可用于DC 750 V及DC 1 500 V系统的牵引变电所设计

盛蓉蓉

（中铁第四勘察设计院集团有限公司，430063，武汉∥高级工程师）

可用于DC 750 V及DC 1 500 V系统的牵引变电所设计

盛蓉蓉

（中铁第四勘察设计院集团有限公司，430063，武汉∥高级工程师）

南车株洲电力机车有限公司厂区内试验线路上既有DC 750 V牵引变电所无法满足地铁车辆型式试验的电压要求。结合该试验线的特点，提出在试验线路新建1座牵引变电所，与既有牵引变电所构成双边供电，以满足地铁车辆型式试验的电压要求。同时，给出了可输出DC 750 V、DC 1 500 V两种不同电压等级的新建牵引变电所设计方案及设备选型。

试验线；地铁车辆；型式试验；牵引变电所设计

Author's address China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.，Ltd.，430063，Wuhan，China

1　工程背景

南车株洲电力机车有限公司厂区内试验线线路总长3.76 km，设DC 750 V牵引变电所1座。该牵引变电所距离试验线起点约1.43 km（即位于试验线路K1+430里程处）。试验线的既有供电方案示意图如图1所示。

图1　既有供电方案示意图

为满足不同地铁车型的试验要求，在试验线路上同时敷设了接触网及接触轨。其中，接触网为全线架设，接触轨仅在试验线路的K2+430至线路终点范围内敷设。接触轨敷设起点距牵引变电所约1 km。接触轨需要通过电缆从接触网上取流。

根据业主方的要求，为满足DC 750 V地铁车辆的型式试验要求，在接触轨供电起始点约400 m（K2+430～K2+830）的范围内，接触轨供电电压不应低于740V。经现场实测，该区域接触轨的电压仅为710 V，既有牵引变电所无法满足在该区域接触轨供电电压不低于740 V的要求。

2　供电方案比选

业主方的相关技术要求如下：

（1）为适应企业的长期发展战略，牵引变电所需同时输出DC 750 V及DC 1 500 V两种电压等级的供电电压，以满足国内DC 750 V及DC 1 500 V两种地铁车辆的试验要求。

（2）需要满足DC 750 V接触轨供电制式车辆型式试验的电压要求。即在规定范围内电压不低于740 V的要求。

鉴于此，笔者提出了以下两种解决方案。

2.1方案一：改迁既有变电所

现有试验线路的接触轨并非从既有变电所直接取电，而是从经过约1 km的架空接触网上取电，由于架空接触网部分的电压降落较大，造成接触轨无法满足在规定范围内电压不低于DC 740 V的相关要求。为满足型式试验的电压要求，考虑将既有的牵引变电所移至接触轨敷设区域内，由牵引变电所直流馈线至接触轨供电，以减少供电线路的电压损失，改善接触轨供电范围内的电压水平。同时，对既有变电所进行改造，更换整流机组、直流开关柜等设备，使其能同时输出DC 750 V及DC 1 500 V两种电压。

2.2方案二：新建1座牵引变电所

在不改变既有牵引变电所供电方案的前提下，在接触轨敷设区域的合适位置新建1座牵引变电所，与既有牵引变电所构成局部双边供电，满足DC 750 V接触轨供电制式地铁车辆型式试验的电压要求。新建牵引变电所设2套整流机组，通过改变2套整流机组之间的串、并联关系，可提供DC 750 V和DC 1 500 V两种电压等级的电源。

2.3方案推荐

两个方案的技术经济比较如表1所示。

表1　两种方案技术经济比较

根据以上分析，方案一虽然能够节约投资约150万元，但存在以下缺点：

（1）在既有变电所搬迁时，试验线路必须停电，无法进行任何试车作业，影响工厂的正常生产作业。

（2）整条试验线路仅有1座牵引变电所，在该变电所检修或更换设备时将中断试车，影响工厂的正常生产作业。

（3）既有变电所于2004年开始运行，至今已有近10年，在搬迁的过程中部分设备可能会被损坏无法再次利用，无形中增加了投资。

（4）为满足DC 750 V、DC 1 500 V两种输出电压的要求，需对变电所的部分设备（主要是整流机组、直流设备）进行更换，设备利用率不高。

（5）搬迁后，变电所的外部电源需要重新引入，也需增加部分投资。

（6）根据仿真结果，仅搬迁变电所，供电质量仍无法得到有效保证。

因此，综合考虑供电系统的供电质量和企业的长远发展，推荐方案二作为本次设计的供电方案（如图2所示）。

图2　推荐供电方案示意图

3　DC 750 V/DC 1 500 V牵引变电所设计

3.1DC 750 V/DC 1 500 V输出方案

目前地铁工程已经运行的整流机组主要有DC 750 V和DC 1 500 V，DC 750 V和DC 1 500 V整流机组的输出方案主要有整流机组分立和整流机组串并联2种方式。

3.1.1方案一：整流机组分立方式

由2套输出电压相差15°的12脉波整流机组并联运行构成：一个三相全波整流桥接向整流变压器的二次侧星形绕组，另一个三相全波整流桥接向整流变压器二次侧的三角形绕组，每台整流变压器二次侧星形绕组和三角形绕组相对应的线电压相位错开15°，得到2个三相全波整流桥并联组成的24脉波整流电路。

该方案在地铁系统得到了广泛应用，但存在只能输出一种电压制式的缺陷。若需输出两种电压制式，需设置相应数量的2套整流机组，即设备数量及投资增加1倍。

3.1.2方案二：整流机组串并联方式

设置2套DC 750 V整流机组，整流机组的耐压及绝缘水平均按照DC 1 500 V系统设计。2套整流机组分立运行时并联输出DC 750 V电压，2套整流机组串联时输出DC 1 500 V电压。

2套整流机组串联输出DC 1 500 V电压时，相当于2套整流机组内阻抗串联，会造成整流机组内部的压降过大，因此需采取低阻抗特种整流变压器。

3.1.3方案选择

如果要能同时输出DC 750 V、DC 1 500 V两种电压，方案一需要增加1套DC 1 500 V的整流机组，增加了变电所用房面积及设备投资，需要增加投资约75万元；而方案二仅需在2套整流机组之间增加1台隔离开关，仅增加投资约5万元。

由此可以看出，方案二相比方案一可节约投资约70万元，同时可减少变电所用房面积及后期的运营维护工作；且整流机组的制造水平在国内已经很成熟，实施性强。因此，推荐采用方案二。

3.2牵引变电所主接线

新建牵引变电所AC 10 k V母线采用单母线接线方式，采用AC 10 k V空气开关柜，分别馈出2回AC 10 kV馈线至2套DC 750 V 12脉波整流机组。DC 750 V、DC 1 500 V两种电压制式的转换通过2套整流机组之间的隔离开关实现。直流侧采用单母线接线方式，设置2回直流馈线，分别接至试验线路的接触轨及接触网。新建牵引变电所主接线图如图3所示。

图3　新建牵引变电所主接线图

当2套整流机组之间的隔离开关G 2031在分位，隔离开关G 2011、G 2022在合位时，2套整流机组并联，输出等效24脉波DC 750 V电压；当2套整流机组之间的隔离开关G 2031在合位，隔离开关G 2011、G 2022在分位时，2套整流机组串联，输出12脉波DC 1 500 V电压。

3.3牵引变电所设备选型

3.3.1整流机组设备选型

整流变压器及整流器需同时满足DC 750 V、DC 1 500 V两种电压制式的要求，从设备制造角度，应采用DC 1 500 V系统的设备绝缘要求，同时满足DC 750 V系统的大电流要求。与国内主流的整流机组供货商交流后，确定在DC 750 V电压等级的整流变压器及整流器基础上进行改造，整流机组的耐压及绝缘水平按照DC 1 500 V系统设计。

针对2套整流机组串、并联输出电压不平衡情况，在整流机组出口侧均设置平衡电抗器，强制使2套整流器输出容量一致。同时，采取低阻抗特种整流变压器，确保2套整流机组串联时，整流机组内部产生的电压降满足系统设计要求。

3.3.2直流开关柜设备选型

直流开关设备同样需满足DC 750 V、DC 1 500 V两种电压制式的要求，但DC 1 500 V开关设备的开断能力与DC 750 V开关设备的开断能力有很大差异。经过计算，采用常规的DC 1 500 V断路器难以满足DC 750 V断路器开断电流的要求（DC 750 V系统的开断电流比DC 1 500 V系统的开断电流大得多）。与直流开关柜供货商研究后决定：直流开关柜内部绝缘水平按照DC 1 500 V系统设计，开断能力按照DC 750 V系统设计。

3.3.3钢轨电位限制装置设备选型

DC 750 V和DC 1 500 V系统的短路电流不同，元器件的选择应保证在短路情况（DC 750 V、DC 1 500 V系统）下经过钢轨电位限制装置的短路电流能满足要求。因此，设备的耐压及绝缘水平按照DC 1 500 V系统配置，设备的动热稳定性能、载流能力按照DC 750 V系统配置。

该牵引变电所直流部分设备均为特种设备，在设备采购时均明确提出了特殊使用要求。目前，该牵引变电所设备已安装完成且投入使用，运行情况良好。

4　结 语

结合南车株洲电力机车有限公司试验线路的特点，提出了一种可输出DC 750 V、DC 1 500 V两种不同电压等级的牵引变电所设计方案。该牵引变电所的设计方案及设备选型方案在国内没有成熟案例，部分设备需要特殊制造。该牵引变电所的成功投运，可为以后地铁试验线路牵引变电所的设计提供参考及技术基础。

［1］ 刘长志.长春客车厂直流试验线牵引供电系统［J］.现代城市轨道交通，2012（4）：4.

［2］ 李建民.城市轨道交通供电［M］.成都：西南交通大学出版社，2007.

［3］ GB 50157—2003地铁设计规范［S］.

［4］ GB/T 50062—2008电力装置的继电保护和自动装置设计规范［S］.

［5］ 王国英，周劲凤，刘学明，等.交、直流混合牵引供电系统现场应用研究［J］.铁道标准化设计，2009（6）：122.

Traction Substation Design Applicable to DC 750 V and DC 1 500V System

Sheng Rongrong

In CSR Zhuzhou Electric Locomotive Co.，Ltd，the existing DC 750 V traction on the factory test line could not satisfy the requirement for the testing voltage of new metro train.According to the line characters，it is proposed that a new traction substation be built on the test line to constitute bilateral power supply substation with the existing DC 750 V traction，so as to meet the requirements of test voltage on newtype metro vehicle.At the same time，the design of new traction substation with two different voltage grades of power supply：the output DC 750 V and DC 1 500 V，and the related equipment selection are discussed.

test line；metro train；type testing；traction substation design

U 224

10.16037/j.1007-869x.2015.07.010

2013-09-26）