城市軌道交通牽引供電系統主接線設計分析

天津東方凱發電氣自動化技術有限公司 胡 蓉

天津凱發電氣股份有限公司 閆兆輝

城市軌道交通牽引供電系統主接線設計分析

天津東方凱發電氣自動化技術有限公司 胡 蓉

天津凱發電氣股份有限公司 閆兆輝

本文首先對城軌牽引供電系統進行了簡要概述，并從增加備用母線、增設備用移動小車、雙母線系統與單母線系統方案對比三個角度出發，對牽引直流主接線形式展開了探討，最后以正常運行投切、故障切除動作、直流斷路器與電動隔離開關方案對比三個方面為出發點，對直流進線開關設置進行了分析，以供參考。

城市軌道交通；牽引供電系統；主接線設計

一、城軌牽引供電系統

從整體上來看，牽引網、牽引變電所共同構成了牽引供電系統，該系統運行中，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列車。牽引變電所運行中能夠將電能輸送出來，電動車組需要利用接觸網和饋電線來接收電能，并在對負饋電線、回流線、走行軌進行應用的過程中，生成牽引供電回路，將電能傳送到牽引變電所[1]。在整個牽引供電系統中，牽引變電所處于核心地位，其共擁有兩部分主接線：分別為牽引直流側和中壓交流側，牽引變電所、城軌交通供電系統在運行過程中是否擁有較強的靈活性和可靠性與各部分接線方式具有直接聯系，與此同時各部分接線方式還將對繼電保護、控制方式、配電裝置布置以及電氣設備選擇等產生直接影響。所以，必須合理把握各環節關系，從全局出發對影響系統運行穩定性的因素進行分析，并在技術經濟比較基礎上實現主接線的優化。

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，這是根據城軌交通牽引負荷特點而確定的，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，應將斷路器設置于2條母線之間，其運行中可以對任何一路4路饋線開關進行取代，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臺縱向電動隔離開關設置于同一饋電區電分段位置，當退出運行、故障解列現象產生于牽引變電所中時，可以對這一縱向電動隔離開關進行應用，促使大雙邊供電得以實現[2]。

（二）增設備用移動小車

第一，單母線系統位于直流側，其擁有相對簡單的接線方式。相比于雙母線系統，其運行中不需要使用4臺電動隔離開關和1條備用母線。

第二，應將1臺縱向電動隔離開關設置于同一饋電區電分段位置，當退出運行、故障解列現象產生于牽引變電所中時，可以對這一縱向電動隔離開關進行應用，促使大雙邊供電得以實現。

第三，在對縱向電動隔離開關進行應用的過程中，其既能夠充當任何一路饋線開關，也能夠替代整座變電所[3]。

（三）雙母線系統與單母線系統方案對比

在對雙母線系統進行應用的過程中，其優勢在于電動操動機構被應用于隔離開關和斷路器中，因此如果其中1臺斷路器產生了故障，那么倒閘作業可以通過遠方調度的方式進行，從而促使備用斷路器得以啟動，此時故障斷路器就可以停止運行。在這一過程中，整個倒閘作業過程中工作人員不需要進行現場檢修，因此即使設備發生嚴重故障，也不會對運營時間產生嚴重負面影響[4]。但是該系統運行中也存在一定缺陷：即擁有較多的電動隔離開關，擁有相對復雜的操作聯鎖過程；在雙邊供電中如果使用備用開關，會擁有復雜的雙邊聯跳轉換關系；如果其中一路饋線開關被縱向電動隔離開關取代，那么備用開關、備用母線的功能無法充分發揮出來。

在對單母線系統進行應用的過程中，擁有較低的一次性設備投入成本；但是其缺陷在于倒閘操作在故障斷路器中，要求檢修人員在現場進行操作。

由上述可知，兩種系統在使用的過程中，在靈活性和可靠性方面基本一致，但是同單母線系統相比，雙母線系統工程一次性成本投入相對較高，所以在以后的城軌交通直流主接線設計中，應對單母線接線形式進行應用，將其可靠性強、低成本等優勢充分發揮出來[5]。

三、直流進線開關設置

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線開關與整流機組進線斷路器之間發生，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線開關之間產生，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生，典型故障有接觸網短路等[6]。

將直流快速斷路器2013和2014應用于第一個單母線系統中；將電動隔離開關應用于第二個單母線系統中，在對2011和2012電動隔離開關進行應用的過程中，在正母線上并聯整流機組直流（如下圖所示）。

圖一 單母線系統（一）示意圖

圖二 單母線系統（二）示意圖

在對這一方法進行應用的過程中，其優勢在于直流快速斷路器可以由電動隔離開關取代，成本較低。與此同時，該方案的缺陷也是非常明顯的，在操作電動隔離開關時，便捷性較低，同時存在一定的附帶聯鎖條件，無法順利實現自動化，會一定程度上影響運營操作。

（一）正常運行投切

同斷開直流電弧相比，斷開交流電弧更容易，因此正常運行狀態下的整流機組由交流斷路器實現斷弧工作。直流進線開關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、直流進線開關為切除次序。所以，正常投切的整流機組中，直流進線開關是可以不擁有斷弧能力的。

（二）故障切除動作

在產生1類故障時，交流進線斷路器在整流變壓器中處于斷開狀態，同時促使直流進線開關聯跳。在這一過程中共由兩種牽引變電所運行方式：第一種為全所解列。即大雙邊供電，由相鄰所越區供電；第二種為退出故障整流機組，單臺整流機組處于繼續運行狀態。

在產生2類故障時，如果使用第二個單母線系統中的電動隔離開關，首先應保證交流進線斷路器在整流變壓器中處于跳開狀態，同時促使直流饋線開關聯跳，最后將直流進線開關分開；如果使用第一個單母線系統中的直流斷路器，由于大電流脫扣保護擁有較快的反應時間，因此交流斷路器通常比直流進線斷路器后跳閘。

在產生3類故障時，直流饋線開關在故障供電臂中跳開，雙邊運行時直流饋線開關在相鄰牽引變電所中聯跳。

由上述可知，當故障產生于直流母線中時，直流進線斷路器在直流斷路器中可以直接跳開，擁有較快的反應速度。

（三）直流斷路器與電動隔離開關方案對比

在確定直流進線開關方案時，對直流斷路器與電動隔離開關方案進行了對比：①從運營維護方面來看，二者沒有形成明顯的差別；②從運行靈活性方面來看，應用電動隔離開關，能夠滿足運行需求；但是直流斷路器形成了更強的靈活性；③從保護設置方面來看，應用電動隔離開關時存在閉鎖關系；而應用直流斷路器時擁有較強的獨立性；④從成本方面來看，應用電動隔離開關搖臂應用直流斷路器的成本低；⑤從母線故障切除的角度來看，應用電動隔離開關會產生暫時的供電中斷現象，而應用直流斷路器時，供電不會受到影響[7]。

由上述可知，兩種方案都具有可行性，在應用電動隔離開關時，能夠一定程度上降低成本，在對聯鎖條件進行設定的基礎上，能夠提升供電安全性和可靠性，同時可以為無人值班變電所簡化接線的實現提供保障。在對斷路器進行應用的過程中，直流母線短路切除的速度較快，能夠在短時間內實現大雙邊供電。由于整座牽引變電所退出運行以及直流母線故障發生的概率都相對較低，因此在實際工作中可以對直流斷路器的方案進行應用。

四、結束語

綜上所述，本文從城軌交通牽引供電系統主接線工程設計原則出發，對牽引直流側主接線形式和中壓交流側主接線形式這兩個我國常見的城市軌道交通牽引供電系統進行了全面對比，并在這一基礎上指出，牽引變電所主接線，可以將單母線系統應用于牽引直流側，并對備用移動斷路器小車進行增設；同時可以將電動隔離開關作為直流進線開關。在此基礎上構成的主接線擁有可靠性強、安全性良好和運行方式簡單的特點，能夠一定程度上降低成本，有助于我國城市軌道交通建設領域的全面發展。

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[2]陳垚,毛保華,柏赟等.列車屬性對城市軌道交通牽引能耗的影響及列車用能效率評價[J].中國鐵道科學,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營下通過能力研究[J].交通運輸系統工程與信息,2016(1):111-115.

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

[5]武倩楠,葉霞飛.城市軌道交通可達性提高和住宅價格增值關系[J].同濟大學學報(自然科學版),2016,44(6):899-906.

[6]楊儉,李發揚,宋瑞剛等.城市軌道交通車輛制動能量回收技術現狀及研究進展[J].鐵道學報,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判別方法[J].東南大學學報(自然科學版),2016,46(6):1318-1322.