軌道交通中的智能牽引變電所應(yīng)用分析

姜 利

（中鐵電氣化勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，天津 300250）

復(fù)雜的AT供電方式結(jié)構(gòu)是目前高速鐵路采用的主要供電形式，采用新型的智能牽引變電所可以有效提升電力機(jī)車供電系統(tǒng)的可靠性。本文基于軌道交通工程供電系統(tǒng)特性分析，提出基于智能牽引變電所構(gòu)建的智能廣域測控系統(tǒng)，在現(xiàn)場應(yīng)用該系統(tǒng)。經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)，智能牽引變電所和廣域測控系統(tǒng)可以有效提升軌道交通供電系統(tǒng)的可靠性，更為安全、智能。

1 軌道交通中的供電系統(tǒng)特性

在軌道交通工程中，供電系統(tǒng)是重要的一部分，應(yīng)對(duì)其性能進(jìn)行日常安全檢測。通常情況下，常用的巡檢方式以人工為主，這種巡檢方式易受技術(shù)人員的素質(zhì)、技術(shù)水平、環(huán)境條件等主、客觀因素的影響，易產(chǎn)生誤差，且隱秘部位巡檢人員檢查不到位，無法實(shí)時(shí)監(jiān)測預(yù)警。未來軌道交通工程中供電系統(tǒng)的巡檢應(yīng)更趨向自動(dòng)化、智能化。

1.1 外部供電系統(tǒng)

在高速鐵路AT牽引網(wǎng)中，大容量、高輸出功率的牽引變壓器是重要的一部分，連接牽引變電站的外部電源系統(tǒng)電源電壓基本高于220 kV。容量大的變壓器出現(xiàn)短路故障時(shí)，產(chǎn)生的阻抗低，若牽引變電站的近端發(fā)生短路現(xiàn)象，瞬時(shí)釋放的短路電流通常大于10 kA，普通鐵路近端短路釋放的電流通常在3～5 kA范圍內(nèi)，前者是后者的2～3倍。電力線路產(chǎn)生的熱量和電流的平方成正比關(guān)系，高速鐵路牽引變電所近端短路時(shí)，產(chǎn)生的發(fā)熱量是普通鐵路近端短路時(shí)產(chǎn)生的發(fā)熱量的4～9倍。為了確保供電系統(tǒng)能夠可靠運(yùn)行、迅速切除短路故障，應(yīng)選擇響應(yīng)速度較快的牽引電源保護(hù)系統(tǒng)。

1.2 AT牽引供電

AT牽引供電結(jié)構(gòu)復(fù)雜，供電能力強(qiáng)，有多個(gè)接觸網(wǎng)導(dǎo)線，供電方式多樣，可越區(qū)、可并聯(lián)、可串聯(lián)。在繼電保護(hù)方面，AT牽引供電和普速直接供電方式在繼電保護(hù)器故障識(shí)別范圍、斷路器動(dòng)作選擇以及故障切斷區(qū)間確定等方面存在差異。繼電保護(hù)器沒有良好的選擇性，單個(gè)位置出現(xiàn)供電故障時(shí)，會(huì)牽連多個(gè)保護(hù)設(shè)備，出現(xiàn)同時(shí)跳閘的故障，使故障影響范圍變大，增加定位故障、排除故障的難度。

1.3 供電防雷系統(tǒng)

由于施工區(qū)域地形和環(huán)境的影響，軌道交通工程中常見高架、橋梁，為了避免供電系統(tǒng)受到雷擊傷害，應(yīng)確保電力機(jī)車的運(yùn)行條件穩(wěn)定。通常情況下，采用互感器連接牽引變電所一次、二次系統(tǒng)，控制信號(hào)、模擬信號(hào)在系統(tǒng)間多次傳播，電氣難以隔離。牽引變電所附近供電線路被雷擊擊中時(shí)，雷擊電流流入牽引變電所二次系統(tǒng)的概率提升。為了減小雷擊對(duì)二次系統(tǒng)的影響，通常情況會(huì)選用綜合防雷屏，但應(yīng)用綜合防雷屏的弊端在于增大后期運(yùn)營的難度。綜合防雷屏接線復(fù)雜、電纜多，尤其在防火封堵、電纜排布方面。智能變電所中，為了妥善處理一次、二次系統(tǒng)間電氣隔離的弊端，數(shù)據(jù)傳輸時(shí)采用光纖及數(shù)字信號(hào)，能夠提升供電系統(tǒng)的抗電磁干擾能力，起到良好的防雷作用，將線纜的布設(shè)標(biāo)準(zhǔn)提升一個(gè)檔次，提高系統(tǒng)的防火能力。

2 智能牽引變電所的主要功能

以《智能變電所技術(shù)導(dǎo)則》（GB/T 30155—2013）為基準(zhǔn)，集成的智能組件和智能變壓器是構(gòu)成智能牽引變電所的主要結(jié)構(gòu)。

2.1 頂層設(shè)計(jì)

在頂層設(shè)計(jì)中，牽引變電所就地保護(hù)的方式為一對(duì)一，是綜合考慮高速鐵路AT牽引供電需求以及融合數(shù)字化變電站、實(shí)時(shí)通信、數(shù)據(jù)共享技術(shù)的基礎(chǔ)上提出的。在不同的保護(hù)裝置間實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)傳輸、資源共享，可有效實(shí)現(xiàn)站域間的保護(hù)控制。為了有效提高供電系統(tǒng)的保護(hù)能力，增強(qiáng)其控制和可靠性能，供電系統(tǒng)中不同保護(hù)設(shè)備間完成數(shù)據(jù)通信需要依靠站間通信的形式。

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

智能牽引變電所采用三層兩網(wǎng)式的測控保護(hù)系統(tǒng)，三層指站控層、間隔層以及過程層，兩網(wǎng)指光纖通信網(wǎng)絡(luò)，分布在過程層、站控層。將設(shè)備采集SV網(wǎng)設(shè)置于過程層中，面向通用對(duì)象安裝變電所GOOSE網(wǎng)（面向通用對(duì)象）。智能牽引變電所的過程層由智能組件構(gòu)成，其中包括合并單元、本地保護(hù)和智能終端。智能組件與就地保護(hù)裝置之間的數(shù)據(jù)傳遞主要通過光纖實(shí)現(xiàn)，組件受到雷擊傷害時(shí)不會(huì)影響其他保護(hù)裝置。

以直采直跳組網(wǎng)方式為主的智能變電所就地保護(hù)測控系統(tǒng)借助光纖直接連通過程層，完成數(shù)據(jù)傳輸。以網(wǎng)采網(wǎng)跳組網(wǎng)方式為主的站域保護(hù)測控可有效提升數(shù)據(jù)的共享功能，增加數(shù)據(jù)傳輸可靠性；廣域通信使用網(wǎng)采網(wǎng)跳的方式實(shí)現(xiàn)廣域保護(hù)。

2.3 廣域保護(hù)測控

（1）站域保護(hù)。

故障出現(xiàn)在牽引變電所的低壓母線或其附屬裝置處時(shí)，低壓側(cè)保護(hù)裝置有0.7～1 s的響應(yīng)時(shí)間，再啟動(dòng)保護(hù)裝置。在響應(yīng)時(shí)間內(nèi)，供電設(shè)備會(huì)受到過載電流的影響，受到較大的損害。智能變電所的站域保護(hù)依靠光纖傳遞數(shù)據(jù)，保證實(shí)時(shí)通信，一旦設(shè)備感應(yīng)到故障電流，會(huì)啟動(dòng)GOOSE系統(tǒng)下的供電母線保護(hù)裝置。

智能變電所的站域保護(hù)作用是保護(hù)非故障部位不受故障電流的影響，若故障位置在母線或其附屬裝置處，故障電流僅在低壓側(cè)出現(xiàn)，不影響其他位置，可以保護(hù)供電設(shè)備不被故障電流影響。故障出現(xiàn)在饋線處，有不少于一個(gè)饋線保護(hù)元件可保護(hù)饋線。

（2）供電臂保護(hù)。

所選的AT牽引供電系統(tǒng)的供電臂故障時(shí)，會(huì)直接影響AT所、分區(qū)所的電流值，故障點(diǎn)位置與電流變化特征密切相關(guān)，故障點(diǎn)的位置不同，電流的變化特征也不同，可以通過分析在AT所、分區(qū)所附近電流特征判斷故障點(diǎn)，提供供電臂保護(hù)的相關(guān)數(shù)據(jù)。

通過比對(duì)牽引變電所內(nèi)的保護(hù)元件周圍上行、下行電路產(chǎn)生的電流，分析其電流的大小和流經(jīng)的方向，滿足保護(hù)元件至少在1個(gè)AT段，對(duì)故障地點(diǎn)可實(shí)行重疊保護(hù)。保護(hù)裝置的保護(hù)元件啟動(dòng)時(shí)，光纖通信會(huì)將故障信息（GOOSE跳閘報(bào)文）發(fā)送到同一位置區(qū)間的供電臂上的其他保護(hù)裝置上，出現(xiàn)故障的供電臂部位會(huì)自動(dòng)快速斷電，其他供電臂中的保護(hù)裝置都不受影響。此外，AT牽引供電系統(tǒng)供電臂故障時(shí)，在辨別供電臂故障位置時(shí)，采用分析AT所、牽引變電所及分區(qū)的阻抗特征的辦法。

（3）就地級(jí)保護(hù)測控裝置。

就地保護(hù)測控裝置可直接以被控對(duì)象自身作為基準(zhǔn)進(jìn)行獨(dú)立判斷，將故障快速、可靠隔離或切除，完成測量、控制被控對(duì)象及間隔內(nèi)開關(guān)的邏輯閉鎖等工作，包括但不限于主變測控、主變保護(hù)、饋線保護(hù)、故障測距等。

①牽引變壓器。

主變保護(hù)和主變測控裝置是牽引變壓器的主要配置，其主要負(fù)責(zé)變壓器的保護(hù)、測量、控制和備自投等功能。主變保護(hù)裝置在完成差動(dòng)、高低壓側(cè)過電流、過負(fù)荷等保護(hù)功能的同時(shí)，接收智能組件GOOSE信號(hào)記錄非電量保護(hù)。主變測控裝置則在完成變壓器高、低壓側(cè)電氣測量及相關(guān)斷路器和隔離開關(guān)控制的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)主變故障備用變壓器自動(dòng)投入、進(jìn)線失壓備用電源自動(dòng)投入等備自投功能和開關(guān)控制邏輯閉鎖功能。

②饋線。

每條饋線都有一套相應(yīng)的保護(hù)測控裝置，其主要負(fù)責(zé)完成過電流增量保護(hù)、電流速斷、自動(dòng)重合閘等功能，完成饋線間隔的1個(gè)饋線斷路器、2個(gè)電動(dòng)隔離開關(guān)控制和閉鎖功能，對(duì)間隔內(nèi)的電流值和電壓值進(jìn)行測量采集。

3 智能牽引變電所設(shè)計(jì)原則

（1）對(duì)智能牽引變電所而言，接口定義、通信協(xié)議、數(shù)據(jù)傳輸和硬件、軟件平臺(tái)等方面的配置以國際、國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)規(guī)定為基礎(chǔ)，在兼容不同廠家生產(chǎn)設(shè)備的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)不同系統(tǒng)間的信息共享和互聯(lián)互通。

（2）智能牽引變電所的硬件架構(gòu)與系統(tǒng)功能設(shè)有足夠的余量，可按照實(shí)際需求進(jìn)行容量擴(kuò)充、功能擴(kuò)展。

（3）對(duì)于在變電所中使用的軟、硬件設(shè)備和相關(guān)產(chǎn)品性能，應(yīng)滿足安全和可靠性要求。

（4）傳感器應(yīng)對(duì)電磁干擾和環(huán)境具有較強(qiáng)的適應(yīng)能力，設(shè)備對(duì)外置或內(nèi)置無絕對(duì)要求時(shí)，盡可能使用外置，若必須使用內(nèi)置式時(shí)，內(nèi)置傳感器宜采用無源型，使用壽命應(yīng)不低于設(shè)備本體使用壽命。在使用外置傳感器時(shí)，外置傳感器的安裝應(yīng)滿足美觀、易維護(hù)以及不降低高壓設(shè)備外絕緣水平等要求[1]。

（5）保護(hù)測控裝置應(yīng)滿足繼電保護(hù)選擇性、速動(dòng)性、靈敏性、可靠性的基本要求。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

某軌道交通項(xiàng)目沿線一共有22座變電所，AT分區(qū)所6座、牽引變電所5座、開閉所2座、AT所9座。該項(xiàng)目采用智能牽引變電所及廣域保護(hù)測控系統(tǒng)提升供電網(wǎng)絡(luò)的可靠性，運(yùn)行兩年以來，大幅度降低故障發(fā)生率，能夠快速排查故障、遠(yuǎn)程控制，應(yīng)用效果良好。

5 結(jié)語

在軌道交通工程牽引供電系統(tǒng)中，通過應(yīng)用智能牽引變電所提高供電可靠性，為電力機(jī)車提供可靠的動(dòng)力來源。本文從功能特征、供電設(shè)備數(shù)據(jù)交互等方面分析智能牽引變電所的優(yōu)勢，提出基于智能變電所構(gòu)建智能廣域保護(hù)測控系統(tǒng)，以案例中的應(yīng)用效果佐證論文的觀點(diǎn)。實(shí)踐證明，在軌道交通工程供電系統(tǒng)中應(yīng)用智能牽引變電所，可有效減少供電系統(tǒng)故障的出現(xiàn)概率，迅速切除故障點(diǎn)，降低損失，達(dá)到應(yīng)用目的。