滬蘇湖鐵路引入上海樞紐牽引供電方案及可靠性研究

汪自成

0 引言

隨著高速鐵路的快速發展，越來越多的高速鐵路需要引入既有鐵路樞紐。通常，新線路引入既有鐵路樞紐需要利用既有樞紐牽引變電所，這導致牽引變電所需要同時為普速鐵路和高速鐵路供電，由于線別間天窗時間的差異，給運營單位對牽引變電所的維護管理工作帶來不便和困難[1～3]。

滬蘇湖鐵路東起上海市，途經江蘇省蘇州市，西至浙江省湖州市，設計速度目標值為350 km/h。滬蘇湖鐵路在上海鐵路樞紐范圍內的具體線路走向：自上海虹橋站綜合場南端咽喉引出，沿既有滬杭高鐵西側，經七寶站利用既有滬昆鐵路線至李家塘站，經春申、新橋并行滬杭高鐵至松江南站松江后折向西[4]。滬蘇湖鐵路需引入上海鐵路樞紐，涉及多條既有線路的改線工程以及站改工程，線路方案非常復雜，牽引供電方案需考慮因素較多，如何充分利用既有牽引供電設施，提高上海樞紐的牽引供電可靠性是本工程的重難點。

1 滬蘇湖鐵路引入上海樞紐牽引供電方案

滬蘇湖鐵路的虹橋—春申區段與既有滬昆鐵路、滬杭高鐵、金山鐵路分別在七寶站、李家塘站、春申站連通，滬蘇湖鐵路在上海樞紐內的牽引供電系統無法與既有牽引供電系統相互獨立。因此，滬蘇湖鐵路的虹橋—七寶—春申區段牽引供電系統只能利用既有春申牽引變電所，結合相關鐵路設計規范[5～7]以及各條線路的牽引負荷情況，虹橋—春申區段只能采用帶回流線的直接供電方式，春申—湖州區段采用AT 供電方式。

既有春申牽引變電所為既有滬昆鐵路、金山鐵路和滬杭高鐵引入上海南站三四線的共用牽引變電所，滬蘇湖鐵路引入上海樞紐后也利用春申牽引變電所供電，其既為普速鐵路供電，又為高速鐵路、市域鐵路（金山鐵路）供電，還為動車段（所）提供獨立電源[8]。滬蘇湖鐵路引入上海樞紐后，其最終供電設施分布及正常、后備供電運行方式見圖1。

圖1 上海樞紐虹橋（上海南）—松江段供電方案示意圖

2 既有春申牽引變電所改造方案

2.1 既有情況

既有滬昆鐵路采用帶回流線的直接供電方式，在上海鐵路樞紐內設春申牽引變電所。滬蘇湖鐵路在上海鐵路樞紐內相關線路需利用既有春申牽引變電所，并對其進行擴容改造。

既有春申牽引變電所外部電源采用110 kV 電壓等級，主接線采用分支接線型式，牽引變壓器采用110/27.5 kV 阻抗匹配平衡變壓器，安裝容量為2×31.5 MV·A，110 kV 配電裝置及牽引變壓器采用戶外布置方式，27.5 kV 配電裝置采用戶內網柵布置方式，全所饋線規模為11 回。其中：α 相饋線6 回，分別為既有滬昆鐵路上海方向上、下行供電臂各1 回，金山鐵路上海南站方向上、下行供電臂各1 回，滬杭客專上海南聯絡線上、下行供電臂各1 回；β 相饋線5 回，分別為既有滬昆鐵路杭州方向上、下行供電臂各1 回，金山支線鐵路金山方向上、下行供電臂各1 回，新橋機務段1 回。

2.2 改造方案

既有春申牽引變電所饋線規模大，需要為多條線路供電，全所供電范圍大。本次滬蘇湖鐵路利用春申牽引變電所還需新增3 回直供饋線，為本線新增正線和上海南動車所供電，春申牽引變電所規模需進一步擴大。目前，春申牽引變電所周邊場坪北面為外電線路，南面為既有鐵路，西面鄰近市政道路，東面與春申站相鄰，場坪擴建條件較差。

2.2.1 傳統改造方案

傳統改造方案中，新增饋線考慮維持春申牽引變電所既有設計標準，新增的27.5 kV 饋線配電設備仍采用戶內網柵布置。由于春申牽引變電所27.5 kV 高壓室已無空間擴展饋線間隔，新增饋線若維持既有戶內網柵布置型式，需擴建27.5 kV 高壓室，并延長既有27.5 kV 母線至擴建的27.5 kV 高壓室，用于布置新增的27.5 kV 饋線配電設備。春申牽引變電所110 kV 側維持分支接線不變，牽引變壓器仍采用阻抗匹配平衡變壓器，容量由 2×31.5 MV·A 擴容至2×63 MV·A，更換牽引變壓器低壓側α 相和β 相27.5 kV 進線斷路器。改造后的春申 牽引變電所主接線如圖2 所示。

圖2 春申牽引變電所主接線（傳統改造方案）

2.2.2 優化改造方案

針對目前春申牽引變電所的運行狀態，由于需要同時為普速線路（滬昆鐵路）和高鐵線路（滬杭客專上海南聯絡線、金山鐵路）供電，而普速線路采用V 形天窗，客專線路采用矩形天窗，兩類線路的天窗時間不一致導致無法對春申牽引變電所進行整所維修[9～11]。

綜合上述因素，考慮將春申牽引變電所向既有普速和高鐵供電的饋線進行分類，即27.5 kV 母線采用單母線分段接線型式，兩個方向供電臂共計劃分為4 段27.5 kV 母線。其中，向既有滬昆鐵路及新橋機務段供電的饋線仍保留在既有27.5 kV 高壓室內，27.5 kV 配電裝置維持既有標準；向滬蘇湖鐵路、金山鐵路和滬杭客專聯絡線供電的饋線布置于新建的27.5 kV 高壓室內，考慮用地問題，單獨設置的27.5 kV 配電裝置采用戶內GIS 柜布置型式，饋出的供電線采用電纜敷設方式，在所外轉架空引上接觸網供電；二次設備室考慮利舊，并進行適當擴容改造。

春申牽引變電所110 kV 側維持分支接線不變，牽引變壓器仍采用阻抗匹配平衡變壓器，容量由2×31.5 MV·A 擴容至2×63 MV·A，每臺牽引變壓器27.5 kV 低壓側α 相和β 相均分為兩路27.5 kV 進線，分別作為普速27.5 kV 高壓室和客專27.5 kV 高壓室內兩段27.5 kV 母線的進線電源；每段27.5 kV 母線上均設置獨立的27.5 kV 斷路器和電流互感器，并均設置有1 組27.5 kV 電壓互感器。改造后的春申牽引變電所主接線如圖3 所示。

圖3 春申牽引變電所主接線（優化改造方案）

3 改造方案主接線可靠性分析

3.1 可靠性分析方法

春申牽引變電所改造方案主接線可靠性分析的主要目的是定量分析春申牽引變電所為上海鐵路樞紐內各線路可靠供電的能力。在眾多可靠性分析方法中，GO 法是一種以目的為導向的可靠性評估方法，可直接根據系統的拓撲結構建立相應的GO 圖，再在此基礎上進行可靠性計算分析[12～14]。

3.2 主接線可靠性建模

基于GO 法原理，分別根據傳統改造方案和優化改造方案的主接線型式進行可靠性建模，主要操作符的含義見文獻[15]。由于110 kV 和27.5 kV 配電裝置元器件數量較多，利用GO 法中串并聯模塊簡化模型的方法，采用一個操作符模塊來表示原有的多個串聯元件的等效模塊。圖中操作符內的前一數字表示操作符的類型，后一數字表示操作符的編號。簡化后的傳統改造方案主接線的GO 圖如圖4所示，各操作符的編號含義如表1 所示。

表1 傳統改造方案GO 圖中操作符編號含義

圖4 簡化后傳統改造方案的GO 圖

采用同樣的分析方法，針對優化改造方案的主接線進行建模，并簡化其GO 圖，簡化后的優化改造方案主接線GO 圖如圖5 所示，各操作符的編號含義如表2 所示。

圖5 簡化后優化改造方案的GO 圖

表2 優化改造方案GO 圖中操作符編號含義

3.3 電氣設備停工相關性和串聯模塊可靠性計算

3.3.1 電氣設備停工相關性

由于牽引變電所某主回路設備故障而停電時，無故障的設備會隨牽引變電所停運而停止工作，并且不再出現故障，直到牽引變電所修復，恢復供電，這些設備再恢復正常運行。可見某一設備發生故障與否，受其他設備是否處于故障狀態的影響，因此它們不是獨立的，具有停工相關性。

在圖4 和圖5 中，當操作符代表3 或4 個串聯結構設備的等效單元時，需要修正可靠性參數的計算方法。假設操作符對應M個停工相關串聯部件，停工故障數I= 1，串聯結構的等效故障率仍然是所有部件故障率之和。由于停工相關性，串聯結構的故障模式只是1 個部件故障，不存在2 個或多個部件同時發生故障，因此串聯結構的故障率和維修率比值是所有部件的故障率和維修率比值之和，平均維修時間是維修率的倒數[16，17]。

3.3.2 串聯模塊可靠性計算

本次春申牽引變電所傳統改造方案和優化改造方案的可靠性計算參數如表3 所示，各電氣元件和串聯模塊的可靠性指標按照GO 法原理進行計算[18～20]。

表3 各電氣元件的可靠性參數

傳統改造方案中操作符9 和10 為110 kV 隔離開關、110 kV 斷路器和110 kV 電流互感器的串聯結構，操作符11～14 為牽引變壓器、27.5 kV 斷路器和27.5 kV 電流互感器的串聯結構，操作符19～38 為27.5 kV 斷路器、27.5 kV 電流互感器和27.5 kV 隔離開關的串聯結構，操作符45～58 為27.5 kV隔離開關和27.5 kV 抗雷圈的串聯結構。考慮部件停工相關性時的等效可靠性參數如表4 所示。

表4 傳統改造方案的串聯結構模塊可靠性參數

優化改造方案中操作符9 和10 為110 kV 隔離開關、110 kV 斷路器和110 kV 電流互感器的串聯結構，操作符11～14 為牽引變壓器、27.5 kV 隔離開關、27.5 kV 斷路器和27.5 kV 電流互感器的串聯結構，操作符15～18 為牽引變壓器、27.5 kV 斷路器和27.5kV 電流互感器的串聯結構，操作符27～42 為27.5 kV 斷路器、27.5 kV 電流互感器和27.5 kV 隔離開關的串聯結構，操作符45～49 為27.5 kV 隔離開關和27.5 kV 抗雷圈的串聯結構。考慮部件停工相關性時的等效可靠性參數如表5所示。

表5 優化改造方案的串聯結構模塊可靠性參數

基于GO 法的可靠性模型計算方法，針對春申牽引變電所傳統改造方案和優化改造方案的GO圖對各操作符及串聯模塊的狀態概率進行了定量計算，最終得到牽引變電所出口處及各母線的可靠性評估指標，計算結果如表6 所示。

表6 傳統改造方案與優化改造方案可靠性指標對比

從表6 的可靠性計算結果可知，優化改造方案比傳統改造方案的可用率提高了0.049 612%，對提高樞紐牽引變電所的供電可靠性具有積極意義；同時，優化改造方案將普速鐵路饋線與客運專線饋線進行了劃分，分至不同27.5 kV 母線上，有效提高了每段母線的可靠性，保證了線別間的獨立運行，減少了故障范圍；優化改造方案采用多段母線，在運營維護方面，能夠實現不同天窗線路間的獨立控制，提高了運營的靈活性，為運維單位提供了良好的日常維護條件。

4 結語

根據基于GO 法的可靠性分析可知，上海樞紐春申牽引變電所將高速鐵路部分和普速鐵路部分的母線進行分離布置，能夠有效提高樞紐牽引變電所的供電可靠性，同時有利于運營單位的日常維護和檢修工作的開展。在今后的設計過程中，對于樞紐牽引變電所應優先考慮單母線分段接線型式，實現“高普分離”，在提高供電可靠性的前提下，能夠便于日常的運營維護工作。