牽引變電所直流系統構架優化研究

王 林

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，武漢 430063)

引言

牽引變電所直流系統為所內控制、信號、保護、自動裝置以及操作機構提供電源，是確保牽引變電所安全可靠運行極為重要的二次系統。目前，采用了雙切后兩路輸入電源供電、分設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，用于提高系統可靠性。近年來，在鐵路行業仍發生過牽引變電所因雷擊事故，造成綜自系統直流電源失電，引起更大次生災害的系統性事故的案例。

研究牽引變電所直流系統主接線、架構及饋電網絡研究的文獻不多，文獻[1]針對城軌主變電所及牽引變電所直流系統主接線和控制電壓選擇進行了論述，其直流系統主接線與鐵路牽引變電所差異較大。文獻[2]分析了多起直流系統故障引起牽引變電所全所停電的事故，但未從系統架構上進行優化，提出的增大綜自小母線電源回路空開措施，還將導致相關回路斷路器保護失去選擇性。

針對電力系統變電站，從文獻[3-10]可以看出，電力系統變電站在所用電源、直系統主接線、繼電保護配置及運維習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絡方案、強調保護電器級差配合的問題在牽引變電所的直流系統架構優化中具有借鑒意義。

因此，基于鐵路直流系統現狀及存在問題，有必要深入剖析直流系統構架現狀，從系統層面研究提升直流系統可靠性的措施。

1 直流系統的交流電源

目前，牽引變電所設置2回獨立的所用電源，其中至少1回由10 kV電力貫通線引接。所內設置2臺所用變壓器，通常采用1臺工作1臺備用的方式，交流屏母聯開關閉合，2段母線由同一臺所用變壓器供電，具體如圖1所示。

圖1 牽引變電所交流系統主接線典型方案

因此，建議采用2路10 kV所用電源時，2臺所用變壓器同時供電，交流屏2段母線分列運行，確保直流系統接引獨立的雙電源，從系統層面提升可靠性，具體如圖2所示。

圖2 牽引變電所交流系統主接線優化方案

考慮27.5 kV所用電源電能質量欠佳的實際情況，同時保留2路交流所用電源1主1備運行方式，建議選用PC級ATSE雙電源切換裝置代替傳統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 直流系統的主接線

目前，牽引變電所直流系統由所內交流屏提供雙回路電源向2套充電裝置供電。直流系統設置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段饋電母線設置專用合閘母線及控制母線，向不同負荷供電。2段電源母線和饋電母線間通過逆止二極管互聯，避免2組蓄電池同時向饋電母線供電造成環網短路故障，具體如圖3所示。

圖3 典型牽引變電所直流系統主接線

牽引變電所的綜自系統等設備對直流系統電源電壓波動范圍要求更嚴格，因此，饋電母線的合閘母線、控制母線需分開設置，通過設置專用的硅鏈降壓裝置解決蓄電池為控制母線供電時電壓波動范圍過大的問題。

調研了多個供電段直流系統的運行常見缺陷，并對缺陷出現的頻度進行了統計，見表1。

表1 供電段直流系統常見缺陷

下面結合常見故障，分析改主接線的必要性。

(1)當直流饋線發生接地故障或交流電源竄入直流電源系統故障時，牽引變電所通過一段饋電母線向全所控制、信號、保護、自動裝置供電的主接線方案，即使重要的負荷采用雙回路供電，仍將導致直流系統全所停電的風險。

1.1 一般資料 回顧性收集2016年10月至2017年10月重慶市永川區人民醫院366例膝關節軟骨損傷患者，經關節鏡證實，均為單膝損傷，左膝164例，右膝202例，均以關節疼痛入院就診，其中255例伴有關節絞鎖、活動受限。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、膝關節基礎疾病或損傷等。

(2)DL/T 5044—2014《電力工程直流電源設計技術規程》[11]規定：“正常運行方式下，每組蓄電池的直流網絡應獨立運行，不應與其他蓄電池組有任何電氣連接。”且GB 50054—2011《低壓配電設計規范》[12]規定：“半導體開關電器，嚴禁作為隔離電器”。目前，牽引變電所直流系統采用逆止二極管隔離互聯2組蓄電池組的做法有違規之嫌。東莞供電局在±660 kV換流站曾出現過通過二極管的環網供電[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組蓄電池隔離互聯方案類似，具體見圖4。

圖4 換流站通過二極管造成蓄電池組環網示意

(3)當牽引變電所直流系統降壓硅鏈故障時，將影響直流控制母線供電，控制母線為所內綜自系統提供電源，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主接線的可靠性不高，并沒有充分發揮配置2組蓄電池作為2套應急電源的優勢。用該蓄電池為220 kV主變壓器提供雙回直流電源時，從嚴格意義來講也不滿足相關規范對主變保護電源雙重化配置的要求，存在綜自系統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，采用2段單母線接線，每組蓄電池及其充電裝置應分別接入相應母線，2段直流母線之間應設聯絡電器，正常運行時，2段直流母線應分別獨立運行，具體如圖5所示。

圖5 優化后牽引變電所直流系統主接線

牽引變電所直流系統主接線優化后具備以下優點。

(1)優化后直流系統2組蓄電池、母線在運行過程中電氣上完全獨立，可以有效克服單獨元件、單一回路故障造成全所直流系統失電的問題。即使所內二次防強電裝置局部失效，雷擊引起的閃電感應竄入直流系統，也不會造成2組電源系統同時損壞。

(2)優化后牽引變電所直流系統的配置雙套微機監控裝置，交叉采集監控裝置工作狀態，可有效解決目前常見的監控裝置死機等常見缺陷，避免出現因小裝置故障造成系統性停電的問題。采取以上相關措施從系統層面提高了直流系統的可靠性。

(3)建議選用壽命更長的2 V蓄電池[11]組成蓄電池組，克服12 V蓄電池組放電過程電壓波動過大問題，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。

采取相關措施后，解決了直流系統常見缺陷，整治效果見表2。

表2 直流系統常見缺陷整治效果

3 關鍵直流饋電回路優化

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

圖6 綜自系統饋電網絡設計

當牽引供電系統出現故障時，從檢測故障到切除故障，需要經歷保護裝置交流采樣、計算判斷、保護出口、機構跳閘等相關過程，保護裝置控制回路電源與操作機構電機電源缺一不可。如何優化組合保護裝置及機構電源，對提高系統可靠性至關重要。

基于牽引變電所保護的特點，提出以下直流饋電回路優化方案，具體如圖7所示。

圖7 綜自系統及操作機構饋電網絡設計

為提高直流饋電回路可靠性，采取如下優化配置措施。

(1)220 kV變壓器配置雙套保護，雙套保護從電流互感器采樣、控制回路、機構跳閘線圈均獨立配置，因此，建議其采用雙重電源，雙套保護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低電壓啟動過電流保護，通常作為饋線保護的后備保護。因此，建議主變1套保護裝置、220 kV斷路器1套控制及電機回路、2×27.5 kV進線斷路器控制及電機回路由同1組蓄電池供電，主變2套保護裝置、饋線保護裝置、220 kV斷路器2套控制及電機回路、2×27.5 kV饋線斷路器控制及電機回路由另外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保護全部失效。

(3)綜自系統各段屏頂母線由雙回路供電后，對各控制回路采用輻射式供電方式。并應避免直流饋電回路引入綜自屏時，直流斷路器接入屏頂母線，導致直流配電網絡層級過多，造成饋電網絡直流斷路器失去選擇性問題。

(4)斷路器操作機構可采用分層輻射供電方式或環網供電方式。推薦采用分層輻射供電方式，在戶外需設置直流分電柜，分電柜柜頂根據需要設置2條或4條母線(雙套保護)，每2段母線由來自同一蓄電池組的2回直流電源供電，在輻射供電至220 kV間隔處的各操作機構。為適應鐵路用戶習慣，保留環網供電方式時，2回直流電源來自同一蓄電池組，但強調開環運行[14]，饋電直流斷路器納入遠動。當主供電源故障后，由電調遠程進行電源切換，并通知供電段運維人員前往現場處理故障。避免雙電源中斷時才檢出故障，造成變電所失去保護運行。

采取相關措施后，提高關鍵直流饋電回路的可靠性，最大程度避免牽引變電所保護完全失效的事故發生。

4 結論

本文從交流電源、主接線、關鍵直流饋電方案3方面分析了牽引變電所直流系統構架方面的不足，結合運營維護過程中直流系統常見缺陷，針對性地提出對直流系統采取系統級、元件級的優化措施，豐富了所用變壓器運行方式，規范了直流系統主接線，可以顯著提高牽引變電所直流系統的供電可靠性。提出的基于牽引變電所保護特點的關鍵直流饋電回路優化方案可最大程度避免保護失效故障。

提出的優化方案已應用于鐵路工程項目二次系統設計中，相關措施擬納入國鐵集團企業標準。