电源头主要有以下4部分。 2.1 照明用电 因为地铁站属于地下设施，没有自然光支持，所以，地铁站运行全时段需要不少于24 lm的全场照明，地铁站关闭期间需要不少于9 lm的全场照明。同时，站内的电子指示牌、通风机等也需要照明用电的支持。 2.2 调度用电 地铁站的调度信号机采用了场内供电和连续供电两种供电模式，采用ABB自动换向开关自动选择调度用电。场内的有人值守调度指挥系统也需要使用调度用电。 2.3 安保用电 场内的消防泵、排烟风机、门禁系统等均需要安保用电的支持。安保用电使用的是布置在站内EPS之后的专用UPS实现电能质量支持。 2.4 信号用电 信号用电与调度用电类似，而信号用电采用的是12 V的电路。目前，越来越多的信号采用了光缆信号，逐渐与信号电工任务脱离。 3 接地变选型的问题 接地变的主要用途是给无中性线、负载不均衡的供电系统提供中性线。地铁属于冲击电流较大的偏执电流，但是，其实际供电系统不存在中性线，而是采用了三相电中的两相作为单向大功率供电的方式运行。所以，地铁供电实际上是在单向接地空载电流和两相异地接地空载电流两种形式之间转换。因此，接地变的容量应该与两种接地发生时的中性线电流相对应。但是，在冲击电压波动的情况下，如果在接地变上直接取400 V的站内用电电源，就会严重影响站内用电的电能质量。 虽然接地变可以提供超低阻抗的中性接地，但是，当大电流偏执发生时，其浪涌电流足够毁坏上文中提到的所有市电设备。鉴于此，在接地变后方设计了小容量大功率EPS系统，在信号系统、调度系统之前布置了专用的大容量小功率UPS系统。在此基础上，应当配合变压器的容量设计和断路器的整定设计。 当接地变的容量过小时，可能会使偏执电流不能完整接地，甚至会烧毁接地变；当接地变过大时，会引发较多的无功功率，引起抗性升压和比较严重的电能质量问题。 4 解决方案分析 4.1 加强容量的验算和整定 因为车辆的过站和运行功率是可以通过车辆的额定功率和运行状态验算的，所以，当两路车辆分别过站时，给770 V线路带来的偏执电流是可以计算的。通过计算不同车辆在不同运行状态（停车、起步）下的实际偏执电流，可以计算出中性线的接地功率。虽然地铁站的接地功率比较大，在其他电路系统中并没有相似的研究，可以参考的文献也较少，但是，这个验算过程比较简单。通过强化验算规则，而不是采用经验法确定接地变的容量，就比较容易确定系统接地变的容量。但是，接地变的容量不仅仅是中性电流的容量，在接地变兼做站内变压器的系统中，接地变应当包括站内系统用电的容量。而站内系统的消防系统、排烟系统、通风系统和照明系统等均是用电量比较大的系统。 4.2 系统化的解决方案 要想有效解决地铁线路的大功率中性电流偏执问题，不仅要通过接地变压器的容量支持，还要利用断路器整定、动态无功补偿、下级EPS支持等多种方案综合实现其功能。 在断路器整定过程中，应将单相接地和两相异地接地视为合法，且充分计算车辆进出网络的时间周期，从而设定断路器的延 时时间。当车辆通过时引起的单相接地或者两相异地接地的时间足够长时，则认为出现了单相接地或者两相异地接地故障。同时，应该充分避免断路器出现三相接地或者三相短路故障。 动态无功补偿可以缓解系统空载时为接地变压器带来的抗性升压，同时，也能迅速调整车辆通过时对系统电压和电流造成的冲击，特别是能有效避免车辆通过时造成无功升压的剧烈变化。 下级EPS可以在大容量电池的支持下，通过微电脑辅助整理电能质量，提升站内用电的电能质量。因为EPS对电能质量的整理能力比UPS系统略差，所以，对于信号电部分和调度电部分，系统另外增加了专用UPS整理电能质量。 4.3 采用柔性供电方案 在有条件的地铁站，特别是大型换乘站等规模较大的车站，建议采用单相接地变的方式部署。利用这种方式可以有效地整理系统的电能质量，进而实现柔性供电。同时，部分新型地铁线路采用直流供电，从直流换流站中直接将三相电流均衡换流为直流电，从而实现了完全均衡的直流供电。但是，地铁直流供电在国内早期地铁中的升级改造工作尚没有完全铺开，仅是在目前新建的地铁系统中局部应用。但是，不得不说柔性供电和直流供电是未来地铁供电的发展趋势。 4.4 接地变的并列运行 智能供电的理念在“十二五”期间已经充分布局，在各企业内部电网中，因为市面上的智能化供电设备逐渐普及，智能化用电逐渐体系化，所以，开始充分开展智能化供电模式。而变压器的并列运行也是智能供电模式的一种。对于站内用电体系来说，三四台小容量接地变并列运行可以充分降低因为接地变故障引发的地铁行车电或者照明电跳闸等事故。通过合理部署智能化系统和状态监测系统，在站内变压器和接地变压器合并的状态下，多台热备用和多台同步在线的模式被广泛应用于目前的交流车辆系统供电中。这也是影响接地变压器选型的主要因素之一。 5 结束语 经过相关分析可知，接地变压器的选型需要考虑的因素较多，主要包括接地容量的验算、站内用电功率的计算、配合系统对接地变压器的影响、柔性供电方案对接地变压器的影响和接地变压器的并