深圳华侨城“欢乐干线”电气设计

深圳旅游业近年来发展迅速，位于主要干道——深南大道上的华侨城，就分布了许多的旅游景点：锦绣中华、世界之窗、民俗村等。“欢乐干线”是一条全长约四公里的高架电气化轨道列车，它像一条纽带，串起了华侨城内的一个个旅游景点。 　　1998年笔者当时所在的设计院承揽了“欢乐干线”的全部站台设计，笔者负责整个系统的电气设计，包括高、低压配电系统、各站台变配电室、站台内照明设计，以及系统的防雷与接地设计等。 1 工程概况 　　华侨城欢乐干线包括一条全长3．88km的环形封闭运行线和一段长0．48km的维修支线，全线共设有7个站台和一个维修车间。系统全套设备由瑞士引进，主要设备为变频有轨调速列车，正常情况下，有5辆列车同时在轨道上运行。每台列车配有4×15kW的电动机和2× 75kW的变频器(列车启动和加速过程中功率消耗为2.5倍的额定功率)。为满足列车正常运行，外方要求供给列车的轨道母线 (Bus-bar)上的电压波动范围在额定值的10％以内，频率要求50±0．1Hz。 　　因为供电线路较长，列车使用的又是380V的低压电源。因此，为保证供电质量，全线采用5段母线分别供电，相邻母线之间由分段断路器联络。运行时，分段断路器闭合，系统闭环运行。为供给5段母线用电，在全线的5个站台设有低压变配电室，每台变压器除供给列车用电外，还供给各站台的照明用电和全线轨道的广告照明用电。 　　当时，该工程的配电系统在国内没先例，即便在国外，也没有建过这么长的轨道。因此，在设计中出现了许多问题，我们(设计院、甲方及外方)通力合作，在满足国家规范的前提下，力求使设计满足系统的供电需求。工程从1998年6月开始设计，历时半年，在1999年1月已经全部通过供电部门的验收，并在1999年春节投入运行。 　　以下就系统的高低压配电系统设计、设备选型、变配电室设计、线路敷设、系统防雷接地以及电气自动化等几个方面的内容进行论述。 2 高低压配电系统设计 2．1 高压系统设计 　　系统高压电源由华侨城内的两个区域变电站各引一路10kV电源，就近供给两个站台变电室。两路电源一用一备，由供电局内部手动切换，每路电源可负担全部负荷。 　　因该系统为高架电气化铁路，负荷等级较高。因此，系统供电的可靠性和灵活性尤其重要。但该系统有以下几点特殊性：①高压电源进线方向、路径受限，且只能引至就近的变电室；②高压线路传输要两次穿越深南大道，传输路径受限；③高压电缆在各站台配电室之间传输，需沿高架轨道上附设的电缆桥架敷设，桥架空间、电缆的引接等问题限制高压电缆的双回路敷设。 　　因此，考虑上述因素，为减少高压线路走廊，并保证供电的可靠性和灵活性，高压供电采用环网式和单母线混合的供电方式，供给沿线的5个变配电室。在轨道上尽量保证高压线路可靠地传输，消除局部线路单母线供电在干线上出现故障的可能性，保证可靠供电，系统高压柜采用带熔断器的负荷开关，并配备电动操作机构，为实现配网自动化提供条件。 2．2 低压系统设计 　　为满足轨道全线对电源质量的要求，在全线5个站台设有变电室，每个变电室设有1台200kV·A变压器，分别供给轨道母线低压电源，并供给各站台的照明等设备用电。低压供电系统均为220／380V。 　　低压轨道母线采用单母线分段方式，分段处设分段断路器。运行时，所有分段断路器闭合，系统闭环运行。 　　为保证列车在经过分段处电源的连续性，在每两段母线之间，有一段小母线跨接在两段母线之间，该段母线长度刚好够整节车厢的导轨长度，该母线也通过断路器与轨道母线连通。运行时，该断路器与分段断路器同时闭合，以保证供电的连续与可靠。 　　低压系统采用了抽屉式开关柜，各分段断路器的整定值均参考外方提供的模拟运行试验中的电流曲线得到。该运行曲线提供了系统正常及最恶劣情况下，母线及变压器上的电流值和尖峰电流。 　　外方提供的变频率调速列车的平均功率因数达0．95，因此低压侧没有设无功补偿装置。 2．3 照明设计 　　站台照明由本站的变电室或就近站台的变电室引来，在站台的售票处设一配电箱，供站台照明和空调用电。站台及轨道沿线的广告照明由变电室直接引接。 3 变压器选型及变配电室设计 3．1 变压器选型 　　因低压轨道母线采用单母线分段、闭环运行方式。因此，为保证供电质量，外方曾强烈要求采用有载调压变压器。但甲方考虑投资成本及日后的使用维护，不同意选用有载调压变压器。为此，甲方邀请设计单位与外方曾就此进行技术谈判。 　　在谈判中，设计单位指出：该系统的供电负荷并不大，每台列车配有4× 15kW的电动机，列车附属空调等设备的用电预留30kW，因此，每台列车的负荷为90kW。在列车启动和加速过程中功率消耗为2．5倍的额定功率，5台车同时在轨道上按固定的时间间隔运行，同时出现尖峰负荷的可能性不大。选用200kV·A变压器，即使每台变压器再供给站台30kW的照明用电，其负荷率也完全可以满足。 　　另外，国家规范规定，并列运行的变压器，其参数应一致，接线形式应一致，否则不允许并列运行。当采用有载调压变压器之后，各台变压器会根据自身负荷情况来调压，有可能造成参数不一致，导致并列运行失败，殃及整个系统运行。 　　因此，考虑以上因素，我方不同意采用有载调压变压器，认为采用5台200kV·A变压器完全可以满足整个系统的变配电需求。 　　外方最终接受了这一方案，但为了保证列车的用电，要求站台等的照明用电由其它电源供给。我方接受了这一要求，在每个配电室就近引接一路低压电源，该电源与变压器引出的照明回路实现电气及机械连锁，在实际运行中如果变压器容量不足，则由外来电源供照明用电。 　　因此，本系统选用了5台200kV·A干式变压器。 3．2 变配电室设计 　　欢乐干线全线需要布置5个变配电室，当时曾有人提出采用室外箱式变电室。但因为华侨城是深圳的旅游旺地，欢乐干线周边都是旅游景点，箱变不仅需要占用较大的空地，选址困难，而且由变压器引出低压电源到轨道母线的路径很难敷设。考虑以上因素，最终选择在沿线的站台内设置变配电室。 　　欢乐干线站台均为钢网架结构，占地面积较小，为配合周围环境，形状各异。在变配电室的设计上，考虑今后运行维护的便利，尽量将其设计成统一的布局。变配电室除总站外，尺寸大约都为6m×4m。因此，设备选型需要占地省，且防护等级高的产品，这样才能保证布局紧凑合理。 　　变压器选用顺德变压器厂的SC8型干式变压器，带IP20防护外壳；高压配电柜采用ABB的US型环网开关柜；低压配电柜采用深圳产的YDS型抽屉式开关柜。 　　以上设备沿变电室的长轴布置，柜后留600mm宽，800mm深的电缆沟，柜前留有足够的操作通道，高压柜布置靠内侧，低压柜布置靠门口。 　　变电室采用统一的型式布置后，为运行维护、检修操作等后期的维护管理创造了较好的条件。并且在站台内布置统一的变电室，为线路引出至轨道提供了便利条件。 4 线路敷设 　　因线路的传输路径复杂，本工程的高低压线路敷设有许多特殊的地方。 　　由区域变电站引来的高压电源直接埋地敷设至最近的站台变电室。变电室之间的高压线路，要两次穿越深南大道，且线路较长，无法采用埋地敷设，因此采用了沿轨道传输的方式。 　　在轨道的一侧，全线架设了400mm×l50mm的电缆桥架，桥架间用金属隔板分隔成三个小室，分别敷设高压电缆、低压电缆和控制电缆。 　　高、低压电缆和控制电缆由配电室穿金属桥架，沿站台的平台敷设至最近的轨道立柱，再沿立柱敷设至轨道。桥架在敷设中，经过多次转弯，弯曲处，尽量满足转弯半径的要求。 　　本系统引上轨道的线路较多，采用定制的桥架。桥架分为三个小室，中间由金属隔断分隔，按高、低、控制电缆的顺序分别敷设。有效地解决了电气干扰和线路传输之间的矛盾，并且布线清晰、整洁，保证了供电的可靠性。 　　站台内照明线路的敷设采用导线穿钢管，由变电室沿站台的钢柱引至售票间。没有变电室的站台，由附近的站台沿轨道引来，直接引入本站的售票间。 5 系统的防雷接地 5．1 轨道接地 　　在轨道全线上，埋设了三百多根钢柱，钢柱的间隔约为11m，混凝土基础埋深均大于10m。因此，全线利用轨道基础作为接地装置。各轨道立柱采用电杆的接地方法，利用混凝土基础内的钢筋作为接地极，上端的钢柱与基础内的钢筋可靠焊接，再将金属轨道与各钢柱可靠焊接，形成可靠的电气通路，以确保全线的可靠接地。 5．2 站台接地 　　站台的基础满足接地要求的，利用基础内的钢筋接地；不满足时，则沿站台埋设单独接地体。站台基础接地后，再与临近的轨道立柱相连通，使整个系统形成了统一的接地体。各站台的配电室内设有接地干线，变压器的中性点接地、配电柜的保护接地均与就近的接地干线相连。 5．3 系统防雷 　　“欢乐干线”其中一段线路沿深圳湾附近敷设，当地属于雷电多发地带。因此，防雷等级较高。 　　除总站外，各站台均为钢架结构。因此，利用站台的屋顶钢架作为接闪器，钢架可靠焊接，保证电气连通，引下线利用站台的钢柱，钢柱上端连通屋顶，下端与站台基础连通。总站采用单独敷设避雷带和引下线的作法，以保证防雷系统的可靠。 5．4 低压配电系统接地型式及接地电阻 　　本工程采用联合接地系统，系统接地电阻不大于1Ω。因全线的轨道立柱、站台基础等均已联合接地，因此实测接地电阻满足联合接地系统的要求。 　　本系统低压配电的接地型式为TN—S型：变压器中性点之后，保护接地线(PE线)和中性线(N线)将不得混淆。 6 电力控制