軌道交通牽引網(wǎng)電源備用方式研究

肖志強(qiáng)

（中國(guó)鐵路總公司工程設(shè)計(jì)鑒定中心高級(jí)工程師，北京100844）

軌道交通牽引網(wǎng)電源備用方式研究

肖志強(qiáng)

（中國(guó)鐵路總公司工程設(shè)計(jì)鑒定中心高級(jí)工程師，北京100844）

回顧我國(guó)軌道交通系統(tǒng)的發(fā)展歷史，分析牽引變電所電源備用方式，認(rèn)為結(jié)合目前各種軌道交通運(yùn)輸?shù)奶攸c(diǎn)及外部條件等，對(duì)于部分運(yùn)量較小的貨運(yùn)支線、專用線等非繁忙貨運(yùn)鐵路及低等級(jí)鐵路,《鐵路技術(shù)管理規(guī)程》要求過(guò)高；牽引變電所兩路電源供電不是滿足《鐵路技術(shù)管理規(guī)程》要求的唯一途徑，為達(dá)該目的采用何種方案應(yīng)由設(shè)計(jì)者根據(jù)具體外部條件，通過(guò)建設(shè)和運(yùn)營(yíng)成本的經(jīng)濟(jì)及技術(shù)比較確定。

鐵路；電氣化；電源；變壓器；備用方式

0 引言

自1961年我國(guó)第一條電氣化鐵路寶成線寶雞至鳳州段開(kāi)通運(yùn)營(yíng)以來(lái)，電氣化鐵路經(jīng)歷了從山區(qū)到平原、從普速到高速的發(fā)展歷程，無(wú)論是數(shù)量還是質(zhì)量，如今都躍居世界前列。電氣化鐵路通過(guò)牽引供電系統(tǒng)向電力機(jī)車提供能量，供電系統(tǒng)的可靠性關(guān)系到電氣化鐵路運(yùn)輸?shù)目煽啃?，一旦停電，鐵路就要陷于癱瘓，導(dǎo)致運(yùn)輸組織混亂，造成一定的國(guó)民經(jīng)濟(jì)損失。

向電氣化鐵路供電的牽引供電系統(tǒng)包括牽引變電所外部電源、牽引變電所、牽引網(wǎng)三部分。影響牽引供電系統(tǒng)可靠性的因素很多，總體說(shuō)來(lái)主要包括牽引網(wǎng)的可靠性、外部電源可靠性及牽引變電變壓器備用方式。牽引網(wǎng)可靠性國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究[1,2,3]，本文不作重點(diǎn)論述。本文從我國(guó)軌道交通系統(tǒng)（“軌道交通”指采用單相工頻25 kV供電制的電氣化鐵路及采用直流供電制的城市軌道交通鐵路，不含礦山鐵路等）牽引變電所外部電源和牽引變壓器的備用方式的發(fā)展歷程進(jìn)行分析，對(duì)軌道交通牽引網(wǎng)電源備用方式進(jìn)行研究。

就對(duì)供電可靠性的要求而言，可將地鐵牽引變電所外部電源和牽引變壓器的備用方式的要求等價(jià)于高速鐵路。目前設(shè)計(jì)中所執(zhí)行的規(guī)定主要有：高速及普速《鐵路技術(shù)管理規(guī)程》（以下簡(jiǎn)稱〈技規(guī)〉）[4,5]均規(guī)定“牽引供電設(shè)備應(yīng)保證不間斷行車可靠供電”，“牽引變電所須具備雙電源、雙回路受電。牽引變壓器采用固定備用方式并具備自動(dòng)投切功能。當(dāng)一個(gè)牽引變電所停電時(shí)，相鄰的牽引變電所能越區(qū)供電”；高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范[6]規(guī)定“電力牽引應(yīng)為一級(jí)負(fù)荷，牽引變電所應(yīng)有兩回獨(dú)立進(jìn)線，并互為熱備用”；普速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范[7]規(guī)定“電力牽引應(yīng)為一級(jí)負(fù)荷，牽引變電所應(yīng)有兩路電源供電，當(dāng)任一路故障時(shí)，另一路仍應(yīng)正常供電”；地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范[8]規(guī)定“牽引用電負(fù)荷應(yīng)為一級(jí)負(fù)荷”，“一級(jí)負(fù)荷必須采用雙電源雙回線路供電”。地鐵主變電所采用雙回電源，中壓網(wǎng)絡(luò)采用雙環(huán)網(wǎng)，劃分為若干供電分區(qū)同時(shí)為數(shù)座牽引變電所（降壓所）提供兩回電源，對(duì)相鄰牽引變電所（降壓所）而言，兩路電源環(huán)進(jìn)環(huán)出、互相關(guān)聯(lián)，非真正意義上的兩路獨(dú)立電源。另外，牽引變電所采用分段接線，設(shè)置兩套等容的整流機(jī)組，由同一段母線供電，并聯(lián)運(yùn)行，當(dāng)其中一套整流機(jī)組退出運(yùn)行時(shí)，該牽引變電所全部整流機(jī)組退出運(yùn)行，由鄰所提供該所供電范圍牽引網(wǎng)的電源?？梢?jiàn)，根據(jù)可靠性要求可知，牽引變電所須具備雙電源、雙回路受電。牽引變壓器采用固定備用方式不是滿足供電可靠性要求的唯一途徑。作為《技規(guī)》及設(shè)計(jì)規(guī)范不應(yīng)把其他全部路徑堵死；為達(dá)到供電可靠性的目的采用何種方案應(yīng)由設(shè)計(jì)者根據(jù)具體外部條件，通過(guò)建設(shè)和運(yùn)營(yíng)成本的經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較確定。

1 牽引網(wǎng)故障

接觸網(wǎng)失電是間斷電氣化鐵路運(yùn)輸?shù)脑蛑籟9]。外部電源、供變電設(shè)備、接觸網(wǎng)系統(tǒng)的正常維修及意外故障均可引起停電。一般情況下，外部電源、供變電設(shè)備需停電正常維修的時(shí)間不超過(guò)16 h/年，意外故障亦不多見(jiàn)。由于牽引網(wǎng)沿鐵路線路露天（路橋區(qū)段）架設(shè)、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工作條件差、環(huán)境惡劣且無(wú)備用，其故障率最高，影響供電可靠性的因素較多且復(fù)雜[1]。在接觸網(wǎng)零部件、線材和施工技術(shù)水平已經(jīng)確定且扣除意外災(zāi)害的情況下，其供電可靠性主要取決于后期的運(yùn)營(yíng)維護(hù)：正常維修時(shí)間普速鐵路一般為2 h/天，客運(yùn)專線一般為4~6 h/天。因接觸網(wǎng)系統(tǒng)意外故障造成停電的概率也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于外部電源、供變電設(shè)備的停電概率?？梢?jiàn)影響電氣化鐵路運(yùn)行的，絕大部分是接觸網(wǎng)故障，因外部電源及牽引變壓器故障而停電的情況不多。

2 牽引變電所電源備用方式及分類

按牽引變電所在一路電源或一套電源設(shè)備（指變壓器或整流機(jī)組等）退出運(yùn)行時(shí)，備用電源或設(shè)備投入運(yùn)行后的供電能力進(jìn)行劃分，供電能力降低，只能滿足部分運(yùn)輸組織供電需要的稱為電源部分備用方式；供電能力全部滿足正常運(yùn)輸組織供電需要的稱為電源完全備用方式。

2.1 電源部分備用方式

是指牽引變電所接引一路外部電源、所內(nèi)設(shè)置一套變電設(shè)備供電。當(dāng)外部電源停電或變壓器不能運(yùn)行時(shí)，供電能力降低至不滿足正常運(yùn)輸組織的供電需要、甚至停車。

2.2 電源完全備用方式

是指一路外部電源停電或一套變電設(shè)備不能運(yùn)行時(shí)，由備用電源或備用變電設(shè)備供電，保證正常運(yùn)輸組織的供電需要。按安裝位置，可分為本所同地備用和鄰所異地備用兩種。

2.2.1 本所同地備用

牽引變電所接引兩路獨(dú)立的外部電源，設(shè)置兩套獨(dú)立的變電設(shè)備供電；當(dāng)任何一路電源停電或一套變電設(shè)備不能運(yùn)行時(shí)，設(shè)置在本所的備用設(shè)施投入運(yùn)行。變壓器備用方式又有固定和移動(dòng)備用兩種方式。在我國(guó)采用單相工頻25 kV供電制的交流電氣化鐵路中，除早期開(kāi)通的寶成、陽(yáng)安和襄渝等線曾經(jīng)采用過(guò)移動(dòng)變壓器備用方式外，目前運(yùn)行的干線電氣化鐵路已全部采用本所同地、變壓器固定備用方式。

2.2.2 鄰所異地備用

當(dāng)牽引變電所的電源或變電設(shè)備不能供電時(shí)，由鄰所實(shí)行越區(qū)供電，越區(qū)供電能力滿足正常運(yùn)輸組織的供電需要。我國(guó)采用直流供電制的城市軌道交通系統(tǒng)中均采用該方式。

3 牽引變電所電源備用方式的發(fā)展

3.1 牽引變電所電源備用方式的歷史回顧

我國(guó)電氣化鐵路經(jīng)歷了從山區(qū)到平原的發(fā)展歷程。山區(qū)鐵路的牽引變電所所址選擇困難、場(chǎng)坪處理投資大、交通不便，由此引起管理困難，值班員生活艱苦，故在建設(shè)時(shí)考慮盡量減少牽引變電所的數(shù)量，盡量降低工程投資和運(yùn)行成本。

3.1.1 電源完全備用方式

我國(guó)早期建設(shè)的交流電氣化鐵路均為客貨混跑線路，故國(guó)鐵II級(jí)及以上的設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定“鐵路電力牽引供電系統(tǒng)為一級(jí)負(fù)荷，牽引變電所應(yīng)有兩路電源供電，當(dāng)任一路故障時(shí)，另一路仍應(yīng)正常供電”。鑒于我國(guó)早期建設(shè)的交流電氣化鐵路及城市軌道交通鐵路均有旅客列車的運(yùn)行，采用電源完全備用方式是合理的。

3.1.2 牽引變壓器移動(dòng)備用方式

牽引變壓器移動(dòng)備用是指牽引變電所內(nèi)設(shè)置兩臺(tái)牽引變壓器并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，容量滿足正常運(yùn)輸組織的需要。在供電段內(nèi)集中設(shè)置兩臺(tái)移動(dòng)變壓器安放于平板車上，設(shè)有專用的鐵路岔線。備用變壓器必須滿足與任何一臺(tái)運(yùn)行變壓器并聯(lián)運(yùn)行三條件，即接線類型相同、變比相同、容量相近。

早期建設(shè)的寶成、陽(yáng)安和襄渝等線均為山區(qū)鐵路，變壓器運(yùn)輸困難，采取了“化整為零”的方式。且部分牽引變電所不具備公路引入條件，設(shè)備運(yùn)輸必須使用專用岔線，這也為移動(dòng)備用創(chuàng)造了條件。曾經(jīng)采用移動(dòng)備用變壓器方式的鐵路，在相應(yīng)的擴(kuò)能改造時(shí)已逐步改為固定備用。

變壓器發(fā)生故障時(shí)，移動(dòng)變壓器車的接入往往需要數(shù)小時(shí)，影響鐵路運(yùn)輸；此外，設(shè)置的專用岔線不僅造成牽引變電所場(chǎng)址選擇困難，還引起場(chǎng)地面積和土方量的增加，由此造成的損失及增加的投資常遠(yuǎn)大于增加變壓器的投資。目前普速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范[7]規(guī)定：牽引變電所應(yīng)設(shè)兩臺(tái)（組）牽引變壓器，一臺(tái)（組）運(yùn)行，另一臺(tái)（組）備用。每臺(tái)（組）牽引變壓器容量應(yīng)能承擔(dān)全所最大負(fù)荷。目前運(yùn)行的電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)中，牽引變壓器移動(dòng)備用方式已被淘汰。

3.2 牽引變電所電源備用方式現(xiàn)狀

3.2.1 交流電氣化鐵路

我國(guó)第一條電氣化鐵路選擇本所同地備用方式，并延續(xù)至今。目前我國(guó)已經(jīng)開(kāi)通7萬(wàn)km電氣化鐵路，均采用牽引變電所電源完全備用方式。

3.2.2 直流城市軌道交通鐵路

城市軌道交通系統(tǒng)的牽引變電所也是接引兩路電源，設(shè)置兩套等容的整流機(jī)組供電。硬件的設(shè)置與本所同地備用方式相似，其運(yùn)行方式不同：兩套機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行，當(dāng)其中一套機(jī)組退出運(yùn)行時(shí)，該牽引變電所退出運(yùn)行，由鄰所實(shí)行越區(qū)供電，其本質(zhì)屬鄰所異地備用方式。原因如下：1）早期開(kāi)通的城市軌道交通系統(tǒng)牽引變電所大部分設(shè)置在地下，整流機(jī)組體積過(guò)大，地下搬運(yùn)困難或增加土石開(kāi)挖工作量，采取了降低單臺(tái)機(jī)組容量的方式減小機(jī)組的外形尺寸。2）兩套機(jī)組并聯(lián)較單套機(jī)組運(yùn)行產(chǎn)生的諧波電流小。鑒于外部條件變化，《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》[8]增加了“牽引變電所中一套牽引整流機(jī)組退出運(yùn)行時(shí)，另一套牽引整流機(jī)組具備運(yùn)行條件時(shí)不應(yīng)退出運(yùn)行”；運(yùn)行條件包括：機(jī)組過(guò)負(fù)荷滿足要求，諧波含量滿足要求，不影響故障機(jī)組的檢修。

3.3 小結(jié)

在當(dāng)時(shí)的外部環(huán)境下，從工程投資和運(yùn)行成本綜合分析牽引變電所電源備用方式均為正確的抉擇：早期開(kāi)通的交流電氣化鐵路采用本所同地備用方式、個(gè)別鐵路采用移動(dòng)變壓器備用方式、城市軌道交通鐵路采用鄰所異地備用方式。

4 牽引網(wǎng)電源備用方式的應(yīng)用分析

客運(yùn)列車失電，照明及空調(diào)等設(shè)備不能正常運(yùn)行，將大大降低旅客的舒適度。貨物列車失電，導(dǎo)致運(yùn)輸組織混亂，將造成一定的經(jīng)濟(jì)損失。結(jié)合各種軌道交通運(yùn)輸?shù)奶攸c(diǎn)及外部條件，現(xiàn)對(duì)目前軌道交通牽引網(wǎng)電源備用方式進(jìn)行分析。

4.1 非繁忙干線貨運(yùn)鐵路及低等級(jí)鐵路可采用部分備用方式

非繁忙干線貨運(yùn)鐵路及低等級(jí)鐵路如果滿足：1）無(wú)客運(yùn)列車運(yùn)行；2）貨運(yùn)量??；3）對(duì)干線鐵路的運(yùn)輸組織無(wú)重大影響，建議采用部分備用。

例如：我國(guó)西部某鐵礦廠擬修建一條92 km的專用線與干線鐵路接軌，距接軌站約20 km處有一大型鋼廠。鐵礦廠開(kāi)采礦石的日產(chǎn)量約4萬(wàn)t，鋼廠的日需求量約3萬(wàn)t。牽引質(zhì)量4 000 t；礦廠日裝10車，其中8車運(yùn)至鋼廠，2車運(yùn)至干線鐵路。線路坡度是重車下坡。筆者認(rèn)為該線的供電方案為：采用帶回流線的直接供電方式，新建2座牽引變電所，各牽引變電所采用一路電源進(jìn)線、設(shè)置一臺(tái)變壓器供電。理由如下：1）無(wú)客運(yùn)列車運(yùn)行，停運(yùn)不會(huì)造成惡劣的社會(huì)影響；2）在一座牽引變電所停電、另一座牽引變電所越區(qū)供電的情況下，系統(tǒng)具備日開(kāi)行7~9對(duì)列車的供電能力；3）鋼廠具有較大的儲(chǔ)料場(chǎng)，即使全線停運(yùn)也不會(huì)造成鋼廠停產(chǎn)；4）每日只有2車進(jìn)入干線鐵路，且所接入的干線鐵路不是一條繁忙干線，不會(huì)對(duì)所銜接干線鐵路的運(yùn)輸組織造成重大影響；5）方案較兩路電源進(jìn)線、設(shè)置兩臺(tái)變壓器方案的投資約少6 000萬(wàn)元。

4.2 鐵路樞紐地區(qū)可采用鄰所異地備用方式

從電源上保證供電的可靠性很有必要，各牽引變電所均采用兩路電源供電不是唯一的措施。在鐵路樞紐地區(qū)，鄰所異地備用屬電源完全備用方式，技術(shù)可行，在經(jīng)濟(jì)合理的情況下可以采用。

4.2.1 鄭州樞紐高速（或城際）鐵路供電系統(tǒng)

在京廣高速鐵路工程中已建成鄭州東站，設(shè)徐蘭、城際、京廣三場(chǎng)，并有動(dòng)車運(yùn)用所一處；京廣、徐蘭、鄭開(kāi)等鐵路引入。從鄭州東向南在建車站依次有大關(guān)莊、鄭州南；大關(guān)莊站為越行站，鄭州南站設(shè)鄭萬(wàn)、鄭合、城際三場(chǎng)，預(yù)留建設(shè)動(dòng)車基地條件。

鄭州東站設(shè)有1座牽引變電所，向徐蘭、城際、京廣線供電，動(dòng)車運(yùn)用所設(shè)有開(kāi)閉所供電；鄭州在建的有大關(guān)莊、鄭州南牽引變電所。3座牽引變電所均采用兩路220 kV電源供電，2×25 kV開(kāi)關(guān)設(shè)備采用六氟化硫氣體絕緣開(kāi)關(guān)柜（簡(jiǎn)稱GIS）。鄭州東和鄭州南2座牽引變電所完全可以滿足正常供電需要，大關(guān)莊牽引變電所是鄭州東和鄭州南的備用所。

造成一座牽引變電所全所停電的幾種可能性如下：1）GIS意外故障；2）一路220 kV電源正常檢修時(shí)，另外一路發(fā)生故障；3）區(qū)域性電網(wǎng)癱瘓（如2008年南方雪災(zāi)）；4）遭受雷擊等其他不可預(yù)見(jiàn)因素。綜上分析，造成一座牽引變電所全所停電的概率很低。

在不降低供電可靠性的前提下，筆者認(rèn)為：鄭州樞紐高速（或城際）鐵路供電系統(tǒng)設(shè)置鄭州東、大關(guān)莊和鄭州南3座一路電源、一臺(tái)變壓器的牽引變電所即可。鄭州東和鄭州南作為主供變電所，在不考慮2座牽引變電所同時(shí)故障的情況下，任何一座牽引變電所停電，大關(guān)莊牽引變電所投入運(yùn)行，變電所的供電能力可保證正常運(yùn)輸組織的需要。

4.2.2 北京樞紐供電系統(tǒng)

目前規(guī)劃的北京至唐山、北京至天津?yàn)I海新區(qū)城際鐵路，引入北京樞紐的方案是近期起點(diǎn)在新建的北京城市副中心站，遠(yuǎn)期預(yù)留引入北京站條件。北京站至北京城市副中心站的線路長(zhǎng)度約20 km，動(dòng)車運(yùn)用所位于唐山方向距北京城市副中心站約20 km。因北京站至北京城市副中心站間改造或新建牽引變電所都比較困難，在北京城市副中心站附近新建一座牽引變電所是必要的；動(dòng)車運(yùn)用所也需要至少一路獨(dú)立電源供電，而附近的牽引供電設(shè)施不具備此條件，新建動(dòng)車運(yùn)用所牽引變電所也是必要的；2座牽引變電所間距20 km，其中一座全所停電，相鄰的牽引變電所越區(qū)供電，完全可以滿足該區(qū)段正常運(yùn)輸組織的需要。這2座牽引變電所采用一路電源供電、設(shè)置一臺(tái)牽引變壓器是經(jīng)濟(jì)合理的。

5 建議

通過(guò)牽引變電所電源備用方式的歷史回顧，結(jié)合各站軌道交通運(yùn)輸?shù)奶攸c(diǎn)及外部條件的不同，對(duì)目前軌道交通牽引網(wǎng)電源備用方式提出如下建議。

1）非繁忙干線貨運(yùn)鐵路及低等級(jí)鐵路滿足如下條件，建議采用部分備用。（1）無(wú)客運(yùn)列車運(yùn)行；（2）貨運(yùn)量低于國(guó)鐵Ⅱ級(jí)鐵路的貨運(yùn)量；（3）解除故障運(yùn)行方式后，具有快速疏散積壓列車的能力，同時(shí)對(duì)所銜接干線鐵路的運(yùn)輸組織無(wú)重大影響。

2）繁忙干線及客運(yùn)專線盡可能向接觸網(wǎng)不間斷供電、且供電能力應(yīng)保證正常運(yùn)輸組織的需要是有必要的；為達(dá)同一目的，實(shí)現(xiàn)途徑可能有多種。在鐵路樞紐地區(qū)引入電源困難的情況下，根據(jù)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選，可采用鄰所異地備用方式。

3）《技規(guī)》和設(shè)計(jì)規(guī)范均要求牽引變電所須具備雙電源、雙回路受電，牽引變壓器采用固定備用方式并具備自動(dòng)投切功能。無(wú)論采用部分備用，還是采用鄰所異地備用方式，與現(xiàn)行的規(guī)定均不相符。建議對(duì)相關(guān)規(guī)程規(guī)范進(jìn)行修改，為牽引電源的備用方式開(kāi)辟一條新的路徑。

[1]張衛(wèi)東,賀威俊.電力牽引接觸網(wǎng)系統(tǒng)可靠性模型研究[J].鐵道學(xué)報(bào),1993,15(1):31-38

[2]萬(wàn)毅,鄧斌,李慧杰,等.基于FTA的接觸網(wǎng)系統(tǒng)可靠性研究[J].鐵道工程學(xué)報(bào),2005(6):56-59

[3]萬(wàn)毅.基于RBFNN的接觸網(wǎng)系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)方法的研究[D].成都:西南交通大學(xué),2006:86-93

[4]中國(guó)鐵路總公司.鐵路技術(shù)管理規(guī)程（普速鐵路部分）[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2014

[5]中國(guó)鐵路總公司.鐵路技術(shù)管理規(guī)程（高速鐵路部分）[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2014

[6]國(guó)家鐵路局.TB 10621—2014高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)鐵道出版社，2014

[7]國(guó)家鐵路局.TB 10009—2016鐵路電力牽引供電設(shè)計(jì)規(guī)范[S]

[8]建設(shè)部.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

[9]中國(guó)鐵路總公司.供電工作會(huì)議資料匯編[G]

（責(zé)任編輯：魏艷紅）

Research on the Standby Mode of Railway Traction Power System

XIAO Zhiqiang
（China Railway Corporation Engineering Design Appraisal Center,Senior Engineer,Beijing 100844,China）

Based on the review of China's railway history and combined with current variety of railway transportation characteristics and external conditions,this article proposes the following two points.First,for some freight branch lines and private lines which volume is small,the requirements of'RRTM'are too high.Second,double-way power supplies for traction substation is not the only choice to meet the"RRTM"requirements,as the design code should not block all the other paths.The final plan is based on the economic costs of construction and operation evaluation.

railway;electric;power;transformer;standby mode

A

：1004-9746（2016）06-0030-04

2016-10-20）