城市軌道交通上網(wǎng)及越區(qū)供電方案的優(yōu)化

周才發(fā)，張開(kāi)波

城市軌道交通上網(wǎng)及越區(qū)供電方案的優(yōu)化

周才發(fā)，張開(kāi)波

通過(guò)分析城市軌道交通工程直流牽引供電系統(tǒng)的運(yùn)行方式和發(fā)生故障時(shí)的特點(diǎn)，提出了傳統(tǒng)的接觸網(wǎng)上網(wǎng)及越區(qū)供電方案的不足，并提出新型的優(yōu)化方案：接觸網(wǎng)上網(wǎng)組合開(kāi)關(guān)柜。最后闡述了新型接觸網(wǎng)上網(wǎng)組合開(kāi)關(guān)柜方案在技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、運(yùn)營(yíng)等方面的優(yōu)越性。

上網(wǎng)隔離開(kāi)關(guān)；越區(qū)隔離開(kāi)關(guān)；上網(wǎng)組合開(kāi)關(guān)柜；越區(qū)直流快速斷路器

0 引言

目前，我國(guó)絕大部分城市軌道交通工程牽引直流母線采用單母線接線，正線每座牽引變電所饋出4回DC 1 500 V出線，分別接至接觸網(wǎng)上、下行，并通過(guò)上網(wǎng)隔離開(kāi)關(guān)向接觸網(wǎng)供電，饋線采用直流快速斷路器。直流快速斷路器采用移動(dòng)備用方式，每座牽引變電所設(shè)置 1臺(tái)直流快速斷路器備用手車(chē)。正常運(yùn)行時(shí)，正線相鄰牽引變電所對(duì)其間接觸網(wǎng)實(shí)現(xiàn)雙邊供電；當(dāng)正線任意一座牽引變電所解列時(shí)（端頭牽引變電所除外），由正線相鄰的牽引變電所通過(guò)解列牽引變電所的接觸網(wǎng)越區(qū)隔離開(kāi)關(guān)或DC 1 500 V母線越區(qū)大雙邊供電；當(dāng)端頭牽引變電所解列時(shí)，由相鄰的牽引變電所通過(guò)解列牽引變電所的接觸網(wǎng)越區(qū)隔離開(kāi)關(guān)或DC 1 500 V母線越區(qū)單邊供電。

1 傳統(tǒng)接觸網(wǎng)上網(wǎng)及越區(qū)供電方案的不足

如圖1所示，采用傳統(tǒng)的接觸網(wǎng)上網(wǎng)及越區(qū)隔離開(kāi)關(guān)（上網(wǎng)隔離開(kāi)關(guān)柜或者是直接放在隧道里面的上網(wǎng)、越區(qū)隔離開(kāi)關(guān)），當(dāng)由于整流器及以上故障導(dǎo)致?tīng)恳冸娝?B解列時(shí)，無(wú)需倒閘開(kāi)關(guān)，可以利用直流母線及直流饋線斷路器直接實(shí)現(xiàn)牽引變電所A與牽引變電所C的大雙邊供電。當(dāng)直流母線或直流饋線斷路器發(fā)生故障導(dǎo)致?tīng)恳冸娝鵅解列時(shí)，由于越區(qū)隔離開(kāi)關(guān)不能帶負(fù)荷操作，必須確認(rèn)相鄰的兩個(gè)牽引變電所相應(yīng)的饋線斷路器及越區(qū)隔離開(kāi)關(guān)均在分位的情況下，才能閉合本所的越區(qū)隔離開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)牽引變電所 A與牽引變電所 C向接觸網(wǎng)的大雙邊供電，因涉及的牽引變電所及饋線開(kāi)關(guān)數(shù)量較多，將導(dǎo)致?tīng)恳冸娝?A與牽引變電所C之間約6～8 km的接觸網(wǎng)一段時(shí)間內(nèi)停電，涉及列車(chē)數(shù)量較多，影響范圍較大，給行車(chē)運(yùn)營(yíng)帶來(lái)不利的影響，也給列車(chē)上的乘客帶來(lái)一定的恐慌。同理，當(dāng)牽引變電所 B故障恢復(fù)后，接觸網(wǎng)需由大雙邊改為小雙邊供電時(shí)，也需要將牽引變電所A與牽引變電所C之間的接觸網(wǎng)在一段時(shí)間內(nèi)停電，通過(guò)一系列開(kāi)關(guān)倒閘來(lái)實(shí)現(xiàn)接觸網(wǎng)的正常小雙邊供電。

當(dāng)直流母線或直流饋線斷路器發(fā)生故障導(dǎo)致?tīng)恳冸娝饬袝r(shí)，為保證對(duì)接觸網(wǎng)的不間斷供電，有些運(yùn)營(yíng)公司采用了減少行車(chē)對(duì)數(shù)下的單邊供電，甚至有的運(yùn)營(yíng)公司仍按原來(lái)的行車(chē)對(duì)數(shù)直接單邊供電，即不閉合越區(qū)隔離開(kāi)關(guān)，直接由牽引變電所A、牽引變電所C向2個(gè)牽引所之間的接觸網(wǎng)單邊供電。但在運(yùn)營(yíng)中發(fā)現(xiàn)，為了減少向接觸網(wǎng)供電的直流饋線電纜的敷設(shè)距離，接觸網(wǎng)的上網(wǎng)點(diǎn)采用了在靠近牽引變電所端上網(wǎng)，當(dāng)牽引變電所解列，由左右相鄰的牽引變電所采用單邊供電時(shí)，在解列牽引變電所上網(wǎng)點(diǎn)附件的過(guò)接觸網(wǎng)電分段處拉弧現(xiàn)象嚴(yán)重，甚至出現(xiàn)較大的弧光造成接觸網(wǎng)與列車(chē)頂部發(fā)生短路，導(dǎo)致變電所直流饋線斷路器跳閘，從而人為原因?qū)е陆佑|網(wǎng)停電，中斷運(yùn)營(yíng)。經(jīng)過(guò)分析，得出的結(jié)論是：由于解列牽引變電所上網(wǎng)點(diǎn)的接觸網(wǎng)電分段處離兩側(cè)的直流電源較遠(yuǎn)，列車(chē)電分段處一側(cè)起動(dòng)或制動(dòng)時(shí)，大的起動(dòng)電流或制動(dòng)時(shí)的再生電流會(huì)造成電分段處兩側(cè)的直流電壓差較大，從而導(dǎo)致列車(chē)受電弓在過(guò)電分段時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)烈的拉弧現(xiàn)象。

圖1 采用傳統(tǒng)上網(wǎng)及越區(qū)供電方案的直流牽引供電系統(tǒng)圖

由上述可知，當(dāng)直流母線或直流饋線斷路器發(fā)生故障導(dǎo)致?tīng)恳冸娝饬袝r(shí)，要么短時(shí)間內(nèi)接觸網(wǎng)停電，通過(guò)倒閘相關(guān)斷路器及越區(qū)隔離開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)大雙邊供電；要么減少行車(chē)對(duì)數(shù)，并犧牲受電弓及接觸網(wǎng)的壽命、甚至冒著有可能引發(fā)故障導(dǎo)致中斷運(yùn)營(yíng)的危險(xiǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)接觸網(wǎng)不間斷的單邊供電。這都給地鐵線路長(zhǎng)期可靠運(yùn)營(yíng)帶來(lái)不利影響。

總之，傳統(tǒng)的接觸網(wǎng)上網(wǎng)及越區(qū)隔離開(kāi)關(guān)方案給城市軌道交通工程長(zhǎng)期安全可靠運(yùn)營(yíng)帶來(lái)一定的安全隱患，已經(jīng)不能滿足越來(lái)越高的安全可靠運(yùn)營(yíng)的要求。針對(duì)傳統(tǒng)的接觸網(wǎng)上網(wǎng)及越區(qū)隔離開(kāi)關(guān)裝置，從運(yùn)營(yíng)安全可靠、便于施工安裝及運(yùn)營(yíng)維護(hù)的角度，筆者提出了一種新型的接觸網(wǎng)上網(wǎng)組合開(kāi)關(guān)柜，實(shí)現(xiàn)向接觸網(wǎng)供電方案的優(yōu)化。

2 新型接觸網(wǎng)上網(wǎng)組合開(kāi)關(guān)柜方案

如圖2所示，新型的接觸網(wǎng)上網(wǎng)組合開(kāi)關(guān)柜是由2個(gè)上網(wǎng)隔離開(kāi)關(guān)和1個(gè)越區(qū)直流快速斷路器組成，并將其集成在一個(gè)組合柜體中。

采用新型的接觸網(wǎng)上網(wǎng)組合開(kāi)關(guān)柜方案后，當(dāng)由于整流器及以上故障導(dǎo)致?tīng)恳冸娝鵅解列時(shí)，可以與傳統(tǒng)的方式一樣，無(wú)需倒閘開(kāi)關(guān)，利用直流母線及直流饋線斷路器直接實(shí)現(xiàn)牽引變電所 A與牽引變電所 C向接觸網(wǎng)的大雙邊供電。當(dāng)直流母線或直流饋線斷路器發(fā)生故障導(dǎo)致?tīng)恳冸娝?B解列時(shí)，無(wú)需先將牽引變電所 A與牽引變電所 C之間的接觸網(wǎng)停電，可直接合閘該組合開(kāi)關(guān)柜中的越區(qū)直流快速斷路器，實(shí)現(xiàn)相鄰牽引變電所的大雙邊供電，也實(shí)現(xiàn)了接觸網(wǎng)不停電運(yùn)行方式的轉(zhuǎn)換。

同理，采用該組合開(kāi)關(guān)柜后，牽引變電所故障恢復(fù)后，也無(wú)需先將牽引變電所A與牽引變電所C之間的接觸網(wǎng)停電，可直接分閘該組合開(kāi)關(guān)柜中的越區(qū)直流快速斷路器，退出由2個(gè)相鄰牽引變電所向接觸網(wǎng)的大雙邊供電，實(shí)現(xiàn)正常的小雙邊供電，也實(shí)現(xiàn)了接觸網(wǎng)不停電運(yùn)行方式的轉(zhuǎn)換。

由上述可知，采用新型的接觸網(wǎng)上網(wǎng)組合開(kāi)關(guān)柜后，可以很方便的實(shí)現(xiàn)接觸網(wǎng)大雙邊與小雙邊供電方式之間的轉(zhuǎn)換，且接觸網(wǎng)不用停電，接觸網(wǎng)也無(wú)需采用減少行車(chē)對(duì)數(shù)下的單邊供電的模式，保證了列車(chē)安全穩(wěn)定的運(yùn)行。

采用新型接觸網(wǎng)上網(wǎng)組合開(kāi)關(guān)柜后，無(wú)需再采用單邊供電的模式，且接觸網(wǎng)電分段位置均可設(shè)置在距離牽引變電所較近的位置，減少接觸網(wǎng)上網(wǎng)電纜的長(zhǎng)度，節(jié)省工程投資，也可以提高供電系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)的可靠性。當(dāng)采用小雙邊供電模式時(shí)，由于在靠近牽引變電所端上網(wǎng)，接觸網(wǎng)電分段的兩側(cè)離本所的直流母線很近，相當(dāng)于電分段的兩側(cè)直接通過(guò)本所的直流母線短接，即使在電分段處，有列車(chē)啟動(dòng)或制動(dòng)，也不會(huì)出現(xiàn)明顯的拉??；當(dāng)采用大雙邊供電模式時(shí)，接觸網(wǎng)電分段的兩側(cè)直接通過(guò)越區(qū)直流快速斷路器短接，列車(chē)在過(guò)電分段處時(shí)也不會(huì)出現(xiàn)明顯的拉弧。通過(guò)幾條城市軌道交通工程的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研及設(shè)計(jì)回訪，也證明了上述分析是正確的。

圖2 采用上網(wǎng)組合開(kāi)關(guān)柜的直流牽引供電系統(tǒng)圖

3 優(yōu)化方案的優(yōu)點(diǎn)

（1）優(yōu)化方案與傳統(tǒng)方案相比，接線簡(jiǎn)單，可靠性更高，運(yùn)營(yíng)更加靈活，可以很方便的實(shí)現(xiàn)大雙邊與小雙邊供電之間的轉(zhuǎn)換，且接觸網(wǎng)不用短時(shí)停電，保證了向列車(chē)持續(xù)提供安全、穩(wěn)定、可靠的電源。

（2）采用優(yōu)化方案后，可取消常規(guī)越區(qū)隔離開(kāi)關(guān)與相鄰牽引所相應(yīng)直流饋線斷路器之間的閉鎖關(guān)系，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)，牽引變電所之間的直流聯(lián)跳電纜的芯數(shù)可大大減少，節(jié)省工程投資。

（3）采用優(yōu)化方案后，接觸網(wǎng)可以在靠近牽引變電所的位置上網(wǎng)，與常規(guī)一定要求在車(chē)站進(jìn)站端上網(wǎng)相比，可大幅節(jié)省直流饋線上網(wǎng)電纜的數(shù)量，節(jié)省工程投資。以一個(gè)長(zhǎng)200 m的標(biāo)準(zhǔn)站來(lái)計(jì)算，考慮每回直流饋線上網(wǎng)電纜的截面及根數(shù)為5×1×400 mm2?？晒?jié)省400 mm2的直流饋線上網(wǎng)電纜的長(zhǎng)度約為0.2×5×2 = 2 km，直流電纜按30萬(wàn)/km計(jì)算，可以節(jié)約直流電纜投資費(fèi)用約60萬(wàn)元。實(shí)際工程中，直流饋線電纜也是故障率較大的地方，減少直流饋線電纜的長(zhǎng)度，直流牽引供電的可靠性也相應(yīng)得到了提高。

（4）采用優(yōu)化方案后，越區(qū)直流快速斷路器的型號(hào)規(guī)格如果與牽引變電所的直流進(jìn)線、饋線快速斷路器的型號(hào)規(guī)格一致，可以考慮取消每個(gè)牽引所備用的直流快速斷路器手車(chē)。由于越區(qū)直流快速斷路器與直流進(jìn)線、饋線快速斷路器在任何運(yùn)行方式下，可以不需要同時(shí)工作，加上直流快速斷路器本身的故障率比較小，越區(qū)直流快速斷路器可以與直流進(jìn)線、饋線快速斷路器間實(shí)現(xiàn)互為備用。

（5）經(jīng)過(guò)調(diào)研相關(guān)廠家，新型的接觸網(wǎng)上網(wǎng)組合開(kāi)關(guān)柜柜型尺寸為：（寬×深×高）

1 500 mm×1 700 mm×2 300 mm，價(jià)格大約為50萬(wàn)元。傳統(tǒng)的接觸網(wǎng)上網(wǎng)及越區(qū)隔離開(kāi)關(guān)（3臺(tái)）大約10萬(wàn)元/套，經(jīng)過(guò)估算，采用優(yōu)化方案與傳統(tǒng)方案相比，總的投資不會(huì)增加。

4 結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)各城市投入運(yùn)營(yíng)的軌道交通線路越來(lái)越多，大部分城市已經(jīng)成網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營(yíng)。城市軌道交通作為城市公共客運(yùn)系統(tǒng)的大型基礎(chǔ)設(shè)施，具有高效、環(huán)保、準(zhǔn)時(shí)、站點(diǎn)密集等特點(diǎn)，越來(lái)越得到社會(huì)各界認(rèn)可，逐步成為城市公共客運(yùn)系統(tǒng)的骨干，承擔(dān)的交通壓力很大。

如某一重要線路因供電中斷而出現(xiàn)停運(yùn)時(shí)，勢(shì)必導(dǎo)致相關(guān)線路運(yùn)輸能力的下降或城市地面公共交通系統(tǒng)短時(shí)間內(nèi)運(yùn)輸壓力驟增，造成一定的間接經(jīng)濟(jì)損失和不良社會(huì)影響。

綜上所述，優(yōu)化方案在基本沒(méi)有增加投資的前提下，大幅提高了直流牽引供電的安全可靠性，實(shí)現(xiàn)了接觸網(wǎng)運(yùn)行方式轉(zhuǎn)換時(shí)的不停電需求，可有效地提高城市軌道交通工程運(yùn)營(yíng)的靈活性，也便于施工安裝、運(yùn)營(yíng)管理與維護(hù)，有很好的實(shí)用性，可廣泛應(yīng)用于目前各城市軌道交通工程的建設(shè)中。

[1] GB 50157-2003 地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范[S]．北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2003.

[2] GB/T50062-2008 電力裝置的繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置設(shè)計(jì)規(guī)范[S]．北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2009.

[3] 中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司．成都地鐵4號(hào)線一期工程初步設(shè)計(jì)文件[R]．成都，2013.

[4] 黃德勝，張魏．地下鐵道供電[M]．北京：中國(guó)電力出版社，2009.

On the basis of analyzing the operation mode and characteristics of failure of DC traction power supply system of urban rail transit, points out the disadvantages of traditional feeder connection with OCS and over-zone power supply scheme, and puts forward the new optimized scheme of GIS feeder connection with OCS. And it illustrates the technical, economical and operational advantages of new GIS scheme for feeder connection with OCS.

Disconnector for feeder connection with OCS; over-zone disconnector; GIS for feeder connection with OCS; over-zone DC quick break circuit-breaker

U231.8

：B

：1007-936X(2015)04-0041-03

2014-11-20

周才發(fā).中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，高級(jí)工程師，電話：13693443761；

張開(kāi)波.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，高級(jí)工程師。