城市軌道交通牽引供電系統的主接線設計

陳 琳，王 黎，李宗昉，李金龍

0 引言

軌道交通是國內城市公共交通的重點發展方向。軌道交通列車的動力來自于牽引供電系統，它擔負著為電動列車和各種運營設備提供電能的重要任務，是城市軌道交通機電設備中除車輛以外的最大輔助設備系統[1]，所以，沒有電力牽引供電系統的安全可靠供電，就不可能有城市軌道交通的正常運行[2]。

目前，國內城市軌道交通牽引供電系統的主接線大多采用如下形式：每座牽引變電所設2 臺整流機組，均接于同一段母線上，每套整流機組分別通過斷路器與35 kV 母線連接；直流1 500 V 母線為單母線接線，直流斷路器的備用方式可有2 種，其優缺點各不相同；每座牽引變電所內饋出四回直流電源分別接至牽引網上下行，上下行左右供電臂之間均設電動隔離開關；直流進線開關選用直流斷路器或者電動隔離開關；直流負極開關選用手動隔離開關；直流饋線開關選用直流斷路器[3]。

以上主接線形式雖然滿足城市軌道交通供電系統運行的基本要求，但某些方面還有待優化。本文結合地鐵建設的可操作性，在確保供電系統安全和供電質量的基礎上進行進一步分析和研究，提出優化的可行性方案。

1 城軌牽引供電系統

概括地講，牽引供電系統由牽引變電所和牽引網組成，其主要功能是將交流中壓電經降壓、整流變成直流1 500 V 或直流750 V，為電動列車提供牽引供電[4]。

電能從牽引變電所輸出，經饋電線、接觸網到電動車組，再經走行軌或負饋電線（如單軌車輛等）、回流線返回牽引變電所構成牽引供電回路。

牽引變電所是牽引供電系統的核心，其主接線由2 部分組成：中壓交流側和牽引直流側，各部分接線方式的確定與城軌交通供電系統、牽引變電所本身運行的可靠性、靈活性和經濟性密切相關，并且對電氣設備選擇、配電裝置的布置、繼電保護和控制方式的擬定有較大影響。因此，必須正確處理各方面的關系，全面分析相關影響因素，通過技術經濟比較，優化主接線。

2 牽引直流主接線形式

根據城軌交通牽引負荷的特點和國內外運營經驗，牽引變電所主接線的直流部分一般采用單母線接線的形式[6]，其中直流斷路器的備用方式分為2 種。

2.1 增加備用母線

雙母線系統如圖1 所示。該方案的特點是：

（1）直流母線設工作母線和備用母線，2 條母線之間設備用斷路器，它可代替4 路饋線開關中任何一路，是北京地鐵多年慣用的接線方式。

（2）在同一饋電區電分段處設置1 臺縱向電動隔離開關，當牽引變電所故障解列或退出運行時，可通過它實現大雙邊供電。

圖1 雙母線系統示意圖

2.2 增設備用移動小車

單母線系統如圖2 所示。該方案的特點是：

（1）直流側為單母線系統，接線簡單。與雙母線系統相比，可節省1 條備用母線、4 臺電動隔離開關。

（2）在同一饋電區電分段處設置1 臺縱向電動隔離開關，當牽引變電所故障解列或退出運行時，可以通過它實現大雙邊供電。

（3）縱向電動隔離開關既可以代替整座變電所，也可以代替任何一路饋線開關。

圖2 單母線系統（一）示意圖

2.3 雙母線系統與單母線系統方案比較

雙母線系統的優點是斷路器和隔離開關均采用電動操動機構，當1 臺斷路器發生故障時，通過遠方調度的倒閘作業，將備用斷路器投入運行，故障斷路器退出運行，不必等到檢修人員到現場，即可完成倒閘作業，在一定程度上減少了設備故障影響運營的時間。而其缺點是：電動隔離開關太多，實現操作聯鎖較復雜；當使用備用開關實現雙邊供電時，雙邊聯跳的轉換關系復雜且環節多；當用縱向電動隔離開關代替任何一路饋線開關時，備用母線和備用開關就顯得多余。

單母線系統的優點是接線形式簡單，一次性設備投資較低；缺點是故障斷路器的倒閘操作，需要檢修人員到現場后才能完成。

綜上所述，雙母線系統和單母線系統在可靠性、靈活性方面基本相同，但雙母線系統的工程一次性投資明顯高于單母線系統，因此，今后城軌交通直流主接線的設計中，建議盡量采用簡潔、可靠、投資少的單母線接線形式。

3 直流進線開關的設置

牽引變電所整流部分故障可劃分為3 類：第1類發生在整流機組進線斷路器與直流進線開關之間，如整流變壓器、整流器及連接電纜故障等；第2 類發生在直流進線開關與直流饋線斷路器之間，如直流母線短路故障；第3 類發生在直流饋線斷路器以下，如接觸網短路故障[7]。

單母線系統（一）采用直流快速斷路器2013和2014，如圖2 所示。單母線系統（二）采用電動隔離開關，如圖3 所示，通過電動隔離開關2011和2012 把整流機組的直流輸出并聯接至正母線上。

該方案的優點在于用電動隔離開關代替直流快速斷路器，一次投資少，但其缺點也很明顯，電動隔離開關的操作不方便，需附帶聯鎖條件，實現自動化比較麻煩，給運營操作帶來不便。

圖3 單母線系統（二）示意圖

3.1 正常運行投切

由于斷開交流電弧比斷開直流電弧容易，故整流機組正常工作時的斷弧工作一般由交流斷路器完成。投入次序為先直流進線開關再交流斷路器；切除次序為先交流斷路器再直流饋線斷路器、直流進線開關。

因此，整流機組的正常投切不需要直流進線開關具備斷弧能力。

3.2 故障切除動作

第1 類故障發生時，整流變壓器的交流進線斷路器斷開，然后聯跳直流進線開關。此時牽引變電所有2 種運行方式：一種是全所解列，由相鄰所越區供電即大雙邊供電；另一種是退出故障整流機組，單臺整流機組繼續工作。

第2 類故障發生時，若采用單母線系統（二）的電動隔離開關，首先跳開整流變壓器的交流進線斷路器，然后聯跳直流饋線開關，再分開直流進線開關；若采用單母線系統（一）的直流斷路器，由于大電流脫扣保護的反應時間快，直流進線斷路器一般先于交流斷路器跳閘。

第3 類故障發生時，跳開故障供電臂的直流饋線開關，并聯跳相鄰牽引變電所相應的直流饋線開關（雙邊運行時）。

可見，直流母線故障時，直流斷路器可以直接跳開直流進線斷路器，反應速度較快。

3.3 直流斷路器與電動隔離開關方案比較

選取直流斷路器或電動隔離開關作為直流進線開關方案的技術分析見表1。

表1 直流進線開關選取方案的技術分析比較表

2 種方案各有優缺點，均為可行方案。采用電動隔離開關可以節省設備投資，通過設置必要的閉鎖和聯鎖條件，滿足供電的可靠性及安全需求，并且符合無人值班變電所簡化接線的要求。采用斷路器可以提高切除直流母線短路的速度，實現大雙邊供電的時間也較短。鑒于直流母線故障和整座牽引變電所退出運行的幾率很小，因此選擇直流斷路器作為推薦方案。

4 結論

本文根據城軌交通牽引供電系統主接線的工程設計原則及運營經驗，結合國內外整流機組、開關設備的技術發展，從技術可靠性、運行靈活性及工程投資經濟性等方面，對國內常用的城市軌道交通牽引供電系統的中壓交流側和牽引直流側主接線形式進行詳細比較和分析，將傳統的牽引變電所主接線做了如下改進。

（1）牽引直流側采用單母線系統，增設備用移動斷路器小車。

（2）直流進線開關選用電動隔離開關。這樣的主接線及運行方式簡單、安全可靠，節省投資，值得在國內城市軌道交通建設中推廣應用。

[1] 汪孔屏.淺議軌道交通直流牽引供電系統的構成及保護配置[J].上海電器技術，2005，（4）：33-38.

[2] 桑艷艷.北京地鐵直流牽引供電系統主接線及運行方式分析[J].數字技術與應用，2010，（8）：180-181.

[3] 周才發.城市軌道交通牽引變電所主接線的優化研究[J].電氣化鐵道，2010，（4）：47-50.

[4] 李秀娥.軌道交通供電系統綜述[J].電氣傳動自動化，2007，29（1）：5-7.

[5] 宋奇吼，李學武.城市軌道交通供電[M].北京：中國鐵道出版社，2009：101-106.

[6] 白雪蓮.城軌交通供電系統牽引變電所直流主接線[J].電氣化鐵道，2004，（4）：40-42.

[7] 李建民，王麗紅.城市軌道交通牽引供電系統整理機組的接入與輸出方案[J].城市軌道交通研究，2007，（10）：64-67.