市域轨道交通牵引变压器容量规模的探讨

阮泽棋

摘要：在城市轨道交通的快速发展以及城市土地、电力资源稀缺的情况下，对城市轨道交通主变电所进行资源优化势在必行。按照主变电所资源共享的基本原则，提出主变电所牵引变压器容量规模按一座主变电所解列时，越区支援供电，运营组织降低行车能力设计，并进行相应的经济性分析。结果表明，该方案可降低工程实施的难度，也可节约工程投资和运营费用。

关键词：主变电所；支援供电；行车；容量计算

1、概述

随着我国城市轨道交通的迅猛发展，大型城市的轨道交通已由市区往郊区、市域延伸，市域轨道交通线路牵引供电制式一般为AC25kV、DC1500V或双流供电制式。本文主要探讨市域轨道交通线路采用AC25kV牵引供电制式时，主变电所牵引变压器容量规模优化的可行方案。

当前国内城市轨道交通主变电所设计理念一般是当一座主变电所解列，相邻主变电所支援供电时，维持线路正常的服务水平，即不降低线路行车密度。采用AC25kV供电制式的市域轨道交通线路，由于牵引变电所采用固定备用的方式，越区供电下牵引变电所仅1台牵引变压器支援供电，这就会造成牵引变电所的数量或牵引变压器安装容量的增加，同时由于牵引负荷为不对称性负荷，牵引变压器安装容量的增加也会造成外部电源导线截面的增大。本文以成都17号线一期工程为例，分析牵引变压器的安装容量与越区供电时行车运行能力之间的关系。

2、影响主变电所变压器容量规模的因素

2.1主变压器容量选型原则

根据相关规范要求，主变压器容量选型应遵照以下原则：

1）根据《地铁设计规范》15.2.4和15.2.5规定，城市轨道交通主变电所主变压器的数量与容量应根据近、远期负荷计算确定，并宜分期实施。当一台主变压器退出运行时，其余主变压器应能承担供电范围内的一、二级负荷[1]。

2）根据《油浸式电力变压器负载导则》，主变压器具有130％(2h)的过负荷能力[2]。

2.2主变压器容量计算过程

每台主变压器容量应该是其供电范围内的牵引负荷和动力照明负荷之和。共享主变电所的站址应尽可能选址在负荷中心，并综合全线、全网统筹；根据线路分布、供电范围、客流预测和行车组织预测用电负荷，同时考虑相邻主变电所解列情况下支援供电所需要的容量来最终选择主变电所的安装容量[3]。具体思路如下：

1）根据城市轨道交通工程基础资料，包括线路资料、行车组织方案、车辆型式、列车编组、牵引网构成等条件，通过牵引供电计算，最终确定牵引负荷。

2）根据动力照明专业开放的资料，对各车站站点的动力照明负荷进行估算。

3）根据工程主变电所设置方案、资源共享情况及运行方式，计算主变压器安装容量，最终选定安装容量。

3、主变电所牵引变压器容量设计

3.1工程概况

成都17号线一期工程（以下简称17号线）：线路正线全长约26.145km，共设置车站9座，其中高架站2座，地下站7座。供电制式采用交流25kV架空接触网供电，设永义车辆段和五桐庙停车场，控制中心位于新苗控制中心。

17号线供电系统由牵引供电系统与动力照明供电系统两部分组成，采用集中供电方式，其中牵引供电系统采用110/27.5kV两级电压供电；动力照明供电系统采用110/35kV两级电压供电；牵引供电系统采用AC25kV柔性接触网、带回流线的直接供电方式。共设11座降压变电所，7座跟随式降压变电所[4][5]。

3.2主变电所设置方案

在永义车辆段内设置永义主变电所，在五桐庙停车场内设置五桐庙主变电所。两座主变电所相互支援。

永义主变电所规划为19号线、37号线资源共享主变电所，五桐庙主变电所为17号线、19号线资源共享主变电所。

五桐庙主变电所牵引部分采用110kV三相Vv接线牵引变压器，电力部分设置两台电力主变压器；五桐庙主变电所牵引部分及电力部分均应预留向17号线二、三期工程、19号线二期工程供电的馈线间隔。牵引变压器和电力主变压器容量应结合资源共享线路的建设时序和发展规划，预留向17号线二、三期工程、19号线二期工程供电的条件。

永义主变电所牵引部分采用110kV单相牵引变压器、并预留改造为三相Vv接线牵引变压器的条件。电力部分设置两台电力主变压器，该主变电所牵引部分及电力部分均应预留向37号线供电的馈线间隔。牵引变压器和电力主变压器容量应结合资源共享线路的建设时序和发展规划，预留向37号线供电的条件。

3.3主变电所牵引变压器容量设计条件

1）线路资料

线路平纵断面图（含线路长度、坡度、限速等）、车站表（含站间距）、车场设置情况等。

2）车辆资料

车辆选型：A+型车。

列车编组：初、近、远期均为8辆编组，6动2拖。

列车正线最高运行速度：140km/h。

8辆编组A+型车辆牵引力及速度功率曲线见图1。

图1  17号线8辆编组牵引特性曲线图

车辆载重量见表1。

表1车辆总重表

载客量	单车(单位：t)			列车(单位：t)
	TC车	M车	Mp车	8辆编组
空车(AW0)	38	40	43	322
座席(AW1)	41.6	43.6	46.6	350.8
定员(AW2,4人/m2)	50.6	52.8	55.8	424
超员(AW3,9人/m2)	61.9	64.4	67.4	516.2
轴重	＜17t

注：乘客人均重量按60kg计，轴重≤17t。

3）行车组织资料

成都地铁17号线高峰小时开行列车对数最高可达30对/h，系统规模行车交路图见图2。

图2  系统规模行车交路图

图3  主变电所解列时的行车交路图

4）牵引网电气参数

表2  牵引网电气参数表

项目	A+型车8辆编组
牵引网导线组合	JTMH-120+CTAH-150+2×LBGLJ-185（加强线）
牵引网等效阻抗	0.1229Ω/km

3.4主变电所牵引变压器容量计算

方案一：牵引变电所越区供电时不降低行车密度（30对/h）的布点方案。

根据牵引供电系统初、近、远期及系统规模的仿真计算统计结果和《牵引变压器技术条件》规定的负荷特性及高峰小时运营组织的需要，17号线牵引变电所牵引变压器各期的安装容量见表3。

表3牵引主变压器安装容量表（kVA）

主变电所 项目		永义主变电所	五桐庙主变电所
变压器安装容量（MVA）	初期	2×31.5	2×(25+6)
	近期	2×（25+40）	2×（40+40）
	远期	2×（31.5+50）	2×(50+50)
	系统规模	2×（50+50）	2×(50+50)

注：牵引变压器过负荷能力按200%过负荷2h考虑，300%过负荷2min考虑。

目前，国内变压器的设计寿命一般为30年，17号线从开通至近期仅10年，至远期间隔约25年，从减少工程初期投资、节省运营费用、提高变压器工作效率的角度出发，推荐牵引变压器初期安装容量按近期安装容量设置。推荐永义主变电所牵引变压器安装容量按2×40MVA设置，并预留系统规模改造条件。推荐五桐庙主变电所牵引变压器安装容量按2×（40+40）MVA设置，并预留系统规模改造条件。

3.5主变电所解列时的降级运行模式

“成都轨道交通17号线一期工程及其相关线路的主变电所供电能力按照1座主变电所解列时，越区支援供电不低于高峰小时15对/h的行车能力设计”，即主变电所解列时的降级运行模式。

参照3.4主变电所牵引变压器容量设计条件，其他基础输入资料均不变，仅改变主变电所解列时系统规模行车对数（详见图3），重新计算主变电所牵引变压器容量。

3.6降级运行模式主变电所牵引变压器容量计算

方案二：牵引变电所越区供电时降低行车密度（15对/h）的布点方案。

根据牵引供电系统初、近、远期及系统规模的仿真计算统计结果和《牵引变压器技术条件》规定的负荷特性及高峰小时运营组织的需要，17号线牵引变电所牵引变压器各期的安装容量见表4。

表4  牵引主变压器安装容量表

主变电所 项目		永义主变电所	五桐庙主变电所
变压器安装容量/MVA	初期（不小于）	2×31.5	2×(25+5）
	近期（不小于）	2×（31.5+31.5）	2×（31.5+31.5）
	远期（不小于）	2×（31.5+31.5）	2×(40+31.5)
	系统规模（不小于）	2×（31.5+31.5）	2×(40+40)

注：牵引变压器过负荷能力按200%过负荷2h考虑，300%过负荷2min考虑。

目前，国内变压器的设计寿命一般为30年，17号线从开通至近期仅10年，至远期间隔约25年，从减少工程初期投资、节省运营费用、提高变压器工作效率的角度出发，推荐牵引变压器初期安装容量按近期安装容量设置。推荐永义主变电所牵引变压器安装容量按2×31.5MVA设置，并预留系统规模改造条件。推荐五桐庙主变电所牵引变压器安装容量按2×（31.5+31.5）MVA设置，并预留系统规模改造条件。

4、方案的技术及经济性对比

牵引变电所按照地上全户内型式考虑，每座牵引变电所的建设费用为5000万元。外部电源采用110kV进线，全地下电缆敷设。表5、表6分别为2种方案的技术及经济性比较[6]。

表5  技术方案比较

	牵引所数量	外部电源数量	电分相数量	固定容量/MVA
方案一	2	4	3	200
方案二	2	4	3	143

表6  经济性比较

	每年变压器固定容量费/亿元
方案一	0.52
方案二	0.37

注：只列出方案间有差异部分的投资。

1）技术对比——由于工程线路较短，降级运行后的主变电所方案，没有改变主变电所数量及选址，仅主变电所牵引变压器容量有变化。

2）经济对比——方案二相较于方案一，牵引主变电所、外部电源、电分相的数量及工程投资均相同，但每年需缴纳的变压器固定容量费较方案一减少1500万元。

5、结论

供电系统主变电所容量规格的优化设计有利于减少主变电所的投资，提高供电设备的利用率和经济效益。优化设计后，可减少新建主变电所的数量，从而减少市政土地资源，节约公共电网资源，减少高压电缆和相应通道的投入；并为城市发展节省了宝贵的资源，产生额外的社会效益。城市轨道交通主变电所共享在保证工程建设和供电可靠性的前提下值得大力推广和实施[7]。

在实际工程建设中，考虑到主变电所的选址用地和系统接入相对困难，以及牵引变压器设计已采用一主一备的运行方式。在实际工程运行中，一座牵引变电所整体退出运行发生的概率极小，因此在越区供电时，在保证线路安全运行的前提下，可适当降低

服务水平，即降低线路行车密度，对牵引供电系统的结构进行优化，降低工程实施的难度。

参考文献：

[1] 中华人民共和国住房和城乡建设部，国家质量监督检验检疫总局．地铁设计规范：GB 50157-2013[S]．北京：中国建筑工业出版社，2013．

[2] 国家质量监督检验检疫总局．油浸式电力变压器负载导则：GB／T 1094.7-2008[S]．北京：中国标准出版社，2008．

[3] 赵麦丽．地铁主变电所主变压器容量计算及优化建议[J]．中小企业管理与科技，2018：176-178．

[4] 贺威俊，高仕斌，等．轨道交通牵引供变电技术[M]．成都：西南交通大学出版社，2011．

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

[6] 胥伟．市域快轨牵引变电所越区供电能力探讨[J]．电气化铁道，2019年第5期：70-78．

[7] 郑欣．上海轨道交通新建线路主变电所的资源优化共享[J]．城市轨道交通研究，2015年第6期：79-82．