直流有轨电车箱式变电站小型化方案探讨

邓振民，刘波峰

0 引言

随着我国城市化进程的不断推进，城市人口规模迅速增长，给环境及交通带来严峻考验。现代新型城市轨道交通在城市发展中迎来新的机遇，发展公共交通、坚持可持续发展的绿色交通是解决这些问题的有效措施。有轨电车为100%低地板轻轨车，具有节约成本、节约能源和方便乘客等优点，是一种“绿色”的交通工具，在新兴城市、大城市支线以及中小城市均具有广阔应用前景。

1 直流有轨电车箱式变电站系统简介

有轨电车牵引降压供电系统主要采用35、20、10 kV 等级电压，我国中压网络以10 kV 为主，基于电压等级越高，输电容量越大以及送电距离远、损耗大考虑，应优先选用10 kV 交流电源。

箱式变电站作为有轨电车供电系统的核心部分，其主要由中压开关柜、整流变压器、整流器柜、大功率充电装置、输出上网隔离柜、动力变压器、低压配电柜、交直流电源柜、综合控制系统等组成。引入的10 kV 城市交流电源通过变压器牵引降压后再经整流斩波向接触网输送1 500 V 直流电，为列车运行提供动力电源。图1 为小型化箱式变电站供电系统主接线图。

图1 小型化箱式变电站供电系统主接线

2 直流有轨电车箱式变电站小型化方案

2.1 变压器的创新设计

为了减小变压器的体积，进而缩小箱变中变压器的占用空间，从整流变压器与动力变压器合二为一、变压器新材料的应用、电力电子变压器设计等方面进行变压器创新设计研究。

2.1.1 整流变压器与动力变压器合二为一

在传统地铁牵引变电所中，由于动力变用电需求较大，且布置场地充裕，整流变压器和配电变压器通常单独设置。针对储能式有轨电车系统对箱变结构紧凑化要求较高，而配电用电需求较少的特点，将动力变压器与12 脉波整流变压器合二为一，采用多绕组共铁心，一次绕组接牵引整流变压器，二次侧输出两个绕组，一个作为整流交流输入，另一个作为配电输入，组合设计，次边引多绕组，多绕组共铁心及一次绕组，变压器结构尺寸变动较小，可节省设备的占地面积。整流变压器采用12脉波整流的6 绕组3 层线圈结构，动力绕组置于最内侧，高压绕组居中，整流绕组置于最外侧。对变压器整合后，10 kV 开关柜数量相应减少，由原先的4 面减少为3 面，大大降低制造成本和使用成本。图2 所示为整合变压器绕组原理。

图2 整合变压器绕组原理

2.1.2 变压器中新材料的应用

随着变压器技术经济指标要求越来越高，新型材料的应用已经成为输配电系统降低损耗、减小体积、节能环保的一个重要措施，包含非晶合金材料、NOMEX 绝缘材料和新型变压器油等的广泛使用。非晶合金铁心具有高饱和磁感应强度和低损耗的特点，制作的变压器空载损耗大大降低；变压器油是油浸变压器的绝缘介质，具有代表性的新型变压器油有植物油，其特点是燃点高、防火性能好，相比于采用普通变压器油，采用新型变压器油的变压器冲击耐压水平高，绝缘强度高，绝缘设计无需增加外绝缘厚度，环保节能，使用寿命长。

对于干式变压器体积影响比较明显的是绝缘材料，NOMEX 绝缘材料具有耐高温、防潮性能好、耐短时电场强度高的特点，在各类干式变压器中广泛应用，多用于线圈的层间及端绝缘、导线绕扎、层隔绝缘、分段与箱体绝缘、绕圈端部填料、隔板与隔棒等。相同损耗要求下，采用NOMEX 绝缘纸材料可以减小铜线线径，进而减小线圈体积；相比于普通电缆纸，耐短时电场强度更高，可以大大完善变压器设计，减少电损耗，提高备用能力，增强安全性与可靠性，并减少导体和铁心用钢量，从而缩小变压器尺寸，降低成本。变压器体积减小的同时性能更稳定，适应环境能力更强，促进有轨电车箱变小型化的研究。

2.1.3 电力电子变压器设计

随着技术的不断发展与成熟，电力电子元器件性能的提高和成本逐渐降低，电力电子变压器（Power Electronic Transformer，PET）将在多个领域内得到广泛应用，其是一种将电力电子器件及相关控制技术和高频变压器相结合，实现将不同电力特征电能进行转换的新型智能变压器，其突出优点在于体积小、重量轻。电力电子变压器通过变压器原、副边电压源变换器对其交流侧电压幅值和相位的实时控制，可实现变压器原、副边电压、电流和功率的灵活调节。电力电子变压器的拓扑结构逐渐由简单到复杂、由单级到多级发展，功能不断增强，容量也随之提高。根据电能变换中是否含直流环节，电力电子变压器可分为两大类：交-交型PET和交-直-交型PET，如图3 和图4 所示。

图3 交-交型PET

图4 交-直-交型PET

变压器体积主要由铁心和绕组导线面积决定。变压器容量S（V·A）可以表示为

式中：K为铜导线饱和因数；f为励磁频率，Hz；A1、A2分别为铁心和绕组导线面积，m2；J为导体的电流密度，A/m2；B为最大磁通密度，T。

通常，一旦确定了铁心和绕组的材料，也就确定了K、J 和B 的数值，由式（1）可得

若变压器容量不变，则变压器体积与频率成反比，提高频率即可减小变压器体积。电力电子变压器代替传统变压器在城市轨道交通直流有轨电车箱式变电站内的应用，将大大减小使用面积，进而减小箱变的整体体积。

2.2 5G 技术应用下的有轨电车箱变各设备整合

5G 技术是在原有4G 基础上进行优化改进的新型移动通信技术，5G 系统内部具有容量带宽大、传输速率高、功耗延时低等特点，可实现大规模设备互联互通。图5 所示为5G 智能分布配电自动化网络。

图5 5 G 智能分布配电自动化网络

以5G 网络为基础可以支持实现智能分布式配电自动化，通过智能配电终端高速通信网络，与同一供电环路内相邻智能分布式配电终端实现信息互交。根据预设条件自动实现故障定位、故障隔离、非故障区域恢复，可实现故障快速隔离和自愈，提高了供电可靠性。而通信网将不再局限于有线方式，可采用无线方式，通过定位传输实现互联互通。

2.2.1 整流器、直流开关柜、充电装置、隔离上网柜整合

整流器、直流开关柜、充电装置、隔离上网柜这四部分可统一归属于直流系统，突破传统独立设柜模式，采用一次设备按顺序分开设置，二次设备集中设置，这种模块化设计支持多支路投切及扩展，灵活性强。图6 所示为直流系统结构。

图6 直流系统结构

当车站内上下行同时停靠有轨电车时，考虑两套充电装置分别对有轨电车满载充电时的特殊情况，整流变压器采用1 250 kV·A 容量设计，能够满足过载300%，充电1 min 要求。若机车不同时充电，整流可按1 000 kV·A 设计，斩波桥臂相应可以减少1 组。图7 所示为直流系统原理，图中包括1 面整流器柜、1 面正负极柜、2 面斩波柜、1面出线柜，本研究方案按机车同时充电考虑。

图7 直流系统原理

2.2.2 低压配电柜、交流屏、综合自动化系统整合

交流屏属于一种低压配电柜，主要进行电力分配，低压配电柜是箱式变电站内照明、通风散热、监控系统等交流负载的配电设备，采用交流屏配电是为了集中有效地控制和监视低压交流电源对用电设备的供电；而分散的供电系统通常采用交流配电柜。箱式变电站多集中供电，完全可以取消低压配电柜，所有负载用电均由交流屏引出。

传统箱式变电站交流配电系统配有专门的开关状态、电压电流信号监测装置，再通过综合自动化系统上传至调度中心。综合自动化系统是将箱式变电站的二次设备（包括仪表，信号系统，继电保护，自动装置和远动装置）经过功能组合和优化设计后，利用先进的计算机技术、电子技术和通信及信号处理技术，实现对全变电站的主要设备和输配电线路的自动监视、测量、自动控制和微机保护以及与调度的通信等综合性自动化功能。

从上述分析可知，低压配电柜和交流屏可以在馈线开关回路上进行合理优化配置；而综合自动化系统在功能上完全可以直接采集低压开关状态和电压电流信号，无需独立设置采集模块，避免冗余，避免不同盘柜间接口不匹配；整合后的柜体外形尺寸将大大减小。

2.2.3 直流屏与UPS 主机功能整合

直流屏主要为开关柜、综合保护装置等提供操作电源或控制电源，将交流电整流为直流电，为外界负载供电。正常情况下，由充电单元对蓄电池进行充电的同时向负载提供直流电源；当控制负荷或动力负荷需要较大冲击电流时，由充电单元和蓄电池共同提供直流电源；当交流电源中断时，由蓄电池单独提供直流电源。直流屏工作原理如图8 所示。

图8 直流屏工作原理

UPS 主要为机房、计算机等提供后备电源，推荐采用3N 双总线运行方式，提高设备利用率，节省设备配置数量；先将交流电整流为直流电，再经过逆变单元，将直流电逆变为交流电为外界负载供电。交流电源正常时，交流电源旁路直接为负载供电；当交流电源中断时，蓄电池组经逆变回路输出交流电为负载供电。UPS 主机工作原理如图9 所示。

直流屏和UPS 主机二者在交流电源故障时均由蓄电池组对外供电，均配置了整流充电模块，因此完全可以将直流屏和UPS 主机在功能上合二为一，实现供配电全链路监控，故障快速定位，提升可靠性，减少冗余配电，减小柜体尺寸，功能整合后的工作原理如图10 所示。

图9 UPS 主机工作原理

图10 直流屏与UPS 主机功能整合后的工作原理

2.2.4 直流屏电池与UPS 电池整合

通过上述直流屏和UPS 主机工作原理分析，二者在交流电源故障时均由蓄电池组对外供电，完全可以将直流屏电池组和UPS 电池组根据容量需要设置为一组，减少冗余，减少资源浪费，同时减小箱式变电站占用空间。

2.3 中压开关柜选型优化

中压开关柜选型从绝缘介质、使用环境、体积、成本、维护方式等多方面考虑。结合箱式变电站应用经验，传统有轨电车箱式变电站多采用空气绝缘AIS 柜和中压气体绝缘C-GIS 柜，总体看这两种类型的中压柜外形体积较大。小型化箱式变电站使用的中压柜不仅要求功能齐全、安全性高，还需考虑体积小，免维护。表1 为不同类型中压开关柜对比。

表1 不同类型中压开关柜对比

综合考虑，建议采用固体绝缘中压柜，其不仅体积小，适用于各种恶劣环境，而且免维护，箱式变电站内无需预留检修空间，完全符合箱式变电站小型化的理念。

2.4 箱式变电站整体结构优化设计

箱式变电站内各设备设计紧凑，箱内各设备操作检修均采用柜前接线，柜前检修，操作方便。优化前箱式变电站按功能区布置，分直流模块、中压模块、控制弱电、变压器模块；优化后箱式变电站打破分模块布置模式，保留了原有箱变的所有功能，中压开关柜按免维护设计，结构布置更紧凑、合理。图11 所示为优化前后箱式变电站结构布置。

图11 箱式变电站结构布置

3 结语

有轨电车已在大城市得到广泛应用，且大多应用于人流密度大经济较发达的城市中心地区。直流有轨电车箱式变电站规模较大，设备多，导致占地面积较大，征地成本高昂，箱式变电站小型化将会带来较好的经济效益和社会效益。

本文从变压器创新设计、5G 技术在智能变配电领域的自动化控制和信息采集应用、设备功能整合、中压开关柜选型、箱式变电站整体结构设计等方面进行箱式变电站方案优化，优化后的箱式变电站功能齐全，占地面积较优化前大大减小。