高速鐵路智能牽引供電系統(tǒng)的快速自愈重構技術研究

劉長利

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安 710043)

智能牽引供電系統(tǒng)由牽引供電設施、供電調度系統(tǒng)、供電運行檢修管理系統(tǒng)及通信網絡等組成，實現(xiàn)智能故障診斷、預警、自愈重構等功能[1]。在智能牽引供電系統(tǒng)中，提升自愈重構能力是一項重要目標，目前國內學者主要集中于智能牽引變電所的研究上，開展了牽引變電所備自投和以供電臂為單元的自愈重構研究[2-7]，故障時如何盡量縮小停電范圍和快速恢復供電，需開展深化研究工作。接觸網開關是SCADA遠動系統(tǒng)測控數(shù)量較多的高壓設備，是故障排查及切除、自愈重構的接觸網關鍵設備，目前高鐵接觸網開關存在雷電故障及拒動、誤動、開關位置誤顯示等遠動控制問題，國內學者對接觸網開關的研究主要集中在故障分析及解決措施等方面[8-13]，缺少接觸網開關服役狀態(tài)方面的研究。本文分析了目前牽引供電系統(tǒng)的自愈重構技術特點，結合接觸網電分段功能，提出了以接觸網供電分段為單元的自愈重構模式，找出應急工作中的薄弱環(huán)節(jié)，對高鐵接觸網開關的適應性進行分析，提出快速自愈重構技術需重點解決的問題和建議。研究成果為智能牽引供電發(fā)展和提高接觸網性能提供借鑒。

1 智能牽引供電系統(tǒng)的自愈重構模式

與智能電網技術相比，智能牽引供電系統(tǒng)的自愈重構應根據自身特性分析，研究針對性的內涵及模式。

1.1 牽引供電系統(tǒng)的自愈重構內涵

牽引供電系統(tǒng)的自愈重構分自愈控制和故障重構兩項內容。自愈控制以不間斷供電為原則，自愈控制目標是：預防和避免故障發(fā)生，如果發(fā)生故障以盡快恢復正常供電能力為控制底線，發(fā)生故障后不能恢復正常供電將采用故障重構模式。故障重構是指通過改變供電運行方式，隔離故障，縮小停電范圍，迅速恢復對非故障區(qū)域的供電。自愈控制與故障重構劃分如圖1所示。

圖1 自愈控制與故障重構劃分

高鐵智能牽引供電系統(tǒng)的自愈重構分為自愈控制、供電臂單元重構及供電分段單元重構等3種模式。在牽引供電系統(tǒng)中含有大量的斷路器和開關設備，自愈重構就是通過改變這些斷路器或開關的分、合閘狀態(tài)，從而切換設備、改變供電網絡運行方式。自愈重構的具體操作將是一系列斷路器或開關的動作組合。

1.2 牽引供電系統(tǒng)的自愈控制模式

目前我國高鐵的牽引變電所、分區(qū)所及AT所的變電設備均具有自愈能力。主要變電設備均采用固定備用或互為備用的運行方式，可采取定期檢修的模式預防故障，并且智能化水平較高，就地保護測控系統(tǒng)較完善，發(fā)生故障時可快速切換。因此，變電設備應采用自愈控制模式，當所內發(fā)生單點故障或小范圍故障時，應快速診斷、隔離故障并恢復至正常供電狀態(tài)，避免對動車組運行產生影響。當變電設備發(fā)生嚴重故障導致整所或整個供電臂退出運行時，無法實現(xiàn)自愈，需要采用故障重構模式。

在牽引供電系統(tǒng)中，接觸網是高鐵沿線架空設置的供電設施，為動車組供電。接觸網無備用運行，因此不具備自愈能力，接觸網故障時采用故障重構模式。

1.3 以供電臂為單元的故障重構模式

在智能供電調度系統(tǒng)中，利用SCADA遠動系統(tǒng)實現(xiàn)倒閘操作的自動化和程控化，當牽引網發(fā)生故障時進行快速診斷、定位、隔離及改變供電方式，實現(xiàn)故障重構，快速恢復牽引網供電。由于廣域測控保護系統(tǒng)以供電臂為單元進行，因此目前牽引網故障重構一般是以供電臂為單元進行。我國高鐵普遍采用全并聯(lián)AT供電方式，典型的高鐵沿線供電臂單元、供電分段單元及接觸網開關布置如圖2所示。

圖2 典型高鐵沿線供電臂單元、供電分段單元及接觸網開關布置

以供電臂為單元進行故障重構，是在某一個供電臂內變電設備(主要是27.5 kV斷路器)、饋線(供電線、正饋線)及接觸網發(fā)生故障時采取降級供電方式的故障重構模式，可采取的降級供電方式如下。

(1)AT供電上下行分開供電方式、AT供電V停供電方式、AT供電越區(qū)供電方式。

(2)直接供電全并聯(lián)供電方式、直接供電上下行分開供電方式、直接供電V停供電方式、直接供電越區(qū)供電方式。

從行車組織方面判斷一個供電臂單元內動車組緊密運行數(shù)量，可以采取如下方法：采用區(qū)間通過和有車站經停兩個模型，按正常運行和限速運行分出各等級速度，以及相應的列車最小追蹤間隔時間，計算出動車組最小追蹤距離，進而判斷供電臂單元內動車組最大運行數(shù)量。區(qū)間列車最小追蹤距離的計算公式為

ΔS=v×Δt追

式中，v為列車運行速度，Δt追為列車最小追蹤間隔時間。正常運行和限速運行的各等級速度值采用《鐵路技術管理規(guī)程》規(guī)定，但不考慮接觸網和信號等設備故障情況；列車最小追蹤間隔時間采用高鐵設計規(guī)范及相關文獻研究成果[14-16]。列車運行速度及最小追蹤間隔時間如表1所示。

表1 列車運行速度及最小追蹤間隔時間

經計算，高鐵區(qū)間動車組最小追蹤距離如圖3所示。可以看出，高鐵區(qū)間動車組正常通行時最小間距保持在10 km以上，當供電臂內有車站時，考慮到前、后動車組進站經停的最小間隔時間限制，兩列動車組間距可達到20～30 km。另外，在高鐵限速運行時，動車組間距在8～10 km，特殊情況時最小間距為3.75 km。

圖3 高鐵區(qū)間動車組最小追蹤距離

我國高鐵牽引供電系統(tǒng)的供電臂長度為25 km左右，從動車組緊密運行的因素考量，正常情況下單個供電臂可為2列動車組供電，限速情況下最多可為6列動車組供電。供電臂故障停電時，供電臂單元重構模式的應急操作流程如圖4所示。

圖4 供電臂單元重構模式的應急操作流程

可以看出，供電臂單元重構模式的操作比較簡單，調度端易于遠動程控化操作，但當故障供電臂及相鄰供電臂內有多列動車組運行時，停電影響較大。該模式的操作權歸供電調度中心，由調度端根據廣域保護測控信息通過遠動系統(tǒng)進行程控化操作。

1.4 以供電分段為單元的故障重構模式

目前高鐵接觸網故障停電和弓網事故較多，為了盡量減小動車組停車對旅客身心及社會輿情的影響，最大范圍地為沿線滯留動車組供電，應縮小停電范圍，盡快為接觸網故障點所在最小停電單元以外的動車組恢復供電。接觸網的最小停電單元是供電分段，即由絕緣錨段關節(jié)或分段絕緣器劃分出接觸網電氣獨立的供電區(qū)段，考慮采用以供電分段為單元進行故障重構。供電分段單元的劃分原則如下。

(1)縱向單元為車站兩端咽喉區(qū)外、AT所附近及隧道內外絕緣錨段關節(jié)的供電分段。

(2)橫向單元為樞紐或大型客站的供電分束。

(3)以車站兩端咽喉區(qū)八字渡線內絕緣錨段關節(jié)為基礎，劃分接觸網V停供電單元。

供電分段單元重構模式具有較高的供電靈活性。在圖2中AT所附近的G10/G11至兩側電分相處G3/G4或G16/G17之間形成最基本的供電分段單元S或S′，長度可達10～15 km，正常情況下可為1列動車組供電，限速情況下最多可為4列動車組供電?？紤]到高鐵沿線的車站或特長隧道情況，供電臂L上行可劃分出6個電分段單元，一般情況下接觸網故障僅涉及其中1個最小停電單元，當絕緣錨段關節(jié)、分段絕緣器、電分相處發(fā)生接觸網故障或弓網事故時可能涉及2個最小停電單元，但該供電臂內仍有4個供電分段單元可為動車組供電，便于供電調度與行車調度雙方配合進行靈活處置。供電分段單元重構模式的應急操作流程如圖5所示。

圖5 供電分段單元重構模式的應急操作流程

可以看出，當自動重合閘和試送電失敗時供電調度端需要進行故障排查及分段試送電，找出故障點所在最小停電單元，隔離故障點，盡快恢復供電。當接觸網故障停電且供電臂內有多列動車組運行時，能否盡快隔離故障點和恢復供電，取決于故障標定能力、調度端程控化水平及倒閘作業(yè)效率。

2 高鐵牽引供電系統(tǒng)自愈重構的薄弱環(huán)節(jié)

高鐵牽引供電系統(tǒng)自愈重構屬于應急工作，由供電調度端的SCADA遠動系統(tǒng)、牽引供電設施的廣域保護測控系統(tǒng)及斷路器、開關設備等配合完成。高鐵智能牽引供電系統(tǒng)自愈重構的執(zhí)行體系如圖6所示。

圖6 高鐵智能牽引供電系統(tǒng)自愈重構的執(zhí)行體系

供電分段單元重構模式主要依靠接觸網開關的倒閘操作來實現(xiàn)。目前我國高鐵接觸網普遍采用隔離開關，在早期高鐵項目的電分相中性段、上下行并聯(lián)處采用了負荷開關。近幾年根據高鐵接觸網運行經驗，由于負荷開關的開斷能力和電氣壽命無法滿足要求，因此接觸網不再采用負荷開關，在鐵路設計規(guī)范中統(tǒng)一規(guī)定采用電動隔離開關。接觸網開關分單極和雙極兩種形式，按工作狀態(tài)分常閉和常開兩種狀態(tài)。接觸網開關采用電動操作，經遠動系統(tǒng)納入供電調度管理。

與普速鐵路相比，目前高鐵接觸網開關的功能和用途已發(fā)生變化。高鐵接觸網檢修采用垂直天窗模式，操作牽引變電所饋線斷路器以供電臂為單元停電，夜間檢修時可不動用隔離開關，無需現(xiàn)場人工查看隔離開關斷口以確認接觸網帶電狀態(tài)。隨著智能牽引供電系統(tǒng)的發(fā)展，接觸網開關將主要用于故障重構。根據我國現(xiàn)行鐵道行業(yè)標準[17-19]，目前高鐵普遍采用的戶外27.5 kV等級的隔離開關、負荷開關及真空斷路器，其技術參數(shù)對比如表2所示。

表2中括弧內數(shù)據為行業(yè)標準未作規(guī)定而采用高鐵常見設備的技術參數(shù)。隔離開關電動操作時間在4 s左右，與斷路器的毫秒級操作時間相比差距較大。由于隔離開關沒有熄弧裝置，不能帶負荷操作，需要與牽引變電所饋線斷路器進行配合操作，不能實現(xiàn)速斷速合。因此，在高鐵牽引供電系統(tǒng)自愈重構的執(zhí)行體系中，接觸網開關是應急工作的薄弱環(huán)節(jié)。

表2 隔離開關、負荷開關及真空斷路器技術參數(shù)

3 現(xiàn)有高鐵接觸網開關的適應性

從接觸網開關設計上看，電分相中性段處接觸網開關用于動車組救援或特殊情況下越區(qū)供電，由于隔離開關不能帶負荷操作，導致電分相兩側供電臂均需要參與倒閘操作；牽引變電所出口上下行聯(lián)絡開關用于饋線斷路器故障切換時一拖二并聯(lián)供電，隔離開關操作導致上下行供電臂均需臨時停電。因此，接觸網開關操作將涉及多列動車組停車降弓，影響范圍大、停電時間較長，不適應快速自愈重構的要求。

從服役狀態(tài)方面看，高鐵沿線露天安裝的隔離開關受雷電、鳥害影響較大，其柱頂安裝狀態(tài)不利于安全和檢修；隧道內隔離開關的安全防護等級較低，存在防火抗災風險。目前隔離開關故障率較高，開關引線脫落導致弓網事故，雷電或接觸網閃絡引起RTU箱、操作機構箱燒損的次數(shù)較多。接觸網開關是SCADA遠動系統(tǒng)中測控數(shù)量較多的設備，但開關拒動、誤動及開關位置誤顯示等遠動控制問題較多，對接觸網故障快速自愈重構的可靠性影響較大。

綜上所述，接觸網開關是牽引供電系統(tǒng)自愈重構的薄弱環(huán)節(jié)，在帶負荷操作、倒閘時間、服役狀態(tài)等方面難以適應智能牽引供電系統(tǒng)發(fā)展要求。

4 快速自愈重構技術

在智能鐵路方面，文獻[1]提出凡是有助于提高鐵路運輸效率、提升安全保障能力、優(yōu)化客戶服務質量的技術，均可稱之為智能鐵路技術。文獻[2]提出進一步完善智能設備、研制智能接觸網的建議。智能牽引供電系統(tǒng)發(fā)展的目標是為動車組提供持續(xù)可靠的供電，構建快速自愈重構技術，通過提高供電靈活性和快捷性，為動車組運行提供保障。

在高鐵智能牽引供電系統(tǒng)中，接觸網是向動車組供電的“最后一公里”，但接觸網無備用運行且故障率較高，接觸網故障或弓網事故導致動車組降弓、停車一直是鐵路供電領域難以妥善解決的問題，由于供電分段單元重構模式具有較高的供電靈活性，按供電分段單元停電對沿線動車組運行影響較小，考慮在供電分段單元重構模式的基礎上研究快速自愈重構技術，提高動車組運行的供電保障能力?？焖僮杂貥嫾夹g的核心是采用智能化設備和智能化管理，由于接觸網開關是高鐵應急工作的薄弱環(huán)節(jié)，應考慮在接觸網開關和供電調度管理方面進行技術升級。

4.1 接觸網開關的技術升級

參照智能牽引供電系統(tǒng)發(fā)展的技術版本管理[20]，接觸網開關的技術升級可分3個階段進行，其技術升級路線如圖7所示。

圖7 接觸網開關的技術升級路線

提高接觸網開關性能的關鍵是采用能帶負荷操作、具有速斷速合能力的真空斷路器，從而提高供電靈活性和快捷性。接觸網開關的技術升級內容如表3所示。

表3 接觸網開關的技術升級內容

接觸網開關采用戶外27.5 kV真空斷路器，需要考慮高鐵沿線建筑限界和動車組運行安全問題，金屬封閉型真空斷路器的本體尺寸較小，比較適合在接觸網H型鋼柱上安裝，且在國外高鐵線路上有類似的應用經驗，因此可作為首選。在安裝方式上，隧道外接觸網真空斷路器可采取在H型鋼柱頂安裝以取代現(xiàn)有隔離開關(圖8(a))，新建線路可采用改進的H型鋼柱側面安裝方式(圖8(b)、圖8(c))。

圖8 H型鋼柱上接觸網真空斷路器安裝示意

4.2 供電調度管理的技術升級

接觸網開關升級為真空斷路器后，在性能和可靠性方面與變電所戶外27.5 kV真空斷路器一致，并且均為SCADA遠動系統(tǒng)的測控子項，在增加了智能組件后，納入智能設備統(tǒng)一管理。

在智能化管理方面，主要對供電調度管理進行技術升級。當高鐵接觸網故障引起變電所跳閘或發(fā)生弓網事故時，之前供電調度端一般是倒閘切除故障供電臂單元，故障供電臂內動車組全部停電降弓，然后利用接觸網開關進行故障排查或切除故障所在供電分段單元，為影響范圍外動車組送電。隨著廣域保護測控系統(tǒng)、接觸網6C檢測系統(tǒng)和PHM健康管理的逐步完善，在接觸網開關升級為真空斷路器后，可按最小停電單元對接觸網故障進行直控操作。

5 結論

智能牽引供電系統(tǒng)的自愈重構屬于高鐵供電應急工作，具有不同于智能電網技術的內涵及模式。通過分析目前牽引供電系統(tǒng)的自愈重構技術特點，提出以接觸網供電分段為單元的自愈重構模式，以縮小停電范圍和快速恢復供電為原則，以提高動車組運行保障能力為目標，進行快速自愈重構技術研究，得出以下主要結論。

(1)供電分段單元重構模式具有較高的供電靈活性，是構建快速自愈重構技術的基礎。

(2)高鐵牽引供電系統(tǒng)自愈重構的薄弱環(huán)節(jié)是接觸網開關，在帶負荷操作、倒閘時間及服役狀態(tài)等方面難以適應智能牽引供電發(fā)展要求。

(3)應考慮在接觸網開關和供電調度管理方面進行技術升級，接觸網開關分階段升級為戶外27.5 kV真空斷路器，供電調度端按最小停電單元對接觸網故障進行直控操作。