香港將軍澳地鐵支線的牽引供電系統

摘　要　介紹了香港將軍澳地鐵支線牽引供電系統中交流供電系統、直流供電系統、屏蔽門和過電壓保護裝置等的設計思路及其保護裝置,可供軌道交通的有關工程設計人員借鑒。
關鍵詞　香港,地鐵,將軍澳支線,供電系統
牽引供電系統為整個地鐵系統(包括車輛、動力、照明、通風/ 環控、通信、信號、物業開發等) 的所有用電設備提供電源,因此牽引供電系統方案設計的優劣直接關系著整個地鐵系統運行的安全性、可靠性和靈活性。本文介紹了香港將軍澳地鐵工程牽引供電系統的一些設計思路和做法,以便各城市借鑒其經驗,進而提高地鐵工程牽引供電系統的設計水平。
1 　工程簡介
香港地鐵將軍澳延伸線工程( Tsueng Kwan O Extension) 位于九龍地區東部,全長11. 8 km , 其中正線9 km , 西起與既有的觀塘線( KTL Line) 接軌的藍田站(Lam Tin Station) ,東至新建的寶琳站(Po Lam Station) , 途經油塘站( Yau Tong Sta2 tion) 、調景嶺站(Tiu Keng Leng Station) 、將軍澳站(Tseung Kwan O Station) 、坑口站(Hang Han Sta2 tion) ;另外還有從將軍澳站向南延伸到車輛段的2. 8 km 線路。全線建成時將有5 個車站和1 個車輛段,還準備在遠期再建兩個車站。在油塘車站和調景嶺車站均建有雙層站臺,以方便乘客在觀塘線和將軍澳線之間換乘。
2 　交流供電系統
由于牽引、動力、照明和物業開發用電需求量極大,考慮到供電系統的安全性、可靠性、靈活性, 并考慮備用,采用了33 kV 交流供電系統方案(如圖1 所示) 。
從圖1 可以看出,整個33 kV 交流供電系統分別從兩家電力公司(HEC -香港電力公司和CL P -中華電力公司) 的電網通過兩個主變電所(Q IS 和TIS) 獲得電源。在每個主變電所設有兩臺132/ 33 kV 主變壓器。在正常情況下,這兩臺主變壓器并聯運行,當有一臺主變壓器出現故障而退出運行時,另外一臺主變壓器能夠承擔向所有的用電設備供電而不超載。而且每臺主變壓器都配備有一組有載自動調壓裝置,以維持主變壓器低壓側供電電壓保持恒定。
整個地鐵交流供電系統由兩級電壓組成,即33 kV 和0. 415 kV 兩組電壓等級。由兩個132/ 33 kV 主變電所經33 kV 輸電網絡(電纜構成) 把電力輸送到地鐵沿線所有的變電所(牽引降壓混合變電所和降壓變電所) 。33 kV 的供電系統設計成閉合環形。在正常情況下,Q IS 和TIS 各供電給一個33 kV 供電網絡。兩個33 kV 供電網絡經過兩臺斷路器在調景嶺牽引降壓混合變電所處連接。正常情況下這兩臺斷路器打開,只有在其中一個主變電所出現故障而完全解列退出運行時,這兩臺斷路器才會合上,由另一個主變電所負責整個全線33 kV 供電網絡的供電。
在每個車站、附屬建筑物以及車輛段內,均設有33/ 0. 415 kV 動力變壓器,以提供電力給動力、照明、通風/ 環控、物業開發等其它負荷。正常情況下,每臺動力變壓器均單獨工作,承擔本供電范圍內的負荷用電。當其中任何一個動力變壓器因故障不能運行時,相鄰近的動力變壓器則負責承擔其供電范圍內的負荷用電。
為了保證33 kV 交流供電系統網絡安全可靠地運行,系統中設置有繼電保護裝置。主要有: ① 132/ 33 kV 進線變壓器低壓側的方向性過流保護、接地故障保護; ②33 kV 環網供電網絡(電纜) 的導引線保護、方向性過流保護和接地故障保護、反時限過流和接地故障保護; ③33/ 0. 415 kV 動力變壓器的繞組過熱保護、氣體壓力保護、瞬時過流保護、反時限過流和接地故障保護等; ④ 整流變壓器的反時限過流和接地故障保護、瞬時過流保護、油溫保護、油液面降低保護、繞組溫度保護、氣體壓力保護等; ⑤33 kV 母線的反時限過流和接地故障保護、電流差動保護。

圖1 　33 kV 交流供電系統示意圖
母線相連。除了POL 牽引變電所1 500 V 直流正極3 　直流牽引供電系統母線采用單母線型式外,其它4 個牽引變電所1 500 V 直流母線均采用單母線帶斷路器分段接線型式,從直流牽引供電系統示意圖見圖2 。直流牽引供電系統的電源來自33 kV 供電網絡,通過直流1 500 V 架空接觸網向地鐵電動車組提供牽引電力。
直流牽引供電系統設計最高電壓為1 800 V , 最低為900 V 。將軍澳地鐵延伸線工程全線共設5 座牽引降壓混合變電所,它們分別為KTT 牽引變電所、TKL 牽引變電所、POL 牽引變電所、TIS 牽引變電所和TKOD 牽引變電所。每個牽引變電所設有一組或兩組整流機組,每組整流機組負責提供十二脈波1 500 V 直流電源。整流機組一端通過直流快速斷路器與1 500 V 直流正極母線相連,另一端則直接與負極1 500 V 直流正極母線經過饋線快速斷路器和直流上網隔離開關向接觸網供電。
當牽引供電系統發生故障時,必須迅速及時地清除故障。在該工程中,對于不同的設備,主要采用了下列保護裝置:
① 對整流器裝置的溫度保護、本體保護及框架泄漏保護; ② 對整流器快速斷路器的逆向電流保護和框架泄漏保護; ③ 對饋線快速斷路器的框架泄漏保護、瞬時過流保護、定時限過流保護、熱過負荷保護、電流變化率和電流增量保護等。此外,在兩個不同的牽引變電所之間還設有雙邊聯跳保護。

圖2 　1 500 V 直流牽引供電系統示意圖
4 　屏蔽門( PSD ) 和過電壓保護裝置(OVPD)
　　在將軍澳地鐵延伸線工程中,每個車站的站臺上均設計安裝有屏蔽門,用來防止乘客和地鐵工作人員誤入軌道發生危險;或當區間隧道發生如火災之類的危險情況時,能在一定的時間內保護乘客安全撤離。
另外,為了保證地鐵列車操作人員及乘客不受鋼軌、屏蔽門與大地之間電位差的影響,在站臺板通常敷設一種高介電強度的絕緣材料(一般從站臺邊緣向內延伸覆蓋2 m 的范圍),用于提高站臺的電阻,以使屏蔽門與大地絕緣。當發生事故時(如架空接觸網斷裂落到道床上,或落到貼近鋼軌的部位,甚至與鋼軌接觸,或直接落到屏蔽門上),鋼軌電勢或屏蔽門電勢很大,足以對乘客及地鐵列車操作人員產生危害。這時連接在鋼軌或屏蔽門與大地之間的過電壓保護裝置就會動作,將鋼軌電勢或屏蔽門電勢限制在預定的安全值以下,從而保護乘客和地鐵列車人員的人身安全。
過電壓保護裝置設計安裝在每個車站的屏蔽門設備室或牽引變電所的整流器室中。安裝在屏蔽門設備室的過電壓保護裝置一端與大地相連,另一端與站臺上屏蔽門相連;安裝在牽引變電所整流器室中的過電壓保護裝置亦是一端接地,而另一端則接在鋼軌上。同時,鋼軌與屏蔽門亦在一點處連接,這樣可以減少乘客或列車操作人員遭受到電擊的危險。在正常情況下,打開過電壓保護裝置,將鋼軌或屏蔽門與大地絕緣,當由于故障導致鋼軌電勢或屏蔽門電位升高并超過預定的設置值時,在非常短的時間內,安裝在過電壓保護裝置中的電流電壓傳感器就會啟動,使過電壓保護裝置中的開關閉合,從而將屏蔽門電位或鋼軌電位限制在安全值以下。