城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)主接線設(shè)計(jì)分析

天津東方凱發(fā)電氣自動(dòng)化技術(shù)有限公司 胡 蓉

天津凱發(fā)電氣股份有限公司 閆兆輝

城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)主接線設(shè)計(jì)分析

天津東方凱發(fā)電氣自動(dòng)化技術(shù)有限公司 胡 蓉

天津凱發(fā)電氣股份有限公司 閆兆輝

本文首先對(duì)城軌牽引供電系統(tǒng)進(jìn)行了簡(jiǎn)要概述，并從增加備用母線、增設(shè)備用移動(dòng)小車、雙母線系統(tǒng)與單母線系統(tǒng)方案對(duì)比三個(gè)角度出發(fā)，對(duì)牽引直流主接線形式展開了探討，最后以正常運(yùn)行投切、故障切除動(dòng)作、直流斷路器與電動(dòng)隔離開關(guān)方案對(duì)比三個(gè)方面為出發(fā)點(diǎn)，對(duì)直流進(jìn)線開關(guān)設(shè)置進(jìn)行了分析，以供參考。

城市軌道交通；牽引供電系統(tǒng)；主接線設(shè)計(jì)

一、城軌牽引供電系統(tǒng)

從整體上來看，牽引網(wǎng)、牽引變電所共同構(gòu)成了牽引供電系統(tǒng)，該系統(tǒng)運(yùn)行中，可以通過整流和降壓，促使直流1500V 或直流750V取代原有的交流中壓電，從而將牽引供電提供給電動(dòng)列車。牽引變電所運(yùn)行中能夠?qū)㈦娔茌斔统鰜?，電?dòng)車組需要利用接觸網(wǎng)和饋電線來接收電能，并在對(duì)負(fù)饋電線、回流線、走行軌進(jìn)行應(yīng)用的過程中，生成牽引供電回路，將電能傳送到牽引變電所[1]。在整個(gè)牽引供電系統(tǒng)中，牽引變電所處于核心地位，其共擁有兩部分主接線：分別為牽引直流側(cè)和中壓交流側(cè)，牽引變電所、城軌交通供電系統(tǒng)在運(yùn)行過程中是否擁有較強(qiáng)的靈活性和可靠性與各部分接線方式具有直接聯(lián)系，與此同時(shí)各部分接線方式還將對(duì)繼電保護(hù)、控制方式、配電裝置布置以及電氣設(shè)備選擇等產(chǎn)生直接影響。所以，必須合理把握各環(huán)節(jié)關(guān)系，從全局出發(fā)對(duì)影響系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性的因素進(jìn)行分析，并在技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)主接線的優(yōu)化。

二、牽引直流主接線形式

單母線接線通常為牽引變電所主接線直流部分的接線形式，這是根據(jù)城軌交通牽引負(fù)荷特點(diǎn)而確定的，其中擁有兩種直流斷路器備用方式。

（一）增加備用母線

第一，備用母線、工作母線是直流母線的重要組成部分，應(yīng)將斷路器設(shè)置于2條母線之間，其運(yùn)行中可以對(duì)任何一路4路饋線開關(guān)進(jìn)行取代，近年來我國大型城市地鐵都使用這一接線方式，如北京等。

第二，將1臺(tái)縱向電動(dòng)隔離開關(guān)設(shè)置于同一饋電區(qū)電分段位置，當(dāng)退出運(yùn)行、故障解列現(xiàn)象產(chǎn)生于牽引變電所中時(shí)，可以對(duì)這一縱向電動(dòng)隔離開關(guān)進(jìn)行應(yīng)用，促使大雙邊供電得以實(shí)現(xiàn)[2]。

（二）增設(shè)備用移動(dòng)小車

第一，單母線系統(tǒng)位于直流側(cè)，其擁有相對(duì)簡(jiǎn)單的接線方式。相比于雙母線系統(tǒng)，其運(yùn)行中不需要使用4臺(tái)電動(dòng)隔離開關(guān)和1條備用母線。

第二，應(yīng)將1臺(tái)縱向電動(dòng)隔離開關(guān)設(shè)置于同一饋電區(qū)電分段位置，當(dāng)退出運(yùn)行、故障解列現(xiàn)象產(chǎn)生于牽引變電所中時(shí)，可以對(duì)這一縱向電動(dòng)隔離開關(guān)進(jìn)行應(yīng)用，促使大雙邊供電得以實(shí)現(xiàn)。

第三，在對(duì)縱向電動(dòng)隔離開關(guān)進(jìn)行應(yīng)用的過程中，其既能夠充當(dāng)任何一路饋線開關(guān)，也能夠替代整座變電所[3]。

（三）雙母線系統(tǒng)與單母線系統(tǒng)方案對(duì)比

在對(duì)雙母線系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)用的過程中，其優(yōu)勢(shì)在于電動(dòng)操動(dòng)機(jī)構(gòu)被應(yīng)用于隔離開關(guān)和斷路器中，因此如果其中1臺(tái)斷路器產(chǎn)生了故障，那么倒閘作業(yè)可以通過遠(yuǎn)方調(diào)度的方式進(jìn)行，從而促使備用斷路器得以啟動(dòng)，此時(shí)故障斷路器就可以停止運(yùn)行。在這一過程中，整個(gè)倒閘作業(yè)過程中工作人員不需要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢修，因此即使設(shè)備發(fā)生嚴(yán)重故障，也不會(huì)對(duì)運(yùn)營時(shí)間產(chǎn)生嚴(yán)重負(fù)面影響[4]。但是該系統(tǒng)運(yùn)行中也存在一定缺陷：即擁有較多的電動(dòng)隔離開關(guān)，擁有相對(duì)復(fù)雜的操作聯(lián)鎖過程；在雙邊供電中如果使用備用開關(guān)，會(huì)擁有復(fù)雜的雙邊聯(lián)跳轉(zhuǎn)換關(guān)系；如果其中一路饋線開關(guān)被縱向電動(dòng)隔離開關(guān)取代，那么備用開關(guān)、備用母線的功能無法充分發(fā)揮出來。

在對(duì)單母線系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)用的過程中，擁有較低的一次性設(shè)備投入成本；但是其缺陷在于倒閘操作在故障斷路器中，要求檢修人員在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行操作。

由上述可知，兩種系統(tǒng)在使用的過程中，在靈活性和可靠性方面基本一致，但是同單母線系統(tǒng)相比，雙母線系統(tǒng)工程一次性成本投入相對(duì)較高，所以在以后的城軌交通直流主接線設(shè)計(jì)中，應(yīng)對(duì)單母線接線形式進(jìn)行應(yīng)用，將其可靠性強(qiáng)、低成本等優(yōu)勢(shì)充分發(fā)揮出來[5]。

三、直流進(jìn)線開關(guān)設(shè)置

從總體上來看，共有3種牽引變電所整流故障類型：第一種故障通常在直流進(jìn)線開關(guān)與整流機(jī)組進(jìn)線斷路器之間發(fā)生，典型故障有連接電纜、整流器、整流變壓器等；第二種故障通常在直流饋線斷路器與直流進(jìn)線開關(guān)之間產(chǎn)生，典型故障有直流母線短路等；第三種故障通常在直流饋線斷路器以下產(chǎn)生，典型故障有接觸網(wǎng)短路等[6]。

將直流快速斷路器2013和2014應(yīng)用于第一個(gè)單母線系統(tǒng)中；將電動(dòng)隔離開關(guān)應(yīng)用于第二個(gè)單母線系統(tǒng)中，在對(duì)2011和2012電動(dòng)隔離開關(guān)進(jìn)行應(yīng)用的過程中，在正母線上并聯(lián)整流機(jī)組直流（如下圖所示）。

圖一 單母線系統(tǒng)（一）示意圖

圖二 單母線系統(tǒng)（二）示意圖

在對(duì)這一方法進(jìn)行應(yīng)用的過程中，其優(yōu)勢(shì)在于直流快速斷路器可以由電動(dòng)隔離開關(guān)取代，成本較低。與此同時(shí)，該方案的缺陷也是非常明顯的，在操作電動(dòng)隔離開關(guān)時(shí)，便捷性較低，同時(shí)存在一定的附帶聯(lián)鎖條件，無法順利實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，會(huì)一定程度上影響運(yùn)營操作。

（一）正常運(yùn)行投切

同斷開直流電弧相比，斷開交流電弧更容易，因此正常運(yùn)行狀態(tài)下的整流機(jī)組由交流斷路器實(shí)現(xiàn)斷弧工作。直流進(jìn)線開關(guān)到交流斷路器是主要投入次序；交流斷路器、直流饋線斷路器、直流進(jìn)線開關(guān)為切除次序。所以，正常投切的整流機(jī)組中，直流進(jìn)線開關(guān)是可以不擁有斷弧能力的。

（二）故障切除動(dòng)作

在產(chǎn)生1類故障時(shí)，交流進(jìn)線斷路器在整流變壓器中處于斷開狀態(tài)，同時(shí)促使直流進(jìn)線開關(guān)聯(lián)跳。在這一過程中共由兩種牽引變電所運(yùn)行方式：第一種為全所解列。即大雙邊供電，由相鄰所越區(qū)供電；第二種為退出故障整流機(jī)組，單臺(tái)整流機(jī)組處于繼續(xù)運(yùn)行狀態(tài)。

在產(chǎn)生2類故障時(shí)，如果使用第二個(gè)單母線系統(tǒng)中的電動(dòng)隔離開關(guān)，首先應(yīng)保證交流進(jìn)線斷路器在整流變壓器中處于跳開狀態(tài)，同時(shí)促使直流饋線開關(guān)聯(lián)跳，最后將直流進(jìn)線開關(guān)分開；如果使用第一個(gè)單母線系統(tǒng)中的直流斷路器，由于大電流脫扣保護(hù)擁有較快的反應(yīng)時(shí)間，因此交流斷路器通常比直流進(jìn)線斷路器后跳閘。

在產(chǎn)生3類故障時(shí)，直流饋線開關(guān)在故障供電臂中跳開，雙邊運(yùn)行時(shí)直流饋線開關(guān)在相鄰牽引變電所中聯(lián)跳。

由上述可知，當(dāng)故障產(chǎn)生于直流母線中時(shí)，直流進(jìn)線斷路器在直流斷路器中可以直接跳開，擁有較快的反應(yīng)速度。

（三）直流斷路器與電動(dòng)隔離開關(guān)方案對(duì)比

在確定直流進(jìn)線開關(guān)方案時(shí)，對(duì)直流斷路器與電動(dòng)隔離開關(guān)方案進(jìn)行了對(duì)比：①從運(yùn)營維護(hù)方面來看，二者沒有形成明顯的差別；②從運(yùn)行靈活性方面來看，應(yīng)用電動(dòng)隔離開關(guān)，能夠滿足運(yùn)行需求；但是直流斷路器形成了更強(qiáng)的靈活性；③從保護(hù)設(shè)置方面來看，應(yīng)用電動(dòng)隔離開關(guān)時(shí)存在閉鎖關(guān)系；而應(yīng)用直流斷路器時(shí)擁有較強(qiáng)的獨(dú)立性；④從成本方面來看，應(yīng)用電動(dòng)隔離開關(guān)搖臂應(yīng)用直流斷路器的成本低；⑤從母線故障切除的角度來看，應(yīng)用電動(dòng)隔離開關(guān)會(huì)產(chǎn)生暫時(shí)的供電中斷現(xiàn)象，而應(yīng)用直流斷路器時(shí)，供電不會(huì)受到影響[7]。

由上述可知，兩種方案都具有可行性，在應(yīng)用電動(dòng)隔離開關(guān)時(shí)，能夠一定程度上降低成本，在對(duì)聯(lián)鎖條件進(jìn)行設(shè)定的基礎(chǔ)上，能夠提升供電安全性和可靠性，同時(shí)可以為無人值班變電所簡(jiǎn)化接線的實(shí)現(xiàn)提供保障。在對(duì)斷路器進(jìn)行應(yīng)用的過程中，直流母線短路切除的速度較快，能夠在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)大雙邊供電。由于整座牽引變電所退出運(yùn)行以及直流母線故障發(fā)生的概率都相對(duì)較低，因此在實(shí)際工作中可以對(duì)直流斷路器的方案進(jìn)行應(yīng)用。

四、結(jié)束語

綜上所述，本文從城軌交通牽引供電系統(tǒng)主接線工程設(shè)計(jì)原則出發(fā)，對(duì)牽引直流側(cè)主接線形式和中壓交流側(cè)主接線形式這兩個(gè)我國常見的城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)進(jìn)行了全面對(duì)比，并在這一基礎(chǔ)上指出，牽引變電所主接線，可以將單母線系統(tǒng)應(yīng)用于牽引直流側(cè)，并對(duì)備用移動(dòng)斷路器小車進(jìn)行增設(shè)；同時(shí)可以將電動(dòng)隔離開關(guān)作為直流進(jìn)線開關(guān)。在此基礎(chǔ)上構(gòu)成的主接線擁有可靠性強(qiáng)、安全性良好和運(yùn)行方式簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，能夠一定程度上降低成本，有助于我國城市軌道交通建設(shè)領(lǐng)域的全面發(fā)展。

[1]朱廣宇,王雨晨,張彭等.基于變點(diǎn)發(fā)掘的城市軌道交通客流預(yù)測(cè)模型[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2016,47(6):2153-2159.

[2]陳垚,毛保華,柏赟等.列車屬性對(duì)城市軌道交通牽引能耗的影響及列車用能效率評(píng)價(jià)[J].中國鐵道科學(xué),2016,37(2):99-105.

[3]李明高,毛保華,杜鵬等.城市軌道交通與市郊鐵路直通運(yùn)營下通過能力研究[J].交通運(yùn)輸系統(tǒng)工程與信息,2016(1):111-115.

[4]?；菝?陳明明,張明輝等.城市軌道交通列車開行方案的優(yōu)化理論及方法[J].中國鐵道科學(xué),2017,32(4):128-133.

[5]武倩楠,葉霞飛.城市軌道交通可達(dá)性提高和住宅價(jià)格增值關(guān)系[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2016,44(6):899-906.

[6]楊儉,李發(fā)揚(yáng),宋瑞剛等.城市軌道交通車輛制動(dòng)能量回收技術(shù)現(xiàn)狀及研究進(jìn)展[J].鐵道學(xué)報(bào),2016,33(2):26-33.

[7]豆飛,潘曉軍,秦勇等.基于云模型的城市軌道交通車站客流控制觸發(fā)判別方法[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2016,46(6):1318-1322.