陳 琳，王 黎，李宗昉，李金龍

0 引言

軌道交通是國內(nèi)城市公共交通的重點發(fā)展方向。軌道交通列車的動力來自于牽引供電系統(tǒng)，它擔負著為電動列車和各種運營設(shè)備提供電能的重要任務，是城市軌道交通機電設(shè)備中除車輛以外的最大輔助設(shè)備系統(tǒng)[1]，所以，沒有電力牽引供電系統(tǒng)的安全可靠供電，就不可能有城市軌道交通的正常運行[2]。

目前，國內(nèi)城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)的主接線大多采用如下形式：每座牽引變電所設(shè)2 臺整流機組，均接于同一段母線上，每套整流機組分別通過斷路器與35 kV 母線連接；直流1 500 V 母線為單母線接線，直流斷路器的備用方式可有2 種，其優(yōu)缺點各不相同；每座牽引變電所內(nèi)饋出四回直流電源分別接至牽引網(wǎng)上下行，上下行左右供電臂之間均設(shè)電動隔離開關(guān)；直流進線開關(guān)選用直流斷路器或者電動隔離開關(guān)；直流負極開關(guān)選用手動隔離開關(guān)；直流饋線開關(guān)選用直流斷路器[3]。

以上主接線形式雖然滿足城市軌道交通供電系統(tǒng)運行的基本要求，但某些方面還有待優(yōu)化。本文結(jié)合地鐵建設(shè)的可操作性，在確保供電系統(tǒng)安全和供電質(zhì)量的基礎(chǔ)上進行進一步分析和研究，提出優(yōu)化的可行性方案。

1 城軌牽引供電系統(tǒng)

概括地講，牽引供電系統(tǒng)由牽引變電所和牽引網(wǎng)組成，其主要功能是將交流中壓電經(jīng)降壓、整流變成直流1 500 V 或直流750 V，為電動列車提供牽引供電[4]。

電能從牽引變電所輸出，經(jīng)饋電線、接觸網(wǎng)到電動車組，再經(jīng)走行軌或負饋電線（如單軌車輛等）、回流線返回牽引變電所構(gòu)成牽引供電回路。

牽引變電所是牽引供電系統(tǒng)的核心，其主接線由2 部分組成：中壓交流側(cè)和牽引直流側(cè)，各部分接線方式的確定與城軌交通供電系統(tǒng)、牽引變電所本身運行的可靠性、靈活性和經(jīng)濟性密切相關(guān)，并且對電氣設(shè)備選擇、配電裝置的布置、繼電保護和控制方式的擬定有較大影響。因此，必須正確處理各方面的關(guān)系，全面分析相關(guān)影響因素，通過技術(shù)經(jīng)濟比較，優(yōu)化主接線。

2 牽引直流主接線形式

根據(jù)城軌交通牽引負荷的特點和國內(nèi)外運營經(jīng)驗，牽引變電所主接線的直流部分一般采用單母線接線的形式[6]，其中直流斷路器的備用方式分為2 種。

2.1 增加備用母線

雙母線系統(tǒng)如圖1 所示。該方案的特點是：

（1）直流母線設(shè)工作母線和備用母線，2 條母線之間設(shè)備用斷路器，它可代替4 路饋線開關(guān)中任何一路，是北京地鐵多年慣用的接線方式。

（2）在同一饋電區(qū)電分段處設(shè)置1 臺縱向電動隔離開關(guān)，當牽引變電所故障解列或退出運行時，可通過它實現(xiàn)大雙邊供電。

圖1 雙母線系統(tǒng)示意圖

2.2 增設(shè)備用移動小車

單母線系統(tǒng)如圖2 所示。該方案的特點是：

（1）直流側(cè)為單母線系統(tǒng)，接線簡單。與雙母線系統(tǒng)相比，可節(jié)省1 條備用母線、4 臺電動隔離開關(guān)。

（2）在同一饋電區(qū)電分段處設(shè)置1 臺縱向電動隔離開關(guān)，當牽引變電所故障解列或退出運行時，可以通過它實現(xiàn)大雙邊供電。

（3）縱向電動隔離開關(guān)既可以代替整座變電所，也可以代替任何一路饋線開關(guān)。

圖2 單母線系統(tǒng)（一）示意圖

2.3 雙母線系統(tǒng)與單母線系統(tǒng)方案比較

雙母線系統(tǒng)的優(yōu)點是斷路器和隔離開關(guān)均采用電動操動機構(gòu)，當1 臺斷路器發(fā)生故障時，通過遠方調(diào)度的倒閘作業(yè)，將備用斷路器投入運行，故障斷路器退出運行，不必等到檢修人員到現(xiàn)場，即可完成倒閘作業(yè)，在一定程度上減少了設(shè)備故障影響運營的時間。而其缺點是：電動隔離開關(guān)太多，實現(xiàn)操作聯(lián)鎖較復雜；當使用備用開關(guān)實現(xiàn)雙邊供電時，雙邊聯(lián)跳的轉(zhuǎn)換關(guān)系復雜且環(huán)節(jié)多；當用縱向電動隔離開關(guān)代替任何一路饋線開關(guān)時，備用母線和備用開關(guān)就顯得多余。

單母線系統(tǒng)的優(yōu)點是接線形式簡單，一次性設(shè)備投資較低；缺點是故障斷路器的倒閘操作，需要檢修人員到現(xiàn)場后才能完成。

綜上所述，雙母線系統(tǒng)和單母線系統(tǒng)在可靠性、靈活性方面基本相同，但雙母線系統(tǒng)的工程一次性投資明顯高于單母線系統(tǒng)，因此，今后城軌交通直流主接線的設(shè)計中，建議盡量采用簡潔、可靠、投資少的單母線接線形式。

3 直流進線開關(guān)的設(shè)置

牽引變電所整流部分故障可劃分為3 類：第1類發(fā)生在整流機組進線斷路器與直流進線開關(guān)之間，如整流變壓器、整流器及連接電纜故障等；第2 類發(fā)生在直流進線開關(guān)與直流饋線斷路器之間，如直流母線短路故障；第3 類發(fā)生在直流饋線斷路器以下，如接觸網(wǎng)短路故障[7]。

單母線系統(tǒng)（一）采用直流快速斷路器2013和2014，如圖2 所示。單母線系統(tǒng)（二）采用電動隔離開關(guān)，如圖3 所示，通過電動隔離開關(guān)2011和2012 把整流機組的直流輸出并聯(lián)接至正母線上。

該方案的優(yōu)點在于用電動隔離開關(guān)代替直流快速斷路器，一次投資少，但其缺點也很明顯，電動隔離開關(guān)的操作不方便，需附帶聯(lián)鎖條件，實現(xiàn)自動化比較麻煩，給運營操作帶來不便。

圖3 單母線系統(tǒng)（二）示意圖

3.1 正常運行投切

由于斷開交流電弧比斷開直流電弧容易，故整流機組正常工作時的斷弧工作一般由交流斷路器完成。投入次序為先直流進線開關(guān)再交流斷路器；切除次序為先交流斷路器再直流饋線斷路器、直流進線開關(guān)。

因此，整流機組的正常投切不需要直流進線開關(guān)具備斷弧能力。

3.2 故障切除動作

第1 類故障發(fā)生時，整流變壓器的交流進線斷路器斷開，然后聯(lián)跳直流進線開關(guān)。此時牽引變電所有2 種運行方式：一種是全所解列，由相鄰所越區(qū)供電即大雙邊供電；另一種是退出故障整流機組，單臺整流機組繼續(xù)工作。

第2 類故障發(fā)生時，若采用單母線系統(tǒng)（二）的電動隔離開關(guān)，首先跳開整流變壓器的交流進線斷路器，然后聯(lián)跳直流饋線開關(guān)，再分開直流進線開關(guān)；若采用單母線系統(tǒng)（一）的直流斷路器，由于大電流脫扣保護的反應時間快，直流進線斷路器一般先于交流斷路器跳閘。

第3 類故障發(fā)生時，跳開故障供電臂的直流饋線開關(guān)，并聯(lián)跳相鄰牽引變電所相應的直流饋線開關(guān)（雙邊運行時）。

可見，直流母線故障時，直流斷路器可以直接跳開直流進線斷路器，反應速度較快。

3.3 直流斷路器與電動隔離開關(guān)方案比較

選取直流斷路器或電動隔離開關(guān)作為直流進線開關(guān)方案的技術(shù)分析見表1。

表1 直流進線開關(guān)選取方案的技術(shù)分析比較表

2 種方案各有優(yōu)缺點，均為可行方案。采用電動隔離開關(guān)可以節(jié)省設(shè)備投資，通過設(shè)置必要的閉鎖和聯(lián)鎖條件，滿足供電的可靠性及安全需求，并且符合無人值班變電所簡化接線的要求。采用斷路器可以提高切除直流母線短路的速度，實現(xiàn)大雙邊供電的時間也較短。鑒于直流母線故障和整座牽引變電所退出運行的幾率很小，因此選擇直流斷路器作為推薦方案。

4 結(jié)論

本文根據(jù)城軌交通牽引供電系統(tǒng)主接線的工程設(shè)計原則及運營經(jīng)驗，結(jié)合國內(nèi)外整流機組、開關(guān)設(shè)備的技術(shù)發(fā)展，從技術(shù)可靠性、運行靈活性及工程投資經(jīng)濟性等方面，對國內(nèi)常用的城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)的中壓交流側(cè)和牽引直流側(cè)主接線形式進行詳細比較和分析，將傳統(tǒng)的牽引變電所主接線做了如下改進。

（1）牽引直流側(cè)采用單母線系統(tǒng)，增設(shè)備用移動斷路器小車。

（2）直流進線開關(guān)選用電動隔離開關(guān)。這樣的主接線及運行方式簡單、安全可靠，節(jié)省投資，值得在國內(nèi)城市軌道交通建設(shè)中推廣應用。

[1] 汪孔屏.淺議軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)的構(gòu)成及保護配置[J].上海電器技術(shù)，2005，（4）：33-38.

[2] 桑艷艷.北京地鐵直流牽引供電系統(tǒng)主接線及運行方式分析[J].數(shù)字技術(shù)與應用，2010，（8）：180-181.

[3] 周才發(fā).城市軌道交通牽引變電所主接線的優(yōu)化研究[J].電氣化鐵道，2010，（4）：47-50.

[4] 李秀娥.軌道交通供電系統(tǒng)綜述[J].電氣傳動自動化，2007，29（1）：5-7.

[5] 宋奇吼，李學武.城市軌道交通供電[M].北京：中國鐵道出版社，2009：101-106.

[6] 白雪蓮.城軌交通供電系統(tǒng)牽引變電所直流主接線[J].電氣化鐵道，2004，（4）：40-42.

[7] 李建民，王麗紅.城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)整理機組的接入與輸出方案[J].城市軌道交通研究，2007，（10）：64-67.