牽引網不停電運行方式轉換方案及其運用

張開波

（中鐵二院工程集團有限責任公司，成都 610031）

目前，大部分城市軌道交通工程，包括地鐵、輕軌、跨座式單軌、中低速磁懸浮、現代有軌電車(接觸網供電)等工程在內，主要采用DC 1 500 V 或DC 750 V直流電源通過牽引網給機車車輛供電。各牽引變電所(簡稱“牽引所”)直流牽引母線一般采用簡捷的單母線形式，設置相應的直流饋線，通過上網隔離開關給線路的上、下行牽引網供電；在對應的牽引網上網點處設置絕緣電分段，同時在絕緣電分段處設置了越區供電開關。

在采用直流牽引網作為機車車輛的牽引供電時，正線區段相鄰的牽引所向同一牽引供電分區小雙邊供電；當任何一回直流饋線發生故障或任何一座牽引變電所故障解列時，閉合該越區供電開關，由相鄰的牽引變電所通過其越區開關實現該區段牽引網的大雙邊供電[1]。

1 牽引網運行方式轉換的情況分析

1.1 與牽引網運行方式有關的故障類型

在長期的運營維護過程中，當工程正線區段發生以下直流牽引系統故障時，會導致牽引網的運行方式發生轉變。

1) 牽引所直流牽引供電設施發生故障：一是直流開關設施框架保護動作，發生整體性故障，導致牽引所解列；二是整流機組發生故障，需要將牽引所整體退出運行；三是直流饋線回路發生故障，包括對應該饋線的直流饋線斷路器及其與上網隔離開關之間的連接電纜發生故障。

2) 牽引網側供電設施發生故障：對應各牽引所直流饋線回路的上網隔離開關發生故障。

1.2 運營維護或電力調度管理的需要

1) 某些特殊原因，需要將某一個牽引所或其饋線回路退出運行。

2) 在某一個牽引所或其某一個饋線回路故障解除時，牽引網需要由大雙邊供電恢復為小雙邊供電運行方式。

1.3 牽引網運行方式的轉換類型

上述情況發生時，將會導致牽引網的運行方式發生轉換，主要有以下兩種方式：

1) 上、下行線路全部進行運行方式的轉換：當牽引所解列整體退出運行時，上、下行牽引網全部由小雙邊切換為大雙邊供電運行方式；或當牽引所整體恢復投入運行時，上、下行牽引網全部由大雙邊切換為小雙邊供電運行方式。

2) 上行或下行線路進行運行方式的轉換：當牽引所發生局部故障僅影響上行或下行線路的某一饋線回路時，牽引所對應發生故障的上行或下行饋線回路退出運行，對應的牽引網由小雙邊切換為大雙邊供電運行方式；或當上行或者下行饋線回路恢復投入運行時，對應的牽引網由大雙邊切換為小雙邊供電運行方式。

需要說明的是，采用直流牽引供電系統的城市軌道交通線路，正線牽引網長時間持續單邊運行的模式與規范要求是有沖突的。

2 常規方案在運行方式轉換上的不足

2.1 常規牽引網供電方式

根據《地鐵設計規范》要求，牽引變電所直流快速斷路器至接觸網間應設置電動隔離開關[2]，因此各牽引變電所直流饋線至牽引網處，均配置了上網的電動隔離開關。但對于正線絕緣電分段處實現牽引網越區供電的開關，規范并未明確規定采用何種形式，大部分軌道交通工程采用了與上網電纜連接一致的電動隔離開關作為越區開關，具體如圖1 所示[3]。

圖1 傳統上網及越區供電方案Fig. 1 Scheme of traditional on-grid and over-zone DC power supply

2.2 常規方案在運行方式轉換上的不足

由于越區開關采用常規的電動隔離開關，沒有帶負荷分合閘的能力，也沒有切斷故障電流的能力，所以需確認左右兩個相鄰牽引所對應饋線回路的斷路器均處于分斷位置的情況下才允許對其進行操作，一般需要在牽引變電所之間通過控制電纜采用較為復雜的電氣閉鎖回路來保證其操作的安全性。

因此，在實際正常運營時段，如果出現某一牽引所某一回直流饋線出現故障或者其他意外情況而退出運行、無法正常向牽引網供電時，對于正線牽引網，如果不能及時將越區開關合上，實現由相鄰牽引所越區大雙邊供電，將會出現牽引網持續單邊供電的情況。當此類故障出現時，為保證線路的持續運營，維持對牽引網的不間斷供電，有的運營公司采用了減少行車對數下的單邊供電，有的運營公司仍按原來的行車對數繼續保持牽引網單邊供電，即不閉合越區隔離開關，不采用大雙邊的供電方式。

但在實際運營中發現，當相鄰牽引所對該牽引供電分區單邊供電時，由于車輛行車對數較高，同時其運行牽引取流較大，所以在解列牽引所上網點附近的牽引網絕緣電分段處兩側的牽引網直流電壓差(ΔU)較大。當車輛受電弓(或受電靴)高速通過該絕緣電分斷時，同時接觸電分段的兩側牽引網，打火及拉弧現象嚴重。這不僅嚴重影響牽引網電分段及列車受電弓的使用壽命，而且還在某些工程中出現過較大的電弧，導致牽引網與列車頂部發生弧光短路而損壞車輛，同時使鄰近牽引所單邊供電的直流饋線斷路器再次跳閘，從而導致更嚴重的牽引網停電，運營中斷。如果在行車對數壓力較大的早晚高峰期，不僅上述故障現象存在，而且部分運營車輛較為密集的線路還可能會出現牽引網單邊供電、直流饋線回路過電流跳閘的現象，導致情況進一步惡化。因此，正線牽引網單邊供電，不僅與規范要求相沖突，而且在實際的運營中也會出現明顯的安全隱患，在某些情況下可能將故障范圍擴大，或引起其他故障發生。

為避免上述現象的發生，需要控制中心電力調度系統在運營時段將牽引網單邊供電及時調整為大雙邊供電運行方式，但這會讓調度人員比較為難。對于地鐵、輕軌工程而言，正線大部分區段均位于地下，牽引網的小雙邊供電范圍一般為2～4 km，大雙邊供電范圍一般為5～8 km。對于如此長大的地下隧道區間，上下行線路投入運營的車輛數量較多，如果貿然將相鄰牽引所對應大雙邊供電的饋線回路斷路器全部分斷，將越區隔離開關閉合以后，再恢復相鄰牽引所對應大雙邊供電區段的饋線回路斷路器合閘，將其調整為牽引網大雙邊供電。這在理論上是可行的，但實際運營過程中仍存在以下問題：一方面，該過程盡管可以采用程控功能，但相對來說其停電倒閘的持續時間仍然較長，對因為牽引網停電而困在運營線路區間隧道內的大量乘客而言，在信息極為不對稱的情況下，仍可能會導致一定的恐慌，在目前這個人人都可以是自媒體的信息時代，這種較為恐慌的信息大量發布，對整個城市軌道交通的健康高效運行會帶來一定的不利影響，同時如果時間過長，對行車的調度安排也會帶來不利影響。另一方面，由于牽引網運行方式的轉換涉及的開關數量較多，影響范圍較大，一定程度上又會將停電故障范圍人為地擴大；同時，開關動作次數較多，且為不同牽引所內的直流斷路器開關，各牽引所均為無人值班運行方式，如果在分、合閘過程中出現其他意外情況，導致開關的分合閘不成功，不僅將停電故障范圍人為地擴大，也會導致停電時間更長，進一步加大乘客的恐慌。

同理，如果牽引網大雙邊供電切換為小雙邊供電的運行方式，也會出現上述不利影響。因此，在線路的正常運營時段，無論牽引網是小雙邊供電(或單邊供電)切換為大雙邊供電，還是大雙邊供電切換為小雙邊供電，對運營線路的電力調度人員而言，都是一個較為艱難的選擇。所以，在目前的部分運營線路中，如果出現類似的情況，有些就不再轉換牽引網的運行方式，而是維持這種單邊供電的運行方式，任由其打火或拉弧，賭博式地認為這種故障范圍擴大的概率不會太大，一直堅持到夜間停運以后，以犧牲牽引網和受電弓使用壽命的方式來維持線路的持續運營。

因此，雖然城市軌道交通工程的直流牽引供電系統設計方案本身的可靠性及冗余度很高，能力也很強，但在實際運營中如果出現了類似的故障，有應對的故障支援供電方案卻不好用，或者不敢用。同時，由于常規方案需要停電進行運行方式的切換，導致即使在巡視中發現牽引所或對應饋線回路有故障隱患，因其會影響線路的正常運營，所以只要還能堅持繼續供電，也不太敢輕易立即停電進行及時有效的檢修，需要等待夜間線路停運以后再進行維修處理，不利于牽引所某些故障隱患的及時消除。

上述導致無法向牽引網正常持續供電的故障類型，盡管發生概率相對較低，但隨著各城市軌道交通線網的快速發展，牽引所以及對應的直流饋線數量增加較快，且隨著直流供電設備設施長期運行而逐漸老化，后期其故障概率會一定程度地增加。同時，隨著客流的培養，運營客流的壓力在逐漸增加，在對城市軌道交通運營安全及可靠性要求越來越高的前提下，這種不合理或者不完全可控的現象也需要在方案設計中力求避免。

根據上述分析，需要設計一種新的方案來滿足這種牽引網運行方式轉換的需求。

3 牽引網不停電運行方式轉換方案

3.1 新型的牽引網供電方案

常規的電動隔離開關無法實現帶負荷的操作，如果將該越區開關調整為可以帶負荷操作的開關，就可以實現牽引網不停電運行方式的轉換。目前，帶負荷操作的開關主要有直流斷路器及直流負荷開關兩種，在實際運用中各有優缺點：采用直流斷路器的方案，運用成熟，本身牽引變電所內有較多的直流斷路器，沒有新的設備類型或者故障種類出現，檢修維護成熟，但對現場應用環境的要求相對較高；采用直流負荷開關，投資造價及對應用環境的要求均相對較低，但能提供該設備的廠家較少，應用經驗較少，故障分斷能力不如斷路器。

在城市軌道交通工程中正式應用的主要是斷路器方案，下面對該方案相關的應用進行詳細分析及描述。

3.2 不停電運行方式轉換方案

正線各牽引所仍采用電動隔離開關實現與牽引網的連接，但在各牽引變電所對應的絕緣電分段處優化為采用斷路器作為越區開關，具體如圖2 所示[4]。

圖2 新型上網及越區供電方案Fig. 2 Optimization of on grid and over-zone DC power supply scheme

1) 牽引網小雙邊供電(或單邊供電)轉換為大雙邊供電。當任意牽引變電所的任意饋線回路出現故障并退出運行后，單邊供電時可直接閉合該牽引所對應的越區斷路器開關，從而實現牽引網的大雙邊供電。在整個過程中，牽引網無需斷電，也不涉及相鄰牽引所的任何操作，只需對出現故障的牽引所越區開關進行操作。當任意牽引變電所在某些特殊情況下需要進行檢修維護時，仍可按上述動作方案，直接將牽引網小雙邊供電切換為大雙邊供電，無需讓牽引網停電，也不涉及相鄰牽引所的任何開關回路操作。

2) 牽引網由大雙邊恢復為小雙邊供電。當牽引所故障排除后，為保證牽引供電的彈性及裕度，牽引網由大雙邊供電切換為小雙邊供電方式，可以預先將需要投入運營牽引所對應饋線回路的相應開關閉合，即在一個時間段內，該牽引供電分區內大雙邊供電及小雙邊供電均全部存在；待該牽引所供電全部恢復后，再分斷相應的越區斷路器開關，實現完全正常化的小雙邊供電。在整個過程中，牽引網無需停電，也無需涉及相鄰牽引所的任何開關回路操作，對整個線路的正常運營完全沒有影響。

3.3 新型方案帶來的良好效果

1) 需動作的牽引所以及開關數量少，動作次數少。由于新型牽引網供電方案的越區開關采用斷路器模式，不涉及與相鄰牽引所饋線的閉鎖邏輯關系，因此需要操作的開關數量少，動作次數少，僅涉及本牽引所與運行方式有關的部分開關，因此運行方式切換可以在很短的時間內完成。

2) 牽引網運行方式的轉換可以全天候，不影響線路的正常運營。在整個運行方式轉換的過程中，牽引網可以不停電，對線路的正常運營基本沒有任何不利影響，車輛及乘客根本不會感受到牽引網運行方式的轉換，因此牽引網運行方式的轉換可以在任何需要的時段進行，無需等待夜間停運或者其他特殊的時段才能操作。電力調度人員根據供電調度或者運營維護的實際需求，隨時執行相關的運行方式切換，無需擔心是否在運營時段及對運營的影響，且操作對應的變電所及開關數量少，調度管理靈活方便。

3) 牽引供電系統的維護管理可以全天候。如采用新型方案，對于牽引供電系統的維護管理來說也是比較便利的。可根據其緊急程度和實際需要，自行判斷何時進行保養維護管理，主動及時地消除故障隱患，而不用等待至線路夜間停運后才能進行維護。牽引所直流牽引部分可以在任何時候完全退出及投入運行，對于可能的故障隱患可以隨時通過調度轉換為牽引網大雙邊供電或恢復為小雙邊供電，不會影響既有線路的正常運營，無需在夜間線路停運以后才進行，可大幅減少牽引供電系統運營維護人員的熬夜辛苦，提高設備設施的維護效率。

4) 可完全取消相鄰牽引所之間的聯鎖、閉鎖關系。因采用越區斷路器方案，所以可以完全取消牽引變電所之間開關動作回路的相互閉鎖關系，極大地簡化變電所之間的二次電纜聯系。

5) 適應規范的要求。新方案可以方便徹底地實現規范要求的越區故障支援供電，同時很便捷地實現牽引網大、小雙邊供電運行方式的轉換。

該方案是對地鐵輕、軌牽引供電系統設計、運營維護及調度管理的一個突破，彌補了牽引供電系統在實際可用性、可維護性上還存在的一個缺陷。盡管這種故障概率相對不高，且需要增加一定的工程投資，但對于地鐵、輕軌這種要求高、需要幾十年安全可靠運營的工程而言，所增加的部分投資基本可以忽略。

4 上網及越區開關安裝方案的改進

4.1 常規直流上網及越區開關的位置選擇

1) 位置選擇在區間隧道內。在常規軌道交通工程中，為盡量減少上網電纜故障對牽引供電的影響，很多工程將每座牽引所對應的上網開關及越區開關均設置在隧道區間內，盡量將上網電纜的長度縮短，降低電纜故障對運營的影響(盡管其故障概率很低)，其現場實際安裝如圖3 所示[6]。

圖3 上網及越區開關在隧道內的安裝Fig. 3 Installation of on-grid and over-zone switch in tunnel

但上網及越區開關設置在隧道區間不利于設備的常規巡視及維護工作，而且隧道內的運營環境相對惡劣，一定程度上會導致這些直流開關設施的故障率上升。這些對應的直流上網或越區開關設備如果出現故障，由于在線路的運營時段內，除非很特殊或緊急的情況，任何人員不得進入軌行區，因此運營維護人員很難第一時間及時完全掌握實際故障情況，一般僅能在線路停運以后才能到設備現場確認。同時，進入軌行區的管理及清點手續麻煩，且時間受限、維護空間相對局促，因此，給牽引供電的可靠運行、可維護性及故障消除的及時性也帶來了一定的不利影響。

由于線路停運基本是在夜間，在允許進入正線線路區間對設備進行維護管理時已是深夜，設備維護人員必須要熬夜等待，還需要在規定的時間內盡快完成相關工作，辛苦程度及勞動強度均較大。以上情況，不利于軌道交通工程設施幾十年如一日長期的運營維護管理。因此，上網及越區開關無論是采用隔離開關還是斷路器，均宜選擇將其設置在車站室內便于巡視、檢修運營維護的位置。

2) 位置選擇在牽引變電所內。為了方便運營維護管理，部分工程將其設置在牽引變電所內，基本與直流饋線斷路器等設施布置在一起。該方案設置在變電所室內，非常便于巡視、檢修和運營維護，但由于牽引變電所的設置位置與上、下行牽引網上網點的設置位置很難保持一致，導致牽引變電所直流饋線至牽引網連接點的距離相對比較長。由于上網電纜數量多且距離過長，在長期的運行過程中，盡管發生故障的概率較小，但故障發生后不利于運行方式的轉換。因此，該方案也不利于牽引供電系統的長期穩定運行。

4.2 直流上網及越區開關的位置選擇改進

為此，需要采用一種室內布置但距離牽引網上網點較近的改進方案。在上、下行線路臨近牽引網絕緣電分段位置的車站端頭各設置一個設備房間，將上網開關及越區開關設置在運行環境較好且便于維護的室內環境中(見圖4)。在滿足上網電纜距離上網點較近的同時，還使設備的運行環境得以大幅改善，運營維護也可不受軌行區相關規定的限制，便于保障裝置的運營維護，及時消除故障隱患，進一步提高線路牽引供電的可靠性[6]。

圖4 上網及越區開關在車站室內安裝Fig. 4 Installation of on- grid and over-zone switch indoors

這種室內布置優化方案，無論越區開關采用隔離開關還是斷路器，均能非常適應。盡管該方案對車站的設備房間布置提出了一定的要求，但房間占地面積較小。同時，鑒于很多城市軌道交通工程要求在全線牽引網絕緣電分段上網點附近，設置便于工程運營維護的可視化接地裝置，因此可以將上網及越區開關、可視化接地裝置等設施一并設置在這個便于運營維護的房間內，實現設備房間的綜合利用，整體上對車站的面積影響不大。

5 結語

城市軌道交通具有行車密度大、高效、環保、準時、站點密集等特點，越來越成為城市公共客運系統的骨干，承擔的壓力很大。牽引網停電導致運營的中斷，是軌道交通工程不能承受之痛。特別是近年來，全自動運行的城市軌道交通線路越來越多，對直流牽引供電系統的可靠性、可用性、可維護性，牽引網運行方式改變的靈活性、即時性，以及故障修復后供電的及時性等方面，均提出了更高層次的要求。因此，要考慮牽引網不停電運行方式轉換的實際需求，同時將上網及越區開關設置在車站室內。

綜上所述，城市軌道交通工程采用牽引網不停電運行轉換方案，可進一步提高城市軌道交通工程運營的靈活性，同時也能以人為本，大幅減少運營維護人員的夜間勞動時間，減輕他們的勞動強度，便于運營調度及維護管理，更有利于城市軌道交通工程建設的可持續發展。