AC 0.4 kV開關柜母聯備自投PLC電源整改淺析

白雪翎

1 概況

長春城軌1號線于2017年6月30日開通運營，是長春市第三條開通運營的軌道交通線路，也是首條開通運營的地鐵線路。該線路采用集中式供電方式，全線共設置8座牽引降壓混合變電所、9座降壓變電所，正線每座車站變電所均配置AC 0.4 kV低壓配電系統。變電所設置交直流自用電系統，后備時間2 h。

變電所AC 0.4 kV系統采用分段單母線接線，設母線分段斷路器，正常情況下，母線分段斷路器處于分閘狀態。各饋出斷路器采用抽屜式或插拔式安裝，依次插接在母線上。三級負荷饋出斷路器設置電動操作機構。

正常運行時，2臺AC 35/AC 0.4 kV配電變壓器分列運行，負責向供電范圍內的全部動力照明負荷供電。AC 0.4 kV母線分段斷路器處于分閘位置，每段母線分別由不同的配電變壓器供電。

當一路AC 0.4 kV進線電源失壓時，斷開AC 0.4 kV進線開關，根據負荷情況自動或手動切除三級負荷，在確認不是由于AC 0.4 kV側過電流故障原因造成電源失壓時，合閘母線分段斷路器，恢復向該變電所供電范圍內的全部動力照明一、二級負荷的供電。當進線電源恢復時，母線分段斷路器分閘，進線斷路器合閘，恢復正常供電方式。

2 AC 0.4 kV開關柜母聯備自投控制存在問題

在長春城軌1號線運營期間，當變電所AC 0.4 kV供電系統其中一段進線失電時，偶爾會出現母聯備自投投入時間大于30 s的現象（正常情況下僅需10 s左右），前10～20 s會出現控制中心電力調度系統與車站0.4 kV供電系統通信中斷，當0.4 kV母聯備自投投入后，控制中心電調通信恢復正常。

針對這一現象對現場狀況進行排查。經現場排查后發現，0.4 kV母聯備自投PLC及通信器件并未損壞，且上述情況僅偶爾出現。為了解決這一問題，從系統原理著手排查，經排查最終確認，問題出現在AC 0.4 kV備自投PLC電源。

0.4 kV母聯合閘邏輯如圖1所示。AC 0.4 kV系統的控制操作模式由母線分段開關柜上的選擇開關1SA和2SA選擇定義，共有3種控制操作模式，分別為手投手復、自投自復和自投手復。“手投”是指通過手動按鈕操作母線分段斷路器合閘；“自投”是指通過PLC程序自動操作母線分段斷路器合閘；“手復”是指通過手動按鈕操作母線分段斷路器分閘和1#進線斷路器或2#進線斷路器合閘；“自復”是指通過PLC程序自動操作母線分段斷路器分閘和進線斷路器合閘。3種模式對應的條件是在一路進線電源失壓跳閘后。

圖1 0.4 kV母聯合閘邏輯

長春城軌1號線AC 0.4 kV備自投PLC采用交流220 V電源模塊，由變電所自用電系統交流屏供電，交流屏從變電所低壓柜兩段AC 0.4 kV母線各引入一路電源，作為交流所用電系統的進線電源，如圖2所示。

圖2 交流屏雙電源進線接線示意圖

交流所用電系統采用單母線接線形式，進線處設雙電源自動切換裝置。正常運行時，主供電源通過母線向負載供電，當主供電源失壓時，通過切換裝置自動切換至備用電源，在切換過程中，PLC有短暫失電再重啟過程，重啟過程約耗時25～30 s，PLC重啟完畢后，再控制AC 0.4 kV母聯斷路器備自投合閘。即AC 0.4 kV開關柜一段失電后，控制中心電調系統與0.4 kV供電系統通信中斷，并且本段單電源供電饋線短暫失電，備自投合閘需耗時 25～30 s。

3 AC 0.4 kV開關柜母聯備自投控制PLC電源改造方案

為了解決0.4 kV母聯備自投PLC短暫失電問題，本文討論以下兩種整改方案并進行對比分析。

3.1 方案一

方案一為直接向0.4 kV母聯PLC提供UPS不間斷電源。為縮短AC 0.4 kV開關柜備自投合閘時間，考慮母聯備自投控制PLC可由不間斷電源供電，為0.4 kV母聯PLC單獨增加一套UPS電源，提供交流220 V電源后備時間2 h，電源接線如圖3所示。

圖3 UPS電源接線示意圖

UPS不間斷電源為交-直-交供電模式，包含交流電源進線、穩壓裝置、整流裝置、蓄電池、逆變器等。為0.4 kV母聯PLC提供UPS不間斷電源后，在交流屏雙電源切換裝置切換過程中，PLC不會出現失電狀態，可解決上述問題。

3.2 方案二

方案二為利用既有直流屏增加逆變器（逆變交流220 V）向0.4 kV母聯PLC提供不間斷電源。

變電所直流自用電系統在應急狀態下，蓄電池容量可保證所內經常性用電負荷應急供電時間不小于2 h。因此考慮由直流屏經逆變為交流220 V工頻電壓為其供電。

3.3 方案對比

上述兩種方案均可解決0.4 kV母聯PLC短暫失電的問題，經分析比較，方案一采用單獨提供UPS不間斷電源，造價較高，全線造價約為70萬元；同時占地面積大，敷設電纜多。方案二采用利用既有直流屏增加逆變器方法，逆變交流220 V為0.4 kV母聯PLC提供不間斷電源，僅需考慮增加逆變器及蓄電池屏至直流屏電纜，更換饋線開關，可節省UPS控制主機、蓄電池、0.4 kV開關柜至UPS進線電源電纜及UPS饋線開關等設備費用，僅新增逆變器的費用，初步測算全線19座車站投資約為40萬元；并且占地小，可直接安裝于既有直流屏剩余空間內，施工工作量較少。經綜合考慮，本工程優先考慮采用利用既有直流屏增加逆變器逆變交流220 V為0.4 kV母聯PLC提供不間斷電源的方案。直流屏饋線改造回路如圖4所示。

圖4 直流屏饋線改造回路

4 逆變器的選擇

DC/AC逆變技術能夠實現直流電到交流電的轉換，逆變技術在交流電機傳動、不間斷電源、變頻電源、有源濾波器等領域均得到了廣泛應用。DC/AC逆變技術的基本原理是利用半導體功率開關器件的開通和關斷作用，將直流電變換成交流電，是一種電能變換裝置。由于該裝置通過半導體功率開關器件的開通和關斷實現電能轉換，因此轉換效率較高。

本次電源改造選擇技術成熟的逆變器。逆變器主要技術參數見表1。

表1 主要技術參數

選定逆變器后，根據長春城軌1號線既有情況，逆變器可安裝于控制室內直流屏內。

5 結語

控制電源是保障供電系統穩定運行的基礎，合理選擇控制電源可以縮短停電時間，保證電力供應的連續性。在城市軌道交通AC 0.4 kV系統中，母聯備自投控制電源選擇直流電源控制時，不受進線電源失壓的影響，控制電源穩定，沒有失電重啟過程。即使直流進線失電，蓄電池組仍能提供2 h的控制電源供電時間，為排除故障、恢復正常供電節約時間。該技術改造費用較低，不會對供電系統造成不良影響，安全可靠、簡單實用。