地鐵接地變選型設計要素分析

趙夢晨

摘 要：為了防止系統在嚴重偏執中性電流的作用下出現跳閘等異常反應，系統要設置大容量的接地變壓器用作中性點接地。重點研究了接地變壓器的選型，而接地變壓器的選型主要包括接地容量的驗算、站內用電功率的計算、配合系統對接地變壓器的影響、柔性供電方案對接地變壓器的影響、接地變壓器的并列方案等。

關鍵詞：地鐵；接地變壓器；選型設計；中性點

中圖分類號：U231.8 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.02.088

地變壓器（簡稱接地變）的作用是在系統為△型接線或Y型接線中性點無法引出時，引出中性點用于加接消弧線圈或電阻。此類變壓器采用Z型接線（或稱曲折型接線），它與普通變壓器的區別是，每相線圈分成兩組分別反向繞在該相磁柱上。這樣連接的好處是零序磁通可沿磁柱流通，而普通變壓器的零序磁通是沿著漏磁磁路流通，所以，Z型接地變壓器的零序阻抗很小（10 Ω左右），而普通變壓器要大得多。按規程規定，用普通變壓器帶消弧線圈時，其容量不得超過變壓器容量的20%. Z型變壓器則可帶90%～100%容量的消弧線圈，接地變壓器除了可以帶消弧圈外，也可帶二次負載，可代替所用變，從而節省投資費用。

1 工程背景

某地鐵站總長為195.32 m（內凈），標準段寬為18.3 m（內凈），車站高度為14.51 m，主體建筑面積為8 805 m2，為局部地下3層10.5 m島式站臺車站。其地下一層為設備層，地下二層為站廳層，地下三層為站臺層，車站無軌道交通換乘，車站共設4個出入口。車站降壓變電所位于車站站臺層的西端，負責供車站和兩端相鄰各半個區間的動力照明用電。

因為地鐵站規模有限，所以，降壓變電站用作站內低壓變電站，降壓變電站尾端引出三相400 V照明電電壓直接進入站內EPS系統。接地變壓器在地鐵接地系統中的應用如圖1所示。

圖1 接地變壓器在地鐵接地系統中的應用

2 用電源頭

地鐵站的用電源頭主要有以下4部分。

2.1 照明用電

因為地鐵站屬于地下設施，沒有自然光支持，所以，地鐵站運行全時段需要不少于24 lm的全場照明，地鐵站關閉期間需要不少于9 lm的全場照明。同時，站內的電子指示牌、通風機等也需要照明用電的支持。

2.2 調度用電

地鐵站的調度信號機采用了場內供電和連續供電兩種供電模式，采用ABB自動換向開關自動選擇調度用電。場內的有人值守調度指揮系統也需要使用調度用電。

2.3 安保用電

場內的消防泵、排煙風機、門禁系統等均需要安保用電的支持。安保用電使用的是布置在站內EPS之后的專用UPS實現電能質量支持。

2.4 信號用電

信號用電與調度用電類似，而信號用電采用的是12 V的電路。目前，越來越多的信號采用了光纜信號，逐漸與信號電工任務脫離。

3 接地變選型的問題

接地變的主要用途是給無中性線、負載不均衡的供電系統提供中性線。地鐵屬于沖擊電流較大的偏執電流，但是，其實際供電系統不存在中性線，而是采用了三相電中的兩相作為單向大功率供電的方式運行。所以，地鐵供電實際上是在單向接地空載電流和兩相異地接地空載電流兩種形式之間轉換。因此，接地變的容量應該與兩種接地發生時的中性線電流相對應。但是，在沖擊電壓波動的情況下，如果在接地變上直接取400 V的站內用電電源，就會嚴重影響站內用電的電能質量。

雖然接地變可以提供超低阻抗的中性接地，但是，當大電流偏執發生時，其浪涌電流足夠毀壞上文中提到的所有市電設備。鑒于此，在接地變后方設計了小容量大功率EPS系統，在信號系統、調度系統之前布置了專用的大容量小功率UPS系統。在此基礎上，應當配合變壓器的容量設計和斷路器的整定設計。

當接地變的容量過小時，可能會使偏執電流不能完整接地，甚至會燒毀接地變；當接地變過大時，會引發較多的無功功率，引起抗性升壓和比較嚴重的電能質量問題。

4 解決方案分析

4.1 加強容量的驗算和整定

因為車輛的過站和運行功率是可以通過車輛的額定功率和運行狀態驗算的，所以，當兩路車輛分別過站時，給770 V線路帶來的偏執電流是可以計算的。通過計算不同車輛在不同運行狀態（停車、起步）下的實際偏執電流，可以計算出中性線的接地功率。雖然地鐵站的接地功率比較大，在其他電路系統中并沒有相似的研究，可以參考的文獻也較少，但是，這個驗算過程比較簡單。通過強化驗算規則，而不是采用經驗法確定接地變的容量，就比較容易確定系統接地變的容量。但是，接地變的容量不僅僅是中性電流的容量，在接地變兼做站內變壓器的系統中，接地變應當包括站內系統用電的容量。而站內系統的消防系統、排煙系統、通風系統和照明系統等均是用電量比較大的系統。

4.2 系統化的解決方案

要想有效解決地鐵線路的大功率中性電流偏執問題，不僅要通過接地變壓器的容量支持，還要利用斷路器整定、動態無功補償、下級EPS支持等多種方案綜合實現其功能。

在斷路器整定過程中，應將單相接地和兩相異地接地視為合法，且充分計算車輛進出網絡的時間周期，從而設定斷路器的延

時時間。當車輛通過時引起的單相接地或者兩相異地接地的時間足夠長時，則認為出現了單相接地或者兩相異地接地故障。同時，應該充分避免斷路器出現三相接地或者三相短路故障。

動態無功補償可以緩解系統空載時為接地變壓器帶來的抗性升壓，同時，也能迅速調整車輛通過時對系統電壓和電流造成的沖擊，特別是能有效避免車輛通過時造成無功升壓的劇烈變化。

下級EPS可以在大容量電池的支持下，通過微電腦輔助整理電能質量，提升站內用電的電能質量。因為EPS對電能質量的整理能力比UPS系統略差，所以，對于信號電部分和調度電部分，系統另外增加了專用UPS整理電能質量。

4.3 采用柔性供電方案

在有條件的地鐵站，特別是大型換乘站等規模較大的車站，建議采用單相接地變的方式部署。利用這種方式可以有效地整理系統的電能質量，進而實現柔性供電。同時，部分新型地鐵線路采用直流供電，從直流換流站中直接將三相電流均衡換流為直流電，從而實現了完全均衡的直流供電。但是，地鐵直流供電在國內早期地鐵中的升級改造工作尚沒有完全鋪開，僅是在目前新建的地鐵系統中局部應用。但是，不得不說柔性供電和直流供電是未來地鐵供電的發展趨勢。

4.4 接地變的并列運行

智能供電的理念在“十二五”期間已經充分布局，在各企業內部電網中，因為市面上的智能化供電設備逐漸普及，智能化用電逐漸體系化，所以，開始充分開展智能化供電模式。而變壓器的并列運行也是智能供電模式的一種。對于站內用電體系來說，三四臺小容量接地變并列運行可以充分降低因為接地變故障引發的地鐵行車電或者照明電跳閘等事故。通過合理部署智能化系統和狀態監測系統，在站內變壓器和接地變壓器合并的狀態下，多臺熱備用和多臺同步在線的模式被廣泛應用于目前的交流車輛系統供電中。這也是影響接地變壓器選型的主要因素之一。

5 結束語

經過相關分析可知，接地變壓器的選型需要考慮的因素較多，主要包括接地容量的驗算、站內用電功率的計算、配合系統對接地變壓器的影響、柔性供電方案對接地變壓器的影響和接地變壓器的并列方案等。考慮了這些問題后，會讓接地變壓器的選型更加精確，從設計層面上減少接地變壓器出現故障的概率。

參考文獻

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[2]陳海輝.高土壤電阻率地區地鐵接地設計[J].都市快軌交通，2013，6（06）：16-18.

〔編輯：白潔〕