AC 0.4 kV开关柜母联备自投PLC电源整改浅析

白雪翎

1 概况

长春城轨1号线于2017年6月30日开通运营，是长春市第三条开通运营的轨道交通线路，也是首条开通运营的地铁线路。该线路采用集中式供电方式，全线共设置8座牵引降压混合变电所、9座降压变电所，正线每座车站变电所均配置AC 0.4 kV低压配电系统。变电所设置交直流自用电系统，后备时间2 h。

变电所AC 0.4 kV系统采用分段单母线接线，设母线分段断路器，正常情况下，母线分段断路器处于分闸状态。各馈出断路器采用抽屉式或插拔式安装，依次插接在母线上。三级负荷馈出断路器设置电动操作机构。

正常运行时，2台AC 35/AC 0.4 kV配电变压器分列运行，负责向供电范围内的全部动力照明负荷供电。AC 0.4 kV母线分段断路器处于分闸位置，每段母线分别由不同的配电变压器供电。

当一路AC 0.4 kV进线电源失压时，断开AC 0.4 kV进线开关，根据负荷情况自动或手动切除三级负荷，在确认不是由于AC 0.4 kV侧过电流故障原因造成电源失压时，合闸母线分段断路器，恢复向该变电所供电范围内的全部动力照明一、二级负荷的供电。当进线电源恢复时，母线分段断路器分闸，进线断路器合闸，恢复正常供电方式。

2 AC 0.4 kV开关柜母联备自投控制存在问题

在长春城轨1号线运营期间，当变电所AC 0.4 kV供电系统其中一段进线失电时，偶尔会出现母联备自投投入时间大于30 s的现象（正常情况下仅需10 s左右），前10～20 s会出现控制中心电力调度系统与车站0.4 kV供电系统通信中断，当0.4 kV母联备自投投入后，控制中心电调通信恢复正常。

针对这一现象对现场状况进行排查。经现场排查后发现，0.4 kV母联备自投PLC及通信器件并未损坏，且上述情况仅偶尔出现。为了解决这一问题，从系统原理着手排查，经排查最终确认，问题出现在AC 0.4 kV备自投PLC电源。

0.4 kV母联合闸逻辑如图1所示。AC 0.4 kV系统的控制操作模式由母线分段开关柜上的选择开关1SA和2SA选择定义，共有3种控制操作模式，分别为手投手复、自投自复和自投手复。“手投”是指通过手动按钮操作母线分段断路器合闸；“自投”是指通过PLC程序自动操作母线分段断路器合闸；“手复”是指通过手动按钮操作母线分段断路器分闸和1#进线断路器或2#进线断路器合闸；“自复”是指通过PLC程序自动操作母线分段断路器分闸和进线断路器合闸。3种模式对应的条件是在一路进线电源失压跳闸后。

图1 0.4 kV母联合闸逻辑

长春城轨1号线AC 0.4 kV备自投PLC采用交流220 V电源模块，由变电所自用电系统交流屏供电，交流屏从变电所低压柜两段AC 0.4 kV母线各引入一路电源，作为交流所用电系统的进线电源，如图2所示。

图2 交流屏双电源进线接线示意图

交流所用电系统采用单母线接线形式，进线处设双电源自动切换装置。正常运行时，主供电源通过母线向负载供电，当主供电源失压时，通过切换装置自动切换至备用电源，在切换过程中，PLC有短暂失电再重启过程，重启过程约耗时25～30 s，PLC重启完毕后，再控制AC 0.4 kV母联断路器备自投合闸。即AC 0.4 kV开关柜一段失电后，控制中心电调系统与0.4 kV供电系统通信中断，并且本段单电源供电馈线短暂失电，备自投合闸需耗时 25～30 s。

3 AC 0.4 kV开关柜母联备自投控制PLC电源改造方案

为了解决0.4 kV母联备自投PLC短暂失电问题，本文讨论以下两种整改方案并进行对比分析。

3.1 方案一

方案一为直接向0.4 kV母联PLC提供UPS不间断电源。为缩短AC 0.4 kV开关柜备自投合闸时间，考虑母联备自投控制PLC可由不间断电源供电，为0.4 kV母联PLC单独增加一套UPS电源，提供交流220 V电源后备时间2 h，电源接线如图3所示。

图3 UPS电源接线示意图

UPS不间断电源为交-直-交供电模式，包含交流电源进线、稳压装置、整流装置、蓄电池、逆变器等。为0.4 kV母联PLC提供UPS不间断电源后，在交流屏双电源切换装置切换过程中，PLC不会出现失电状态，可解决上述问题。

3.2 方案二

方案二为利用既有直流屏增加逆变器（逆变交流220 V）向0.4 kV母联PLC提供不间断电源。

变电所直流自用电系统在应急状态下，蓄电池容量可保证所内经常性用电负荷应急供电时间不小于2 h。因此考虑由直流屏经逆变为交流220 V工频电压为其供电。

3.3 方案对比

上述两种方案均可解决0.4 kV母联PLC短暂失电的问题，经分析比较，方案一采用单独提供UPS不间断电源，造价较高，全线造价约为70万元；同时占地面积大，敷设电缆多。方案二采用利用既有直流屏增加逆变器方法，逆变交流220 V为0.4 kV母联PLC提供不间断电源，仅需考虑增加逆变器及蓄电池屏至直流屏电缆，更换馈线开关，可节省UPS控制主机、蓄电池、0.4 kV开关柜至UPS进线电源电缆及UPS馈线开关等设备费用，仅新增逆变器的费用，初步测算全线19座车站投资约为40万元；并且占地小，可直接安装于既有直流屏剩余空间内，施工工作量较少。经综合考虑，本工程优先考虑采用利用既有直流屏增加逆变器逆变交流220 V为0.4 kV母联PLC提供不间断电源的方案。直流屏馈线改造回路如图4所示。

图4 直流屏馈线改造回路

4 逆变器的选择

DC/AC逆变技术能够实现直流电到交流电的转换，逆变技术在交流电机传动、不间断电源、变频电源、有源滤波器等领域均得到了广泛应用。DC/AC逆变技术的基本原理是利用半导体功率开关器件的开通和关断作用，将直流电变换成交流电，是一种电能变换装置。由于该装置通过半导体功率开关器件的开通和关断实现电能转换，因此转换效率较高。

本次电源改造选择技术成熟的逆变器。逆变器主要技术参数见表1。

表1 主要技术参数

选定逆变器后，根据长春城轨1号线既有情况，逆变器可安装于控制室内直流屏内。

5 结语

控制电源是保障供电系统稳定运行的基础，合理选择控制电源可以缩短停电时间，保证电力供应的连续性。在城市轨道交通AC 0.4 kV系统中，母联备自投控制电源选择直流电源控制时，不受进线电源失压的影响，控制电源稳定，没有失电重启过程。即使直流进线失电，蓄电池组仍能提供2 h的控制电源供电时间，为排除故障、恢复正常供电节约时间。该技术改造费用较低，不会对供电系统造成不良影响，安全可靠、简单实用。