軌道交通中的智能牽引變電所應用分析

姜 利

（中鐵電氣化勘測設計研究院有限公司，天津 300250）

復雜的AT供電方式結構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車供電系統的可靠性。本文基于軌道交通工程供電系統特性分析，提出基于智能牽引變電所構建的智能廣域測控系統，在現場應用該系統。經測試發現，智能牽引變電所和廣域測控系統可以有效提升軌道交通供電系統的可靠性，更為安全、智能。

1 軌道交通中的供電系統特性

在軌道交通工程中，供電系統是重要的一部分，應對其性能進行日常安全檢測。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人員的素質、技術水平、環境條件等主、客觀因素的影響，易產生誤差，且隱秘部位巡檢人員檢查不到位，無法實時監測預警。未來軌道交通工程中供電系統的巡檢應更趨向自動化、智能化。

1.1 外部供電系統

在高速鐵路AT牽引網中，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電源電壓基本高于220 kV。容量大的變壓器出現短路故障時，產生的阻抗低，若牽引變電站的近端發生短路現象，瞬時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，前者是后者的2～3倍。電力線路產生的熱量和電流的平方成正比關系，高速鐵路牽引變電所近端短路時，產生的發熱量是普通鐵路近端短路時產生的發熱量的4～9倍。為了確保供電系統能夠可靠運行、迅速切除短路故障，應選擇響應速度較快的牽引電源保護系統。

1.2 AT牽引供電

AT牽引供電結構復雜，供電能力強，有多個接觸網導線，供電方式多樣，可越區、可并聯、可串聯。在繼電保護方面，AT牽引供電和普速直接供電方式在繼電保護器故障識別范圍、斷路器動作選擇以及故障切斷區間確定等方面存在差異。繼電保護器沒有良好的選擇性，單個位置出現供電故障時，會牽連多個保護設備，出現同時跳閘的故障，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

由于施工區域地形和環境的影響，軌道交通工程中常見高架、橋梁，為了避免供電系統受到雷擊傷害，應確保電力機車的運行條件穩定。通常情況下，采用互感器連接牽引變電所一次、二次系統，控制信號、模擬信號在系統間多次傳播，電氣難以隔離。牽引變電所附近供電線路被雷擊擊中時，雷擊電流流入牽引變電所二次系統的概率提升。為了減小雷擊對二次系統的影響，通常情況會選用綜合防雷屏，但應用綜合防雷屏的弊端在于增大后期運營的難度。綜合防雷屏接線復雜、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、二次系統間電氣隔離的弊端，數據傳輸時采用光纖及數字信號，能夠提升供電系統的抗電磁干擾能力，起到良好的防雷作用，將線纜的布設標準提升一個檔次，提高系統的防火能力。

2 智能牽引變電所的主要功能

以《智能變電所技術導則》（GB/T 30155—2013）為基準，集成的智能組件和智能變壓器是構成智能牽引變電所的主要結構。

2.1 頂層設計

在頂層設計中，牽引變電所就地保護的方式為一對一，是綜合考慮高速鐵路AT牽引供電需求以及融合數字化變電站、實時通信、數據共享技術的基礎上提出的。在不同的保護裝置間實現的數據傳輸、資源共享，可有效實現站域間的保護控制。為了有效提高供電系統的保護能力，增強其控制和可靠性能，供電系統中不同保護設備間完成數據通信需要依靠站間通信的形式。

2.2 系統結構

智能牽引變電所采用三層兩網式的測控保護系統，三層指站控層、間隔層以及過程層，兩網指光纖通信網絡，分布在過程層、站控層。將設備采集SV網設置于過程層中，面向通用對象安裝變電所GOOSE網（面向通用對象）。智能牽引變電所的過程層由智能組件構成，其中包括合并單元、本地保護和智能終端。智能組件與就地保護裝置之間的數據傳遞主要通過光纖實現，組件受到雷擊傷害時不會影響其他保護裝置。

以直采直跳組網方式為主的智能變電所就地保護測控系統借助光纖直接連通過程層，完成數據傳輸。以網采網跳組網方式為主的站域保護測控可有效提升數據的共享功能，增加數據傳輸可靠性；廣域通信使用網采網跳的方式實現廣域保護。

2.3 廣域保護測控

（1）站域保護。

故障出現在牽引變電所的低壓母線或其附屬裝置處時，低壓側保護裝置有0.7～1 s的響應時間，再啟動保護裝置。在響應時間內，供電設備會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依靠光纖傳遞數據，保證實時通信，一旦設備感應到故障電流，會啟動GOOSE系統下的供電母線保護裝置。

智能變電所的站域保護作用是保護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出現，不影響其他位置，可以保護供電設備不被故障電流影響。故障出現在饋線處，有不少于一個饋線保護元件可保護饋線。

（2）供電臂保護。

所選的AT牽引供電系統的供電臂故障時，會直接影響AT所、分區所的電流值，故障點位置與電流變化特征密切相關，故障點的位置不同，電流的變化特征也不同，可以通過分析在AT所、分區所附近電流特征判斷故障點，提供供電臂保護的相關數據。

通過比對牽引變電所內的保護元件周圍上行、下行電路產生的電流，分析其電流的大小和流經的方向，滿足保護元件至少在1個AT段，對故障地點可實行重疊保護。保護裝置的保護元件啟動時，光纖通信會將故障信息（GOOSE跳閘報文）發送到同一位置區間的供電臂上的其他保護裝置上，出現故障的供電臂部位會自動快速斷電，其他供電臂中的保護裝置都不受影響。此外，AT牽引供電系統供電臂故障時，在辨別供電臂故障位置時，采用分析AT所、牽引變電所及分區的阻抗特征的辦法。

（3）就地級保護測控裝置。

就地保護測控裝置可直接以被控對象自身作為基準進行獨立判斷，將故障快速、可靠隔離或切除，完成測量、控制被控對象及間隔內開關的邏輯閉鎖等工作，包括但不限于主變測控、主變保護、饋線保護、故障測距等。

①牽引變壓器。

主變保護和主變測控裝置是牽引變壓器的主要配置，其主要負責變壓器的保護、測量、控制和備自投等功能。主變保護裝置在完成差動、高低壓側過電流、過負荷等保護功能的同時，接收智能組件GOOSE信號記錄非電量保護。主變測控裝置則在完成變壓器高、低壓側電氣測量及相關斷路器和隔離開關控制的同時，實現主變故障備用變壓器自動投入、進線失壓備用電源自動投入等備自投功能和開關控制邏輯閉鎖功能。

②饋線。

每條饋線都有一套相應的保護測控裝置，其主要負責完成過電流增量保護、電流速斷、自動重合閘等功能，完成饋線間隔的1個饋線斷路器、2個電動隔離開關控制和閉鎖功能，對間隔內的電流值和電壓值進行測量采集。

3 智能牽引變電所設計原則

（1）對智能牽引變電所而言，接口定義、通信協議、數據傳輸和硬件、軟件平臺等方面的配置以國際、國家標準和行業規定為基礎，在兼容不同廠家生產設備的同時，實現不同系統間的信息共享和互聯互通。

（2）智能牽引變電所的硬件架構與系統功能設有足夠的余量，可按照實際需求進行容量擴充、功能擴展。

（3）對于在變電所中使用的軟、硬件設備和相關產品性能，應滿足安全和可靠性要求。

（4）傳感器應對電磁干擾和環境具有較強的適應能力，設備對外置或內置無絕對要求時，盡可能使用外置，若必須使用內置式時，內置傳感器宜采用無源型，使用壽命應不低于設備本體使用壽命。在使用外置傳感器時，外置傳感器的安裝應滿足美觀、易維護以及不降低高壓設備外絕緣水平等要求[1]。

（5）保護測控裝置應滿足繼電保護選擇性、速動性、靈敏性、可靠性的基本要求。

4 現場應用

某軌道交通項目沿線一共有22座變電所，AT分區所6座、牽引變電所5座、開閉所2座、AT所9座。該項目采用智能牽引變電所及廣域保護測控系統提升供電網絡的可靠性，運行兩年以來，大幅度降低故障發生率，能夠快速排查故障、遠程控制，應用效果良好。

5 結語

在軌道交通工程牽引供電系統中，通過應用智能牽引變電所提高供電可靠性，為電力機車提供可靠的動力來源。本文從功能特征、供電設備數據交互等方面分析智能牽引變電所的優勢，提出基于智能變電所構建智能廣域保護測控系統，以案例中的應用效果佐證論文的觀點。實踐證明，在軌道交通工程供電系統中應用智能牽引變電所，可有效減少供電系統故障的出現概率，迅速切除故障點，降低損失，達到應用目的。