牽引變電所直流系統(tǒng)構(gòu)架優(yōu)化研究

王 林

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，武漢 430063)

引言

牽引變電所直流系統(tǒng)為所內(nèi)控制、信號(hào)、保護(hù)、自動(dòng)裝置以及操作機(jī)構(gòu)提供電源，是確保牽引變電所安全可靠運(yùn)行極為重要的二次系統(tǒng)。目前，采用了雙切后兩路輸入電源供電、分設(shè)合閘母線與控制母線、配置2組蓄電池組、充電裝置冗余配置、重要控制回路及操作回路采用雙回路供電等措施，用于提高系統(tǒng)可靠性。近年來(lái)，在鐵路行業(yè)仍發(fā)生過(guò)牽引變電所因雷擊事故，造成綜自系統(tǒng)直流電源失電，引起更大次生災(zāi)害的系統(tǒng)性事故的案例。

研究牽引變電所直流系統(tǒng)主接線、架構(gòu)及饋電網(wǎng)絡(luò)研究的文獻(xiàn)不多，文獻(xiàn)[1]針對(duì)城軌主變電所及牽引變電所直流系統(tǒng)主接線和控制電壓選擇進(jìn)行了論述，其直流系統(tǒng)主接線與鐵路牽引變電所差異較大。文獻(xiàn)[2]分析了多起直流系統(tǒng)故障引起牽引變電所全所停電的事故，但未從系統(tǒng)架構(gòu)上進(jìn)行優(yōu)化，提出的增大綜自小母線電源回路空開措施，還將導(dǎo)致相關(guān)回路斷路器保護(hù)失去選擇性。

針對(duì)電力系統(tǒng)變電站，從文獻(xiàn)[3-10]可以看出，電力系統(tǒng)變電站在所用電源、直系統(tǒng)主接線、繼電保護(hù)配置及運(yùn)維習(xí)慣方面與鐵路變電所有差異，但其集中輻射和分層輻射的直流饋電網(wǎng)絡(luò)方案、強(qiáng)調(diào)保護(hù)電器級(jí)差配合的問(wèn)題在牽引變電所的直流系統(tǒng)架構(gòu)優(yōu)化中具有借鑒意義。

因此，基于鐵路直流系統(tǒng)現(xiàn)狀及存在問(wèn)題，有必要深入剖析直流系統(tǒng)構(gòu)架現(xiàn)狀，從系統(tǒng)層面研究提升直流系統(tǒng)可靠性的措施。

1 直流系統(tǒng)的交流電源

目前，牽引變電所設(shè)置2回獨(dú)立的所用電源，其中至少1回由10 kV電力貫通線引接。所內(nèi)設(shè)置2臺(tái)所用變壓器，通常采用1臺(tái)工作1臺(tái)備用的方式，交流屏母聯(lián)開關(guān)閉合，2段母線由同一臺(tái)所用變壓器供電，具體如圖1所示。

圖1 牽引變電所交流系統(tǒng)主接線典型方案

因此，建議采用2路10 kV所用電源時(shí)，2臺(tái)所用變壓器同時(shí)供電，交流屏2段母線分列運(yùn)行，確保直流系統(tǒng)接引獨(dú)立的雙電源，從系統(tǒng)層面提升可靠性，具體如圖2所示。

圖2 牽引變電所交流系統(tǒng)主接線優(yōu)化方案

考慮27.5 kV所用電源電能質(zhì)量欠佳的實(shí)際情況，同時(shí)保留2路交流所用電源1主1備運(yùn)行方式，建議選用PC級(jí)ATSE雙電源切換裝置代替?zhèn)鹘y(tǒng)的交流接觸器雙電源切換電路，從元件層面提升雙電源可靠性。

2 直流系統(tǒng)的主接線

目前，牽引變電所直流系統(tǒng)由所內(nèi)交流屏提供雙回路電源向2套充電裝置供電。直流系統(tǒng)設(shè)置2段電源母線，1段饋電母線。2組蓄電池及2套充電裝置分別接入2段電源母線，1段饋電母線設(shè)置專用合閘母線及控制母線，向不同負(fù)荷供電。2段電源母線和饋電母線間通過(guò)逆止二極管互聯(lián)，避免2組蓄電池同時(shí)向饋電母線供電造成環(huán)網(wǎng)短路故障，具體如圖3所示。

圖3 典型牽引變電所直流系統(tǒng)主接線

牽引變電所的綜自系統(tǒng)等設(shè)備對(duì)直流系統(tǒng)電源電壓波動(dòng)范圍要求更嚴(yán)格，因此，饋電母線的合閘母線、控制母線需分開設(shè)置，通過(guò)設(shè)置專用的硅鏈降壓裝置解決蓄電池為控制母線供電時(shí)電壓波動(dòng)范圍過(guò)大的問(wèn)題。

調(diào)研了多個(gè)供電段直流系統(tǒng)的運(yùn)行常見缺陷，并對(duì)缺陷出現(xiàn)的頻度進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，見表1。

表1 供電段直流系統(tǒng)常見缺陷

下面結(jié)合常見故障，分析改主接線的必要性。

(1)當(dāng)直流饋線發(fā)生接地故障或交流電源竄入直流電源系統(tǒng)故障時(shí)，牽引變電所通過(guò)一段饋電母線向全所控制、信號(hào)、保護(hù)、自動(dòng)裝置供電的主接線方案，即使重要的負(fù)荷采用雙回路供電，仍將導(dǎo)致直流系統(tǒng)全所停電的風(fēng)險(xiǎn)。

1.1 一般資料 回顧性收集2016年10月至2017年10月重慶市永川區(qū)人民醫(yī)院366例膝關(guān)節(jié)軟骨損傷患者，經(jīng)關(guān)節(jié)鏡證實(shí)，均為單膝損傷，左膝164例，右膝202例，均以關(guān)節(jié)疼痛入院就診，其中255例伴有關(guān)節(jié)絞鎖、活動(dòng)受限。所有患者均行MRI檢查，影像資料完整。收集患者臨床資料，包括性別、年齡、損傷部位、膝關(guān)節(jié)基礎(chǔ)疾病或損傷等。

(2)DL/T 5044—2014《電力工程直流電源設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》[11]規(guī)定：“正常運(yùn)行方式下，每組蓄電池的直流網(wǎng)絡(luò)應(yīng)獨(dú)立運(yùn)行，不應(yīng)與其他蓄電池組有任何電氣連接?！鼻褿B 50054—2011《低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范》[12]規(guī)定：“半導(dǎo)體開關(guān)電器，嚴(yán)禁作為隔離電器”。目前，牽引變電所直流系統(tǒng)采用逆止二極管隔離互聯(lián)2組蓄電池組的做法有違規(guī)之嫌。東莞供電局在±660 kV換流站曾出現(xiàn)過(guò)通過(guò)二極管的環(huán)網(wǎng)供電[13]，引起直流接地告警的故障，其接線型式與目前牽引變電所2組蓄電池隔離互聯(lián)方案類似，具體見圖4。

圖4 換流站通過(guò)二極管造成蓄電池組環(huán)網(wǎng)示意

(3)當(dāng)牽引變電所直流系統(tǒng)降壓硅鏈故障時(shí)，將影響直流控制母線供電，控制母線為所內(nèi)綜自系統(tǒng)提供電源，可能造成牽引變電所全所停電。

由此可見，典型牽引變電所直流系統(tǒng)主接線的可靠性不高，并沒(méi)有充分發(fā)揮配置2組蓄電池作為2套應(yīng)急電源的優(yōu)勢(shì)。用該蓄電池為220 kV主變壓器提供雙回直流電源時(shí)，從嚴(yán)格意義來(lái)講也不滿足相關(guān)規(guī)范對(duì)主變保護(hù)電源雙重化配置的要求，存在綜自系統(tǒng)直流電源失電的隱患。

建議牽引變電所配置2套充電裝置時(shí)，采用2段單母線接線，每組蓄電池及其充電裝置應(yīng)分別接入相應(yīng)母線，2段直流母線之間應(yīng)設(shè)聯(lián)絡(luò)電器，正常運(yùn)行時(shí)，2段直流母線應(yīng)分別獨(dú)立運(yùn)行，具體如圖5所示。

圖5 優(yōu)化后牽引變電所直流系統(tǒng)主接線

牽引變電所直流系統(tǒng)主接線優(yōu)化后具備以下優(yōu)點(diǎn)。

(1)優(yōu)化后直流系統(tǒng)2組蓄電池、母線在運(yùn)行過(guò)程中電氣上完全獨(dú)立，可以有效克服單獨(dú)元件、單一回路故障造成全所直流系統(tǒng)失電的問(wèn)題。即使所內(nèi)二次防強(qiáng)電裝置局部失效，雷擊引起的閃電感應(yīng)竄入直流系統(tǒng)，也不會(huì)造成2組電源系統(tǒng)同時(shí)損壞。

(2)優(yōu)化后牽引變電所直流系統(tǒng)的配置雙套微機(jī)監(jiān)控裝置，交叉采集監(jiān)控裝置工作狀態(tài)，可有效解決目前常見的監(jiān)控裝置死機(jī)等常見缺陷，避免出現(xiàn)因小裝置故障造成系統(tǒng)性停電的問(wèn)題。采取以上相關(guān)措施從系統(tǒng)層面提高了直流系統(tǒng)的可靠性。

(3)建議選用壽命更長(zhǎng)的2 V蓄電池[11]組成蓄電池組，克服12 V蓄電池組放電過(guò)程電壓波動(dòng)過(guò)大問(wèn)題，由此可取消故障率較高的硅鏈降壓裝置[13]，從元件層面提升直流可靠性。

采取相關(guān)措施后，解決了直流系統(tǒng)常見缺陷，整治效果見表2。

表2 直流系統(tǒng)常見缺陷整治效果

3 關(guān)鍵直流饋電回路優(yōu)化

牽引變電所綜自系統(tǒng)完成的控制、保護(hù)、重合閘、備自投等功能對(duì)確保為動(dòng)車組安全可靠供電意義重大，是直流系統(tǒng)最重要的用電負(fù)荷。目前，綜自系統(tǒng)屏頂控制小母線采用分組供電方式，綜自系統(tǒng)的電源較可靠，具體見圖6。

圖6 綜自系統(tǒng)饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

當(dāng)牽引供電系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，從檢測(cè)故障到切除故障，需要經(jīng)歷保護(hù)裝置交流采樣、計(jì)算判斷、保護(hù)出口、機(jī)構(gòu)跳閘等相關(guān)過(guò)程，保護(hù)裝置控制回路電源與操作機(jī)構(gòu)電機(jī)電源缺一不可。如何優(yōu)化組合保護(hù)裝置及機(jī)構(gòu)電源，對(duì)提高系統(tǒng)可靠性至關(guān)重要。

基于牽引變電所保護(hù)的特點(diǎn)，提出以下直流饋電回路優(yōu)化方案，具體如圖7所示。

圖7 綜自系統(tǒng)及操作機(jī)構(gòu)饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

為提高直流饋電回路可靠性，采取如下優(yōu)化配置措施。

(1)220 kV變壓器配置雙套保護(hù)，雙套保護(hù)從電流互感器采樣、控制回路、機(jī)構(gòu)跳閘線圈均獨(dú)立配置，因此，建議其采用雙重電源，雙套保護(hù)分別由不同的蓄電池組雙回路供電。

(2)牽引變電所主變低壓側(cè)低電壓?jiǎn)?dòng)過(guò)電流保護(hù)，通常作為饋線保護(hù)的后備保護(hù)。因此，建議主變1套保護(hù)裝置、220 kV斷路器1套控制及電機(jī)回路、2×27.5 kV進(jìn)線斷路器控制及電機(jī)回路由同1組蓄電池供電，主變2套保護(hù)裝置、饋線保護(hù)裝置、220 kV斷路器2套控制及電機(jī)回路、2×27.5 kV饋線斷路器控制及電機(jī)回路由另外1組蓄電池供電。避免供電電源交叉，確保任一組蓄電池失效均不至于使得變電所內(nèi)保護(hù)全部失效。

(3)綜自系統(tǒng)各段屏頂母線由雙回路供電后，對(duì)各控制回路采用輻射式供電方式。并應(yīng)避免直流饋電回路引入綜自屏?xí)r，直流斷路器接入屏頂母線，導(dǎo)致直流配電網(wǎng)絡(luò)層級(jí)過(guò)多，造成饋電網(wǎng)絡(luò)直流斷路器失去選擇性問(wèn)題。

(4)斷路器操作機(jī)構(gòu)可采用分層輻射供電方式或環(huán)網(wǎng)供電方式。推薦采用分層輻射供電方式，在戶外需設(shè)置直流分電柜，分電柜柜頂根據(jù)需要設(shè)置2條或4條母線(雙套保護(hù))，每2段母線由來(lái)自同一蓄電池組的2回直流電源供電，在輻射供電至220 kV間隔處的各操作機(jī)構(gòu)。為適應(yīng)鐵路用戶習(xí)慣，保留環(huán)網(wǎng)供電方式時(shí)，2回直流電源來(lái)自同一蓄電池組，但強(qiáng)調(diào)開環(huán)運(yùn)行[14]，饋電直流斷路器納入遠(yuǎn)動(dòng)。當(dāng)主供電源故障后，由電調(diào)遠(yuǎn)程進(jìn)行電源切換，并通知供電段運(yùn)維人員前往現(xiàn)場(chǎng)處理故障。避免雙電源中斷時(shí)才檢出故障，造成變電所失去保護(hù)運(yùn)行。

采取相關(guān)措施后，提高關(guān)鍵直流饋電回路的可靠性，最大程度避免牽引變電所保護(hù)完全失效的事故發(fā)生。

4 結(jié)論

本文從交流電源、主接線、關(guān)鍵直流饋電方案3方面分析了牽引變電所直流系統(tǒng)構(gòu)架方面的不足，結(jié)合運(yùn)營(yíng)維護(hù)過(guò)程中直流系統(tǒng)常見缺陷，針對(duì)性地提出對(duì)直流系統(tǒng)采取系統(tǒng)級(jí)、元件級(jí)的優(yōu)化措施，豐富了所用變壓器運(yùn)行方式，規(guī)范了直流系統(tǒng)主接線，可以顯著提高牽引變電所直流系統(tǒng)的供電可靠性。提出的基于牽引變電所保護(hù)特點(diǎn)的關(guān)鍵直流饋電回路優(yōu)化方案可最大程度避免保護(hù)失效故障。

提出的優(yōu)化方案已應(yīng)用于鐵路工程項(xiàng)目二次系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，相關(guān)措施擬納入國(guó)鐵集團(tuán)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。