劉長利

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,西安 710043)

智能牽引供電系統(tǒng)由牽引供電設(shè)施、供電調(diào)度系統(tǒng)、供電運(yùn)行檢修管理系統(tǒng)及通信網(wǎng)絡(luò)等組成，實(shí)現(xiàn)智能故障診斷、預(yù)警、自愈重構(gòu)等功能[1]。在智能牽引供電系統(tǒng)中，提升自愈重構(gòu)能力是一項(xiàng)重要目標(biāo)，目前國內(nèi)學(xué)者主要集中于智能牽引變電所的研究上，開展了牽引變電所備自投和以供電臂為單元的自愈重構(gòu)研究[2-7]，故障時(shí)如何盡量縮小停電范圍和快速恢復(fù)供電，需開展深化研究工作。接觸網(wǎng)開關(guān)是SCADA遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)測控?cái)?shù)量較多的高壓設(shè)備，是故障排查及切除、自愈重構(gòu)的接觸網(wǎng)關(guān)鍵設(shè)備，目前高鐵接觸網(wǎng)開關(guān)存在雷電故障及拒動(dòng)、誤動(dòng)、開關(guān)位置誤顯示等遠(yuǎn)動(dòng)控制問題，國內(nèi)學(xué)者對接觸網(wǎng)開關(guān)的研究主要集中在故障分析及解決措施等方面[8-13]，缺少接觸網(wǎng)開關(guān)服役狀態(tài)方面的研究。本文分析了目前牽引供電系統(tǒng)的自愈重構(gòu)技術(shù)特點(diǎn)，結(jié)合接觸網(wǎng)電分段功能，提出了以接觸網(wǎng)供電分段為單元的自愈重構(gòu)模式，找出應(yīng)急工作中的薄弱環(huán)節(jié)，對高鐵接觸網(wǎng)開關(guān)的適應(yīng)性進(jìn)行分析，提出快速自愈重構(gòu)技術(shù)需重點(diǎn)解決的問題和建議。研究成果為智能牽引供電發(fā)展和提高接觸網(wǎng)性能提供借鑒。

1 智能牽引供電系統(tǒng)的自愈重構(gòu)模式

與智能電網(wǎng)技術(shù)相比，智能牽引供電系統(tǒng)的自愈重構(gòu)應(yīng)根據(jù)自身特性分析，研究針對性的內(nèi)涵及模式。

1.1 牽引供電系統(tǒng)的自愈重構(gòu)內(nèi)涵

牽引供電系統(tǒng)的自愈重構(gòu)分自愈控制和故障重構(gòu)兩項(xiàng)內(nèi)容。自愈控制以不間斷供電為原則，自愈控制目標(biāo)是：預(yù)防和避免故障發(fā)生，如果發(fā)生故障以盡快恢復(fù)正常供電能力為控制底線，發(fā)生故障后不能恢復(fù)正常供電將采用故障重構(gòu)模式。故障重構(gòu)是指通過改變供電運(yùn)行方式，隔離故障，縮小停電范圍，迅速恢復(fù)對非故障區(qū)域的供電。自愈控制與故障重構(gòu)劃分如圖1所示。

圖1 自愈控制與故障重構(gòu)劃分

高鐵智能牽引供電系統(tǒng)的自愈重構(gòu)分為自愈控制、供電臂單元重構(gòu)及供電分段單元重構(gòu)等3種模式。在牽引供電系統(tǒng)中含有大量的斷路器和開關(guān)設(shè)備，自愈重構(gòu)就是通過改變這些斷路器或開關(guān)的分、合閘狀態(tài)，從而切換設(shè)備、改變供電網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行方式。自愈重構(gòu)的具體操作將是一系列斷路器或開關(guān)的動(dòng)作組合。

1.2 牽引供電系統(tǒng)的自愈控制模式

目前我國高鐵的牽引變電所、分區(qū)所及AT所的變電設(shè)備均具有自愈能力。主要變電設(shè)備均采用固定備用或互為備用的運(yùn)行方式，可采取定期檢修的模式預(yù)防故障，并且智能化水平較高，就地保護(hù)測控系統(tǒng)較完善，發(fā)生故障時(shí)可快速切換。因此，變電設(shè)備應(yīng)采用自愈控制模式，當(dāng)所內(nèi)發(fā)生單點(diǎn)故障或小范圍故障時(shí)，應(yīng)快速診斷、隔離故障并恢復(fù)至正常供電狀態(tài)，避免對動(dòng)車組運(yùn)行產(chǎn)生影響。當(dāng)變電設(shè)備發(fā)生嚴(yán)重故障導(dǎo)致整所或整個(gè)供電臂退出運(yùn)行時(shí)，無法實(shí)現(xiàn)自愈，需要采用故障重構(gòu)模式。

在牽引供電系統(tǒng)中，接觸網(wǎng)是高鐵沿線架空設(shè)置的供電設(shè)施，為動(dòng)車組供電。接觸網(wǎng)無備用運(yùn)行，因此不具備自愈能力，接觸網(wǎng)故障時(shí)采用故障重構(gòu)模式。

1.3 以供電臂為單元的故障重構(gòu)模式

在智能供電調(diào)度系統(tǒng)中，利用SCADA遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)倒閘操作的自動(dòng)化和程控化，當(dāng)牽引網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)進(jìn)行快速診斷、定位、隔離及改變供電方式，實(shí)現(xiàn)故障重構(gòu)，快速恢復(fù)牽引網(wǎng)供電。由于廣域測控保護(hù)系統(tǒng)以供電臂為單元進(jìn)行，因此目前牽引網(wǎng)故障重構(gòu)一般是以供電臂為單元進(jìn)行。我國高鐵普遍采用全并聯(lián)AT供電方式，典型的高鐵沿線供電臂單元、供電分段單元及接觸網(wǎng)開關(guān)布置如圖2所示。

圖2 典型高鐵沿線供電臂單元、供電分段單元及接觸網(wǎng)開關(guān)布置

以供電臂為單元進(jìn)行故障重構(gòu)，是在某一個(gè)供電臂內(nèi)變電設(shè)備(主要是27.5 kV斷路器)、饋線(供電線、正饋線)及接觸網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)采取降級(jí)供電方式的故障重構(gòu)模式，可采取的降級(jí)供電方式如下。

(1)AT供電上下行分開供電方式、AT供電V停供電方式、AT供電越區(qū)供電方式。

(2)直接供電全并聯(lián)供電方式、直接供電上下行分開供電方式、直接供電V停供電方式、直接供電越區(qū)供電方式。

從行車組織方面判斷一個(gè)供電臂單元內(nèi)動(dòng)車組緊密運(yùn)行數(shù)量，可以采取如下方法：采用區(qū)間通過和有車站經(jīng)停兩個(gè)模型，按正常運(yùn)行和限速運(yùn)行分出各等級(jí)速度，以及相應(yīng)的列車最小追蹤間隔時(shí)間，計(jì)算出動(dòng)車組最小追蹤距離，進(jìn)而判斷供電臂單元內(nèi)動(dòng)車組最大運(yùn)行數(shù)量。區(qū)間列車最小追蹤距離的計(jì)算公式為

ΔS=v×Δt追

式中，v為列車運(yùn)行速度，Δt追為列車最小追蹤間隔時(shí)間。正常運(yùn)行和限速運(yùn)行的各等級(jí)速度值采用《鐵路技術(shù)管理規(guī)程》規(guī)定，但不考慮接觸網(wǎng)和信號(hào)等設(shè)備故障情況；列車最小追蹤間隔時(shí)間采用高鐵設(shè)計(jì)規(guī)范及相關(guān)文獻(xiàn)研究成果[14-16]。列車運(yùn)行速度及最小追蹤間隔時(shí)間如表1所示。

表1 列車運(yùn)行速度及最小追蹤間隔時(shí)間

經(jīng)計(jì)算，高鐵區(qū)間動(dòng)車組最小追蹤距離如圖3所示。可以看出，高鐵區(qū)間動(dòng)車組正常通行時(shí)最小間距保持在10 km以上，當(dāng)供電臂內(nèi)有車站時(shí)，考慮到前、后動(dòng)車組進(jìn)站經(jīng)停的最小間隔時(shí)間限制，兩列動(dòng)車組間距可達(dá)到20～30 km。另外，在高鐵限速運(yùn)行時(shí)，動(dòng)車組間距在8～10 km，特殊情況時(shí)最小間距為3.75 km。

圖3 高鐵區(qū)間動(dòng)車組最小追蹤距離

我國高鐵牽引供電系統(tǒng)的供電臂長度為25 km左右，從動(dòng)車組緊密運(yùn)行的因素考量，正常情況下單個(gè)供電臂可為2列動(dòng)車組供電，限速情況下最多可為6列動(dòng)車組供電。供電臂故障停電時(shí)，供電臂單元重構(gòu)模式的應(yīng)急操作流程如圖4所示。

圖4 供電臂單元重構(gòu)模式的應(yīng)急操作流程

可以看出，供電臂單元重構(gòu)模式的操作比較簡單，調(diào)度端易于遠(yuǎn)動(dòng)程控化操作，但當(dāng)故障供電臂及相鄰供電臂內(nèi)有多列動(dòng)車組運(yùn)行時(shí)，停電影響較大。該模式的操作權(quán)歸供電調(diào)度中心，由調(diào)度端根據(jù)廣域保護(hù)測控信息通過遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行程控化操作。

1.4 以供電分段為單元的故障重構(gòu)模式

目前高鐵接觸網(wǎng)故障停電和弓網(wǎng)事故較多，為了盡量減小動(dòng)車組停車對旅客身心及社會(huì)輿情的影響，最大范圍地為沿線滯留動(dòng)車組供電，應(yīng)縮小停電范圍，盡快為接觸網(wǎng)故障點(diǎn)所在最小停電單元以外的動(dòng)車組恢復(fù)供電。接觸網(wǎng)的最小停電單元是供電分段，即由絕緣錨段關(guān)節(jié)或分段絕緣器劃分出接觸網(wǎng)電氣獨(dú)立的供電區(qū)段，考慮采用以供電分段為單元進(jìn)行故障重構(gòu)。供電分段單元的劃分原則如下。

(1)縱向單元為車站兩端咽喉區(qū)外、AT所附近及隧道內(nèi)外絕緣錨段關(guān)節(jié)的供電分段。

(2)橫向單元為樞紐或大型客站的供電分束。

(3)以車站兩端咽喉區(qū)八字渡線內(nèi)絕緣錨段關(guān)節(jié)為基礎(chǔ)，劃分接觸網(wǎng)V停供電單元。

供電分段單元重構(gòu)模式具有較高的供電靈活性。在圖2中AT所附近的G10/G11至兩側(cè)電分相處G3/G4或G16/G17之間形成最基本的供電分段單元S或S′，長度可達(dá)10～15 km，正常情況下可為1列動(dòng)車組供電，限速情況下最多可為4列動(dòng)車組供電?？紤]到高鐵沿線的車站或特長隧道情況，供電臂L上行可劃分出6個(gè)電分段單元，一般情況下接觸網(wǎng)故障僅涉及其中1個(gè)最小停電單元，當(dāng)絕緣錨段關(guān)節(jié)、分段絕緣器、電分相處發(fā)生接觸網(wǎng)故障或弓網(wǎng)事故時(shí)可能涉及2個(gè)最小停電單元，但該供電臂內(nèi)仍有4個(gè)供電分段單元可為動(dòng)車組供電，便于供電調(diào)度與行車調(diào)度雙方配合進(jìn)行靈活處置。供電分段單元重構(gòu)模式的應(yīng)急操作流程如圖5所示。

圖5 供電分段單元重構(gòu)模式的應(yīng)急操作流程

可以看出，當(dāng)自動(dòng)重合閘和試送電失敗時(shí)供電調(diào)度端需要進(jìn)行故障排查及分段試送電，找出故障點(diǎn)所在最小停電單元，隔離故障點(diǎn)，盡快恢復(fù)供電。當(dāng)接觸網(wǎng)故障停電且供電臂內(nèi)有多列動(dòng)車組運(yùn)行時(shí)，能否盡快隔離故障點(diǎn)和恢復(fù)供電，取決于故障標(biāo)定能力、調(diào)度端程控化水平及倒閘作業(yè)效率。

2 高鐵牽引供電系統(tǒng)自愈重構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)

高鐵牽引供電系統(tǒng)自愈重構(gòu)屬于應(yīng)急工作，由供電調(diào)度端的SCADA遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)、牽引供電設(shè)施的廣域保護(hù)測控系統(tǒng)及斷路器、開關(guān)設(shè)備等配合完成。高鐵智能牽引供電系統(tǒng)自愈重構(gòu)的執(zhí)行體系如圖6所示。

圖6 高鐵智能牽引供電系統(tǒng)自愈重構(gòu)的執(zhí)行體系

供電分段單元重構(gòu)模式主要依靠接觸網(wǎng)開關(guān)的倒閘操作來實(shí)現(xiàn)。目前我國高鐵接觸網(wǎng)普遍采用隔離開關(guān)，在早期高鐵項(xiàng)目的電分相中性段、上下行并聯(lián)處采用了負(fù)荷開關(guān)。近幾年根據(jù)高鐵接觸網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，由于負(fù)荷開關(guān)的開斷能力和電氣壽命無法滿足要求，因此接觸網(wǎng)不再采用負(fù)荷開關(guān)，在鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范中統(tǒng)一規(guī)定采用電動(dòng)隔離開關(guān)。接觸網(wǎng)開關(guān)分單極和雙極兩種形式，按工作狀態(tài)分常閉和常開兩種狀態(tài)。接觸網(wǎng)開關(guān)采用電動(dòng)操作，經(jīng)遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)納入供電調(diào)度管理。

與普速鐵路相比，目前高鐵接觸網(wǎng)開關(guān)的功能和用途已發(fā)生變化。高鐵接觸網(wǎng)檢修采用垂直天窗模式，操作牽引變電所饋線斷路器以供電臂為單元停電，夜間檢修時(shí)可不動(dòng)用隔離開關(guān)，無需現(xiàn)場人工查看隔離開關(guān)斷口以確認(rèn)接觸網(wǎng)帶電狀態(tài)。隨著智能牽引供電系統(tǒng)的發(fā)展，接觸網(wǎng)開關(guān)將主要用于故障重構(gòu)。根據(jù)我國現(xiàn)行鐵道行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[17-19]，目前高鐵普遍采用的戶外27.5 kV等級(jí)的隔離開關(guān)、負(fù)荷開關(guān)及真空斷路器，其技術(shù)參數(shù)對比如表2所示。

表2中括弧內(nèi)數(shù)據(jù)為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)未作規(guī)定而采用高鐵常見設(shè)備的技術(shù)參數(shù)。隔離開關(guān)電動(dòng)操作時(shí)間在4 s左右，與斷路器的毫秒級(jí)操作時(shí)間相比差距較大。由于隔離開關(guān)沒有熄弧裝置，不能帶負(fù)荷操作，需要與牽引變電所饋線斷路器進(jìn)行配合操作，不能實(shí)現(xiàn)速斷速合。因此，在高鐵牽引供電系統(tǒng)自愈重構(gòu)的執(zhí)行體系中，接觸網(wǎng)開關(guān)是應(yīng)急工作的薄弱環(huán)節(jié)。

表2 隔離開關(guān)、負(fù)荷開關(guān)及真空斷路器技術(shù)參數(shù)

3 現(xiàn)有高鐵接觸網(wǎng)開關(guān)的適應(yīng)性

從接觸網(wǎng)開關(guān)設(shè)計(jì)上看，電分相中性段處接觸網(wǎng)開關(guān)用于動(dòng)車組救援或特殊情況下越區(qū)供電，由于隔離開關(guān)不能帶負(fù)荷操作，導(dǎo)致電分相兩側(cè)供電臂均需要參與倒閘操作；牽引變電所出口上下行聯(lián)絡(luò)開關(guān)用于饋線斷路器故障切換時(shí)一拖二并聯(lián)供電，隔離開關(guān)操作導(dǎo)致上下行供電臂均需臨時(shí)停電。因此，接觸網(wǎng)開關(guān)操作將涉及多列動(dòng)車組停車降弓，影響范圍大、停電時(shí)間較長，不適應(yīng)快速自愈重構(gòu)的要求。

從服役狀態(tài)方面看，高鐵沿線露天安裝的隔離開關(guān)受雷電、鳥害影響較大，其柱頂安裝狀態(tài)不利于安全和檢修；隧道內(nèi)隔離開關(guān)的安全防護(hù)等級(jí)較低，存在防火抗災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。目前隔離開關(guān)故障率較高，開關(guān)引線脫落導(dǎo)致弓網(wǎng)事故，雷電或接觸網(wǎng)閃絡(luò)引起RTU箱、操作機(jī)構(gòu)箱燒損的次數(shù)較多。接觸網(wǎng)開關(guān)是SCADA遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)中測控?cái)?shù)量較多的設(shè)備，但開關(guān)拒動(dòng)、誤動(dòng)及開關(guān)位置誤顯示等遠(yuǎn)動(dòng)控制問題較多，對接觸網(wǎng)故障快速自愈重構(gòu)的可靠性影響較大。

綜上所述，接觸網(wǎng)開關(guān)是牽引供電系統(tǒng)自愈重構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，在帶負(fù)荷操作、倒閘時(shí)間、服役狀態(tài)等方面難以適應(yīng)智能牽引供電系統(tǒng)發(fā)展要求。

4 快速自愈重構(gòu)技術(shù)

在智能鐵路方面，文獻(xiàn)[1]提出凡是有助于提高鐵路運(yùn)輸效率、提升安全保障能力、優(yōu)化客戶服務(wù)質(zhì)量的技術(shù)，均可稱之為智能鐵路技術(shù)。文獻(xiàn)[2]提出進(jìn)一步完善智能設(shè)備、研制智能接觸網(wǎng)的建議。智能牽引供電系統(tǒng)發(fā)展的目標(biāo)是為動(dòng)車組提供持續(xù)可靠的供電，構(gòu)建快速自愈重構(gòu)技術(shù)，通過提高供電靈活性和快捷性，為動(dòng)車組運(yùn)行提供保障。

在高鐵智能牽引供電系統(tǒng)中，接觸網(wǎng)是向動(dòng)車組供電的“最后一公里”，但接觸網(wǎng)無備用運(yùn)行且故障率較高，接觸網(wǎng)故障或弓網(wǎng)事故導(dǎo)致動(dòng)車組降弓、停車一直是鐵路供電領(lǐng)域難以妥善解決的問題，由于供電分段單元重構(gòu)模式具有較高的供電靈活性，按供電分段單元停電對沿線動(dòng)車組運(yùn)行影響較小，考慮在供電分段單元重構(gòu)模式的基礎(chǔ)上研究快速自愈重構(gòu)技術(shù)，提高動(dòng)車組運(yùn)行的供電保障能力?？焖僮杂貥?gòu)技術(shù)的核心是采用智能化設(shè)備和智能化管理，由于接觸網(wǎng)開關(guān)是高鐵應(yīng)急工作的薄弱環(huán)節(jié)，應(yīng)考慮在接觸網(wǎng)開關(guān)和供電調(diào)度管理方面進(jìn)行技術(shù)升級(jí)。

4.1 接觸網(wǎng)開關(guān)的技術(shù)升級(jí)

參照智能牽引供電系統(tǒng)發(fā)展的技術(shù)版本管理[20]，接觸網(wǎng)開關(guān)的技術(shù)升級(jí)可分3個(gè)階段進(jìn)行，其技術(shù)升級(jí)路線如圖7所示。

圖7 接觸網(wǎng)開關(guān)的技術(shù)升級(jí)路線

提高接觸網(wǎng)開關(guān)性能的關(guān)鍵是采用能帶負(fù)荷操作、具有速斷速合能力的真空斷路器，從而提高供電靈活性和快捷性。接觸網(wǎng)開關(guān)的技術(shù)升級(jí)內(nèi)容如表3所示。

表3 接觸網(wǎng)開關(guān)的技術(shù)升級(jí)內(nèi)容

接觸網(wǎng)開關(guān)采用戶外27.5 kV真空斷路器，需要考慮高鐵沿線建筑限界和動(dòng)車組運(yùn)行安全問題，金屬封閉型真空斷路器的本體尺寸較小，比較適合在接觸網(wǎng)H型鋼柱上安裝，且在國外高鐵線路上有類似的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，因此可作為首選。在安裝方式上，隧道外接觸網(wǎng)真空斷路器可采取在H型鋼柱頂安裝以取代現(xiàn)有隔離開關(guān)(圖8(a))，新建線路可采用改進(jìn)的H型鋼柱側(cè)面安裝方式(圖8(b)、圖8(c))。

圖8 H型鋼柱上接觸網(wǎng)真空斷路器安裝示意

4.2 供電調(diào)度管理的技術(shù)升級(jí)

接觸網(wǎng)開關(guān)升級(jí)為真空斷路器后，在性能和可靠性方面與變電所戶外27.5 kV真空斷路器一致，并且均為SCADA遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)的測控子項(xiàng)，在增加了智能組件后，納入智能設(shè)備統(tǒng)一管理。

在智能化管理方面，主要對供電調(diào)度管理進(jìn)行技術(shù)升級(jí)。當(dāng)高鐵接觸網(wǎng)故障引起變電所跳閘或發(fā)生弓網(wǎng)事故時(shí)，之前供電調(diào)度端一般是倒閘切除故障供電臂單元，故障供電臂內(nèi)動(dòng)車組全部停電降弓，然后利用接觸網(wǎng)開關(guān)進(jìn)行故障排查或切除故障所在供電分段單元，為影響范圍外動(dòng)車組送電。隨著廣域保護(hù)測控系統(tǒng)、接觸網(wǎng)6C檢測系統(tǒng)和PHM健康管理的逐步完善，在接觸網(wǎng)開關(guān)升級(jí)為真空斷路器后，可按最小停電單元對接觸網(wǎng)故障進(jìn)行直控操作。

5 結(jié)論

智能牽引供電系統(tǒng)的自愈重構(gòu)屬于高鐵供電應(yīng)急工作，具有不同于智能電網(wǎng)技術(shù)的內(nèi)涵及模式。通過分析目前牽引供電系統(tǒng)的自愈重構(gòu)技術(shù)特點(diǎn)，提出以接觸網(wǎng)供電分段為單元的自愈重構(gòu)模式，以縮小停電范圍和快速恢復(fù)供電為原則，以提高動(dòng)車組運(yùn)行保障能力為目標(biāo)，進(jìn)行快速自愈重構(gòu)技術(shù)研究，得出以下主要結(jié)論。

(1)供電分段單元重構(gòu)模式具有較高的供電靈活性，是構(gòu)建快速自愈重構(gòu)技術(shù)的基礎(chǔ)。

(2)高鐵牽引供電系統(tǒng)自愈重構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)是接觸網(wǎng)開關(guān)，在帶負(fù)荷操作、倒閘時(shí)間及服役狀態(tài)等方面難以適應(yīng)智能牽引供電發(fā)展要求。

(3)應(yīng)考慮在接觸網(wǎng)開關(guān)和供電調(diào)度管理方面進(jìn)行技術(shù)升級(jí)，接觸網(wǎng)開關(guān)分階段升級(jí)為戶外27.5 kV真空斷路器，供電調(diào)度端按最小停電單元對接觸網(wǎng)故障進(jìn)行直控操作。