城市轨道交通长大区间660 V供电的可行性研究

龙 潭 严亚波

(中铁二院工程集团有限责任公司,610031,成都∥第一作者,高级工程师)



城市轨道交通长大区间660 V供电的可行性研究

龙 潭 严亚波

(中铁二院工程集团有限责任公司,610031,成都∥第一作者,高级工程师)

通过对城市轨道交通长大区间供电特点和方案的分析,论证了采用660 V供电的可行性和优越性。通过对实际案例的理论分析和设计,证明了660 V供电应用于长大区间，可提高线路的输送供电功率，减少线路电能损耗，改善供电质量，节约了电能和工程建设投资。

城市轨道交通; 地下长大区间; 660 V供电

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

当地下区间隧道超过1.8 ～2.0 km时,在区间隧道中部需设置隧道风机,其用电功率一般为90～200 kW。另外,地下区间出地面洞口处需设置大功率排水泵,用电功率为22～90 kW。根据国家标准GB 50052—2009《供配电系统设计规范》[1]5.0.4规定:“正常运行情况下,用电设备端子处电压偏差允许值宜符合下列要求:电动机为±5%额定电压。” 当地下长大区间隧道内设有大功率用电设备时,由于供电距离长,电压损失(电压偏差)成为影响供电方案的关键因素。

采用低压380 V供电时,通过加大供电电缆的截面积，可满足用电设备端子处电压损失的要求。但实际应用中增加电缆截面会大大增加电缆的投资成本,且区间隧道内敷设大截面电缆的工程实施难度也较大。

采用10 kV或35 kV供电时，在区间内隧道风井处设置跟随式降压变电所,可有效解决大功率电动机长距离供电问题,从根本上解决了长距离低压供电电压损失大、线路输送供电功率不足、大截面电缆安装敷设困难的问题。但该方法需在地下区间隧道内增设变电所,从而导致土建及设备投资巨大。

低压660 V供电解决了380 V供电功率不足的问题,也减少了设置跟随式降压变电所的数量,不仅节约了供电电缆投资、降低了电缆在区间隧道中的敷设难度,而且大大节省了土建及设备投资,具有显著优势。同时,还降低了长期运营期间供电线路损耗,节约了电能。

1 采用660 V供电的可行性

在我国大型工矿企业中,已广泛采用了低压660 V供配电系统,几十年的运行经验已证明低压660 V系统是安全可靠的。因此，其对城市轨道交通低压供配电设计具有重要的借鉴和参考价值。现对城市轨道交通长大区间采用660 V供电的可行性分析如下。

(1) 符合国际、国家用电标准：国家标准GB/T 156—2007《标准电压》[2]规定1 kV以下有标准电压220/380、380/660、1 000(1 140) V 3个等级。采用380/660 V电压等级完全符合国际、国家用电标准。

(2) 设备材料制造技术成熟可靠:660 V与380 V绝缘水平相当。国内660 V电气设备、电动机等制造技术非常成熟,现有的380 V低压配电设备、元器件、电缆等大多可直接应用或稍加改动即可应用。电动机改变绕组接线型式即可满足应用要求,无需单独研发新设备。

(3) 接地型式与380 V系统类似:380 V系统接地型式分为 TN、TT、IT 3类系统[3],目前城市轨道交通均采用 TN-S 系统。660 V系统接地型式与380 V系统类似,通常也是采用中性点接地系统 (TN、TT)。中性点接地可降低单相接地故障短路时非故障相对地电压,可有效降低对电气设备绝缘水平的要求。因此,660 V系统采用的线缆完全与 380 V系统绝缘水平相同。

(4) 用电安全：660 V系统所采用的电气设备和材料均是经过国际、国家电气试验认证后的标准产品,满足GB 16895.21—2011/ IEC 60364—4—41:2005《建筑物电气装置第4—41部分:安全防护 电击防护》[4]所规定的直接接触防护及间接接触防护的要求,用电安全有保障。

2 采用660 V供电的优势

2.1 提高线路供电能力

供电线路有功功率计算公式为:

(1)

式中:

P——线路有功功率,W;

U——额定电压,V;

I——负荷电流,A;

cosφ——功率因数。

供电线路的电压损失计算公式为[5]:

ΔU=U1-U2=I(Rcosφ+Xsinφ)

(2)

式中:

ΔU——供电线路电压损失,V;

U1——供电端电压,V;

U2——负荷端电压,V;

R——线路电阻,Ω;

X——线路电抗,Ω。

线路电压损失,采用额定电压百分数表示:

(3)

式中:

Δu——线路电压损失百分数。

当线路损失、功率因数和线路阻抗一定时,线路的供电功率为:

(4)

(5)

660V线路供电功率为:

(6)

式中:

P380——380 V线路供电功率,W;

P660——660 V线路供电功率,W。

根据式(5)和(6)两种电压等级线路供电功率比较可得:

P660=3P380

(7)

因此，在线路损失、功率因数和线路阻抗一定时,电压由380V升高到660V,线路供电功率提高到3倍,即当供电功率不变时,其供电距离增大到3倍。

2.2 降低线路损耗

供电线路上有功功率损耗计算公式为[5]:

(8)

式中:

ΔPL——线路有功功率损耗,W;

R——每相线路电阻,Ω。

380 V、660 V供电线路的有功功率损耗分别为:

(9)

(10)

式中：

ΔP380——380 V线路有功功率损耗,W;

ΔP660——660 V线路有功功率损耗,W。

根据式(9)和(10)两种电压等级线路有功功率损耗比较可得:

(11)

因此,当供电功率、供电线路一定时,660V供电线路功率损耗是380V供电的1/3。

3 设计实例分析

成都地铁3号线一期工程熊猫大道站—军区总医院站为全地下隧道区间,全长2 246 m。在区间中部距离熊猫大道站约800 m处设有区间隧道风机房,风机房内设有隧道风机2台,每台用电功率90 kW。另外,还包括小功率风机、电动风阀、排水泵等。图1为该区间风井、隧道风机布置图。

图1 熊猫大道站—军区总医院站区间风井、隧道风机布置图

3.1 低压供电方案

由于区间线路受既有高架桥墩的影响而无法设置跟随式降压变电所,因此只能在区间隧道风井处设置低压配电室,采用低压供电方案。即从熊猫大道站降压变电所两段一、二级负荷低压母线馈出两路低压电源至区间低压配电室,再从低压配电室配电至用电设备。表1是熊猫大道站—军区总医院站区间风井处用电负荷统计表。

表1 熊猫大道站—军区总医院站区间风井处用电负荷统计表

经负荷计算可知，该区间风井供电有功功率146.60 kW,无功功率114.6 kVar，视在功率186.08 kVA。当采用660 V时,需在车站变电所设两台380 V/660 V升压变压器,将电压升至660 V后再配电至区间低压配电室。图2是熊猫大道站降压变电所低压主接线示意图。

3.2 方案比较分析

表2为相同条件下,分别采用380 V和660 V电压等级电缆计算结果。从表2可见,当采用380 V供电时,即使2根3×240 mm2+2×120 mm2电缆并联,仍难以满足电动机端子处电压损失的要求。而采用660 V供电时,电缆截面显著减小,且完全满足电动机端子处电压损失的要求,投资仅为380 V供电方案的20%。

图2 熊猫大道站变电所低压主接线示意图

表2 两种电压等级所选电缆计算结果

4 结语

笔者认为,随着特大城市、大城市和城市群进入新的发展阶段,城市轨道交通逐步从市中心区向郊区卫星城延伸,郊区线路、市域线路大量出现,区间低压供电距离增大,尤其是受外部条件限制,无法设置跟随式降压变电所时,可将电压等级由380 V提高至660 V。

国家标准GB 50157—2013《地铁设计规范》第15.1.26条规定:“低压配电电压应采用220 V/380 V”[5]。笔者建议,GB 50157—2013《地铁设计规范》应将低压配电电压等级与GB/T 156—2007《标准电压》的规定保持一致,以便于工程设计根据实际情况采用相应的电压等级和供电方案。

[1] 中华人民共和国住房和城乡建设部.供配电系统设计规范：GB 50052—2009[S].北京:中国计划出版社,2009.

[2] 中国国家标准化管理委员会.标准电压:GB/T 156—2007[S].北京:中国标准出版社,2008.

[3] 中国国家标准化管理委员会.建筑物电气装置第4—41部分:安全防护 电击防护:GB 16895.21—2011[S].北京:中国标准出版社,2012.

[4] 中国航空工业规划设计研究院.工业与民用配电设计手册[M].3版.北京:水利电力出版社,2005.

[5] 中华人民共和国住房和城乡建设部.地铁设计规范：GB 50157―2013[S].北京:中国计划出版社,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)