城市軌道交通長大區(qū)間660 V供電的可行性研究

龍 潭 嚴(yán)亞波

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司,610031,成都∥第一作者,高級工程師)

?

城市軌道交通長大區(qū)間660 V供電的可行性研究

龍 潭 嚴(yán)亞波

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司,610031,成都∥第一作者,高級工程師)

通過對城市軌道交通長大區(qū)間供電特點和方案的分析,論證了采用660 V供電的可行性和優(yōu)越性。通過對實際案例的理論分析和設(shè)計,證明了660 V供電應(yīng)用于長大區(qū)間，可提高線路的輸送供電功率，減少線路電能損耗，改善供電質(zhì)量，節(jié)約了電能和工程建設(shè)投資。

城市軌道交通; 地下長大區(qū)間; 660 V供電

Author′s address China Railway Eryuan Engineering Group Co.,Ltd.,610031,Chengdu,China

當(dāng)?shù)叵聟^(qū)間隧道超過1.8 ～2.0 km時,在區(qū)間隧道中部需設(shè)置隧道風(fēng)機,其用電功率一般為90～200 kW。另外,地下區(qū)間出地面洞口處需設(shè)置大功率排水泵,用電功率為22～90 kW。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB 50052—2009《供配電系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》[1]5.0.4規(guī)定:“正常運行情況下,用電設(shè)備端子處電壓偏差允許值宜符合下列要求:電動機為±5%額定電壓。” 當(dāng)?shù)叵麻L大區(qū)間隧道內(nèi)設(shè)有大功率用電設(shè)備時,由于供電距離長,電壓損失(電壓偏差)成為影響供電方案的關(guān)鍵因素。

采用低壓380 V供電時,通過加大供電電纜的截面積，可滿足用電設(shè)備端子處電壓損失的要求。但實際應(yīng)用中增加電纜截面會大大增加電纜的投資成本,且區(qū)間隧道內(nèi)敷設(shè)大截面電纜的工程實施難度也較大。

采用10 kV或35 kV供電時，在區(qū)間內(nèi)隧道風(fēng)井處設(shè)置跟隨式降壓變電所,可有效解決大功率電動機長距離供電問題,從根本上解決了長距離低壓供電電壓損失大、線路輸送供電功率不足、大截面電纜安裝敷設(shè)困難的問題。但該方法需在地下區(qū)間隧道內(nèi)增設(shè)變電所,從而導(dǎo)致土建及設(shè)備投資巨大。

低壓660 V供電解決了380 V供電功率不足的問題,也減少了設(shè)置跟隨式降壓變電所的數(shù)量,不僅節(jié)約了供電電纜投資、降低了電纜在區(qū)間隧道中的敷設(shè)難度,而且大大節(jié)省了土建及設(shè)備投資,具有顯著優(yōu)勢。同時,還降低了長期運營期間供電線路損耗,節(jié)約了電能。

1 采用660 V供電的可行性

在我國大型工礦企業(yè)中,已廣泛采用了低壓660 V供配電系統(tǒng),幾十年的運行經(jīng)驗已證明低壓660 V系統(tǒng)是安全可靠的。因此，其對城市軌道交通低壓供配電設(shè)計具有重要的借鑒和參考價值。現(xiàn)對城市軌道交通長大區(qū)間采用660 V供電的可行性分析如下。

(1) 符合國際、國家用電標(biāo)準(zhǔn)：國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 156—2007《標(biāo)準(zhǔn)電壓》[2]規(guī)定1 kV以下有標(biāo)準(zhǔn)電壓220/380、380/660、1 000(1 140) V 3個等級。采用380/660 V電壓等級完全符合國際、國家用電標(biāo)準(zhǔn)。

(2) 設(shè)備材料制造技術(shù)成熟可靠:660 V與380 V絕緣水平相當(dāng)。國內(nèi)660 V電氣設(shè)備、電動機等制造技術(shù)非常成熟,現(xiàn)有的380 V低壓配電設(shè)備、元器件、電纜等大多可直接應(yīng)用或稍加改動即可應(yīng)用。電動機改變繞組接線型式即可滿足應(yīng)用要求,無需單獨研發(fā)新設(shè)備。

(3) 接地型式與380 V系統(tǒng)類似:380 V系統(tǒng)接地型式分為 TN、TT、IT 3類系統(tǒng)[3],目前城市軌道交通均采用 TN-S 系統(tǒng)。660 V系統(tǒng)接地型式與380 V系統(tǒng)類似,通常也是采用中性點接地系統(tǒng) (TN、TT)。中性點接地可降低單相接地故障短路時非故障相對地電壓,可有效降低對電氣設(shè)備絕緣水平的要求。因此,660 V系統(tǒng)采用的線纜完全與 380 V系統(tǒng)絕緣水平相同。

(4) 用電安全：660 V系統(tǒng)所采用的電氣設(shè)備和材料均是經(jīng)過國際、國家電氣試驗認(rèn)證后的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品,滿足GB 16895.21—2011/ IEC 60364—4—41:2005《建筑物電氣裝置第4—41部分:安全防護(hù) 電擊防護(hù)》[4]所規(guī)定的直接接觸防護(hù)及間接接觸防護(hù)的要求,用電安全有保障。

2 采用660 V供電的優(yōu)勢

2.1 提高線路供電能力

供電線路有功功率計算公式為:

(1)

式中:

P——線路有功功率,W;

U——額定電壓,V;

I——負(fù)荷電流,A;

cosφ——功率因數(shù)。

供電線路的電壓損失計算公式為[5]:

ΔU=U1-U2=I(Rcosφ+Xsinφ)

(2)

式中:

ΔU——供電線路電壓損失,V;

U1——供電端電壓,V;

U2——負(fù)荷端電壓,V;

R——線路電阻,Ω;

X——線路電抗,Ω。

線路電壓損失,采用額定電壓百分?jǐn)?shù)表示:

(3)

式中:

Δu——線路電壓損失百分?jǐn)?shù)。

當(dāng)線路損失、功率因數(shù)和線路阻抗一定時,線路的供電功率為:

(4)

(5)

660V線路供電功率為:

(6)

式中:

P380——380 V線路供電功率,W;

P660——660 V線路供電功率,W。

根據(jù)式(5)和(6)兩種電壓等級線路供電功率比較可得:

P660=3P380

(7)

因此，在線路損失、功率因數(shù)和線路阻抗一定時,電壓由380V升高到660V,線路供電功率提高到3倍,即當(dāng)供電功率不變時,其供電距離增大到3倍。

2.2 降低線路損耗

供電線路上有功功率損耗計算公式為[5]:

(8)

式中:

ΔPL——線路有功功率損耗,W;

R——每相線路電阻,Ω。

380 V、660 V供電線路的有功功率損耗分別為:

(9)

(10)

式中：

ΔP380——380 V線路有功功率損耗,W;

ΔP660——660 V線路有功功率損耗,W。

根據(jù)式(9)和(10)兩種電壓等級線路有功功率損耗比較可得:

(11)

因此,當(dāng)供電功率、供電線路一定時,660V供電線路功率損耗是380V供電的1/3。

3 設(shè)計實例分析

成都地鐵3號線一期工程熊貓大道站—軍區(qū)總醫(yī)院站為全地下隧道區(qū)間,全長2 246 m。在區(qū)間中部距離熊貓大道站約800 m處設(shè)有區(qū)間隧道風(fēng)機房,風(fēng)機房內(nèi)設(shè)有隧道風(fēng)機2臺,每臺用電功率90 kW。另外,還包括小功率風(fēng)機、電動風(fēng)閥、排水泵等。圖1為該區(qū)間風(fēng)井、隧道風(fēng)機布置圖。

圖1 熊貓大道站—軍區(qū)總醫(yī)院站區(qū)間風(fēng)井、隧道風(fēng)機布置圖

3.1 低壓供電方案

由于區(qū)間線路受既有高架橋墩的影響而無法設(shè)置跟隨式降壓變電所,因此只能在區(qū)間隧道風(fēng)井處設(shè)置低壓配電室,采用低壓供電方案。即從熊貓大道站降壓變電所兩段一、二級負(fù)荷低壓母線饋出兩路低壓電源至區(qū)間低壓配電室,再從低壓配電室配電至用電設(shè)備。表1是熊貓大道站—軍區(qū)總醫(yī)院站區(qū)間風(fēng)井處用電負(fù)荷統(tǒng)計表。

表1 熊貓大道站—軍區(qū)總醫(yī)院站區(qū)間風(fēng)井處用電負(fù)荷統(tǒng)計表

經(jīng)負(fù)荷計算可知，該區(qū)間風(fēng)井供電有功功率146.60 kW,無功功率114.6 kVar，視在功率186.08 kVA。當(dāng)采用660 V時,需在車站變電所設(shè)兩臺380 V/660 V升壓變壓器,將電壓升至660 V后再配電至區(qū)間低壓配電室。圖2是熊貓大道站降壓變電所低壓主接線示意圖。

3.2 方案比較分析

表2為相同條件下,分別采用380 V和660 V電壓等級電纜計算結(jié)果。從表2可見,當(dāng)采用380 V供電時,即使2根3×240 mm2+2×120 mm2電纜并聯(lián),仍難以滿足電動機端子處電壓損失的要求。而采用660 V供電時,電纜截面顯著減小,且完全滿足電動機端子處電壓損失的要求,投資僅為380 V供電方案的20%。

圖2 熊貓大道站變電所低壓主接線示意圖

表2 兩種電壓等級所選電纜計算結(jié)果

4 結(jié)語

筆者認(rèn)為,隨著特大城市、大城市和城市群進(jìn)入新的發(fā)展階段,城市軌道交通逐步從市中心區(qū)向郊區(qū)衛(wèi)星城延伸,郊區(qū)線路、市域線路大量出現(xiàn),區(qū)間低壓供電距離增大,尤其是受外部條件限制,無法設(shè)置跟隨式降壓變電所時,可將電壓等級由380 V提高至660 V。

國家標(biāo)準(zhǔn)GB 50157—2013《地鐵設(shè)計規(guī)范》第15.1.26條規(guī)定:“低壓配電電壓應(yīng)采用220 V/380 V”[5]。筆者建議,GB 50157—2013《地鐵設(shè)計規(guī)范》應(yīng)將低壓配電電壓等級與GB/T 156—2007《標(biāo)準(zhǔn)電壓》的規(guī)定保持一致,以便于工程設(shè)計根據(jù)實際情況采用相應(yīng)的電壓等級和供電方案。

[1] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.供配電系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范：GB 50052—2009[S].北京:中國計劃出版社,2009.

[2] 中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.標(biāo)準(zhǔn)電壓:GB/T 156—2007[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2008.

[3] 中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.建筑物電氣裝置第4—41部分:安全防護(hù) 電擊防護(hù):GB 16895.21—2011[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2012.

[4] 中國航空工業(yè)規(guī)劃設(shè)計研究院.工業(yè)與民用配電設(shè)計手冊[M].3版.北京:水利電力出版社,2005.

[5] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.地鐵設(shè)計規(guī)范：GB 50157―2013[S].北京:中國計劃出版社,2013.

Feasibility Study of 660 V Power Supply System for Urban Rail Transit Long Interval Section

LONG Tan, YAN Yabo

The feasibility and superiority of 660 V power supply system is demonstrated by analyzing the characteristics and schemes of urban rail transit power supply in underground long interval section.Theoretical analysis and calculation of a real case proves that 660 V power supply in urban rail transit long interval section has great significance in improving of the transmission power supply, reducing electric power loss,improving the quality of power supply,saving power energy and construction cost as well.

urban rail transit; underground long interval section; 660 V power supply

U 231.8

10.16037/j.1007-869x.2017.05.012

2015-08-04)