电动机负荷引入AC 660 V配电的构想
>>>>车站主要负荷及配电方式
地铁车站的主要负荷有照明、风机、水泵、自动扶梯、电梯、通信、信号、自动售检票、火灾自动报警系统、环境与设备监控、站台门、人防设备等。
每个车站设置一个降压变电所，个别车站规模大时考虑设置2个降压变电所，配电方式以放射式为主。由于用电设备主要分布在车站站厅、站台公共区的两端，由降压变电所给公共区另一端的设备配电时，配电线缆较长，普通6B编组车站，每个回路配电线缆超过200 m，8A编组的普通车站每个回路配电线缆长度近300 m。
>>>>配电电缆选型
电缆选型应考虑线缆敷设环境、敷设方式、载流量、电压降、热稳定性及上级开关的保护整定值等因素。地铁车站设备容量大，由车站变电所至设备配电距离长，电缆截面积选择大，同时线缆敷设空间狭窄，整个工程电缆造价高，施工难度大。
>>>>电动机负荷引入AC 660V配电的思路
>>影响电动机设备功率、转矩的因素
通过查阅《电机学》，电动机的电磁功率及电磁转矩对于工程已经选定电动机来讲，只与定子端电压U1有关，在电动机Γ形等效电路中U1为每相定子绕组端电压。
通常电动机定子绕组有星形接线和三角形接线方式。通过市场调研了解到，目前主要供货商通常对4 kW以上电动机定子的接线均采用三角形接线，每个绕组的端子电压接入220 / 380 V系统时，端子电压为380 V。如将电动机定子接线调整为星形接线，接入380 / 660 V系统时，电动机每个定子绕组的端电压也是380 V，电磁功率和转矩没有改变，满足工程需要，相关专业不需做任何调整。但从供电的电网输入来看，电流为原配电系统的0.58倍，线路的电压降为原系统的0.33倍（通过《工业与民用供配电设计手册》第4版公式6.2 – 4、6.2 – 5计算所得）。此外在市场调研过程中了解到，目前电机均具备定子绕组星形接线，且接入AC 660 V电压后，对制造工艺没有任何难度和影响。因此地铁线路内电动机设备均具备接入AC 660 V系统的可行性。
>> 配电系统分析
> 配电元件
目前断路器、接触器、马达保护器（热继电器）、软启动器、变频器等主要一次元件，最高工作电压为AC 690 V，满足AC 660 V工作电压要求；二次控制电压可采用单相AC 380 V的工作电压。
>配电及控制线缆
地铁常用配电线缆为低压无卤阻燃（阻燃耐火）或矿物绝缘电缆，最高工作电压0.6 / 1 kV，矿物绝缘电缆工作电压750 V。在电动机启动时，电压呈下降趋势，启动完成后上升至平稳工作电压，电压不超660 V。控制电缆最高工作电压采用0.45 / 0.6 kV，满足系统工作电压。
>工程示例
在工程设计中，暖通、给排水等相关专业根据需求确定设备数量、设备功率，并将用电需求作为输出资料提供给动力照明专业。相关专业的电动机负荷，通常需提供AC 380 V的电压给电动机负荷供电，并根据电动机负荷容量、性质配置相应电缆及保护控制元件。
比如某工程给排水专业区间主排水泵设备容量为30 kW，车站变电所距区间主排水泵的配电距离为600 m，30 kW的主排水泵计算电流为57 A，在AC 380 V供电的情况下，满足小于5 % 的压降，进行电缆选型。根据《工业与民用供配电设计手册》第4版公式6.2 – 5：
Δui为三相线路单位电流长度的电压降百分数，% / （A·km），通过查阅设计手册，需选用WDZB1N – YJY23 – 3 × 70 + 2 × 35的电缆，其Δui为0.134。
如采用0.66 kV系统，因配电距离较长，压降校验决定了电缆的截面积大小。本工程为地铁地面工程，宜采用低烟无卤线缆，笔者拟选用三相线路单位长度电阻R’和电抗X’分别为0.87 Ω / km、0.082 Ω / km。根据《工业与民用供配电设计手册》第4版公式6.2 – 5：
采用WDZB1N – YJY23 – 3 × 25 + 2 × 16即可满足要求。
地铁实施方案
>>>> 变电所方案
>>系统接线
在车站变电所采用三绕组配电变压器，配电变压器二次侧电压等级分别采用0.4 kV及0.69 kV。0.4 kV系统负责给照明、弱电、站台门等设备配电，0.69 kV系统负责给风机、水泵、自动扶梯等设备配电。系统示意图如图1所示。
>>变电所投资分析
变电所引起投资变化的主要有配电变压器、开关柜，为简化分析思路，拟举例说明，并忽略馈出柜开关选型差异对造价的影响。示例如下：
原配电系统采用2台35 / 0.4 kV配电变压器，容量为1 250 kVA，价格40万元；采用24面0.4 kV开关柜，含2面进线开关柜，1面母线分段开关柜ac设备，2面有源滤波控制柜，造价共35万元。新系统采用2台35 / 0.69 / 0.4 kV的三绕组配电变压器ac设备，容量分别为35 / 0.69 kV侧800 kVA，35 / 0.4 kV侧400 kVA，造价44万元；开关柜包含4面进线开关柜，2面母线分段开关柜，4面有源滤波控制柜，造价共65万元；相比原方案增加5个柜位，占用土建面积16 m2，造价32万元（变压器投资增加按照10 % 计算，新方案的进线、母线分段开关、有源滤波控制柜由于元件额定容量减小，比原方案对应开关柜价格稍低）。
新方案对变电所来讲，增加投资66万元。
>>>>动力照明方案
变电所低压母线采用AC 0.69 kV电压等级供电后，车站及区间内的风机、水泵、自动扶梯采用AC 660 V供电。表1为某市8A编组的车站采用0.4 kV及0.69 kV配电时的电动机负荷的电缆统计表。
采用0.4 kV系统供电的电缆造价约为700万元，采用0.69 kV供电的电缆造价为330万元。
从投资角度来看，结合变电所、动力照明投资进行分析，每个8A编组的地铁车站可节约投资700 – 330 + 40 + 35 – 44 – 65 – 32 = 304万元。
采用AC 660 V配电的优势
>>>>给敏感设备创造优质电网环境
引入0.69 kV供电电压后，变电所采用了0.4 kV及0.69 kV两个供电电压，照明及弱电系统设备由变电所0.4 kV母线供电，风机、水泵、自动扶梯等电动机设备由0.69 kV母线供电。由于电动机启动电流大，启动时变电所低压母线及电动机端子会出现短时电压下降，如与照明、弱电等敏感设备同一配电母线时，会影响这些设备的供电质量。引入两个供电电压采用独立的母线供电对照明、弱电等敏感设备不会形成电压冲击。
>>>> 一般区间风井可不再设置跟随式降压变电所
一般两车站间的区间长度较长时，区间设置隧道风机，容量基本以2台90 kW为主，由于从车站给区间风井的隧道风机配电时，距离较长，通过技术经济比较，通常在区间风井处设置区间降压变电所，由区间变电所给区间风机设备配电。如采用AC 660 V供电，由于电缆截面积大幅度降低，可不设置区间变电所。举例来讲，两车站间距3 km，根据通风专业要求，在此区间内设置区间风井，区间风井距其中一车站距离为1.4 km，常规方案为在区间风井设置跟随式降压变电所，由此降压变电所给区间风井内的隧道风机配电。如在车站引入0.69 kV系统后，由车站降压变电所内的0.69 kV母线直接引电源配电至区间风机将更经济合理。投资分析见表2。
>>>> 线路电能损耗减低
线缆有功损耗和无功损耗如下：有功损耗ΔPL = 3IC2R × 10 – 3；无功损耗ΔQL =3IC2X × 10 – 3。ΔPL为三相线路中有功损耗，ΔQL为三相线路中无功损耗，IC为计算电流，R为线路每相线路电阻，X为线路每相线路电抗。
下面分别针对这两种工况的线路损耗做分析：
a. 按计算电流及上下级开关保护定值选择电缆。
0.69 kV系统和0.4 kV系统线路损耗比值如下：
同理无功损耗也降低至0.4 kV系统的0.568倍。
b. 按照压降要求选择电缆。
达到同样压降要求，0.69 kV配电系统电缆截面积仅为0.4 kV配电系统的0.33倍。此时的损耗比为：
=0.33×3=1
综上所述，采用0.69 kV供电方案后，不仅降低电缆截面积，电缆损耗也减少。如配电距离长，压降参数决定电缆截面积选择时，电缆截面积降低至原截面积的0.33倍，造价大幅度降低，线缆损耗与采用0.4 kV供电电压保持一致；如考虑其他因素选择电缆，电缆截面积和线路损耗都减小，其损耗值介于按照计算电流选择与电压降选择之间。
>>>> 接地故障防护对比分析
地铁车站采用TN – S系统给固定式设备配电时，切断时间最长为5 s，这对AC 660 V和AC 380 V来讲是一致的。对于手持式或移动式设备，当采用AC 660 V供电时，单相对地电压为AC 380 V，根据GB 50054 – 2011《低压配电设计规范》相关要求，切断时间最长为0.2 s，当采用AC 380 V供电时，单相对地电压为AC 220 V，切断时间最长为0.4 s。
地铁目前接地故障保护电器均采用断路器，发生接地故障防护时需满足：
Id≥ 1.3Iset3 （1）
式中，Id为接地故障电流，Iset3为断路器瞬时脱扣器的额定电流或整定电流。
地铁电动机配电回路采用电动机型塑壳或微型断路器，瞬时脱扣时间很短，均会小于0.2 s，因此以断路器作为保护电器的配电系统，切断时间不再是系统故障防护的考虑因素。
由于采用了AC 660 V供电后，线缆截面积明显降低，是否会影响整个配电系统的接地故障防护继电保护整定呢？下面做简单分析：
AC 380 V系统与AC 660 V系统在发生接地故障时对应参数见表3。根据表3所示，AC 660 V系统接地故障电流是AC 380 V系统的0.58 ~ 1倍，开关整定值是AC 380 V系统的0.58倍。根据表3所示对比值，发生单相接地故障短路时，采用AC 660 V系统，灵敏性校验将更加有利。
>>>> 其他
线缆截面积减小，敷设线缆的桥架、钢管规格也相应减低，同时有利于地铁复杂狭窄空间的施工及费用的降低。
本文有删减，全文载于《建筑电气》2023年第4期，详文请见杂志。
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