城市轨道交通牵引供电系统的主接线设计

2012-03-13李宗昉李金龙

电气化铁道 2012年3期

陈琳，王黎，李宗昉，李金龙

0 引言

轨道交通是国内城市公共交通的重点发展方向。轨道交通列车的动力来自于牵引供电系统，它担负着为电动列车和各种运营设备提供电能的重要任务，是城市轨道交通机电设备中除车辆以外的最大辅助设备系统[1]，所以，没有电力牵引供电系统的安全可靠供电，就不可能有城市轨道交通的正常运行[2]。

目前，国内城市轨道交通牵引供电系统的主接线大多采用如下形式：每座牵引变电所设2 台整流机组，均接于同一段母线上，每套整流机组分别通过断路器与35 kV 母线连接；直流1 500 V 母线为单母线接线，直流断路器的备用方式可有2 种，其优缺点各不相同；每座牵引变电所内馈出四回直流电源分别接至牵引网上下行，上下行左右供电臂之间均设电动隔离开关；直流进线开关选用直流断路器或者电动隔离开关；直流负极开关选用手动隔离开关；直流馈线开关选用直流断路器[3]。

以上主接线形式虽然满足城市轨道交通供电系统运行的基本要求，但某些方面还有待优化。本文结合地铁建设的可操作性，在确保供电系统安全和供电质量的基础上进行进一步分析和研究，提出优化的可行性方案。

1 城轨牵引供电系统

概括地讲，牵引供电系统由牵引变电所和牵引网组成，其主要功能是将交流中压电经降压、整流变成直流1 500 V 或直流750 V，为电动列车提供牵引供电[4]。

电能从牵引变电所输出，经馈电线、接触网到电动车组，再经走行轨或负馈电线（如单轨车辆等）、回流线返回牵引变电所构成牵引供电回路。

牵引变电所是牵引供电系统的核心，其主接线由2 部分组成：中压交流侧和牵引直流侧，各部分接线方式的确定与城轨交通供电系统、牵引变电所本身运行的可靠性、灵活性和经济性密切相关，并且对电气设备选择、配电装置的布置、继电保护和控制方式的拟定有较大影响。因此，必须正确处理各方面的关系，全面分析相关影响因素，通过技术经济比较，优化主接线。

2 牵引直流主接线形式

根据城轨交通牵引负荷的特点和国内外运营经验，牵引变电所主接线的直流部分一般采用单母线接线的形式[6]，其中直流断路器的备用方式分为2 种。

2.1 增加备用母线

双母线系统如图1 所示。该方案的特点是：

（1）直流母线设工作母线和备用母线，2 条母线之间设备用断路器，它可代替4 路馈线开关中任何一路，是北京地铁多年惯用的接线方式。

（2）在同一馈电区电分段处设置1 台纵向电动隔离开关，当牵引变电所故障解列或退出运行时，可通过它实现大双边供电。

图1 双母线系统示意图

2.2 增设备用移动小车

单母线系统如图2 所示。该方案的特点是：

（1）直流侧为单母线系统，接线简单。与双母线系统相比，可节省1 条备用母线、4 台电动隔离开关。

（2）在同一馈电区电分段处设置1 台纵向电动隔离开关，当牵引变电所故障解列或退出运行时，可以通过它实现大双边供电。

（3）纵向电动隔离开关既可以代替整座变电所，也可以代替任何一路馈线开关。

图2 单母线系统（一）示意图

2.3 双母线系统与单母线系统方案比较

双母线系统的优点是断路器和隔离开关均采用电动操动机构，当1 台断路器发生故障时，通过远方调度的倒闸作业，将备用断路器投入运行，故障断路器退出运行，不必等到检修人员到现场，即可完成倒闸作业，在一定程度上减少了设备故障影响运营的时间。而其缺点是：电动隔离开关太多，实现操作联锁较复杂；当使用备用开关实现双边供电时，双边联跳的转换关系复杂且环节多；当用纵向电动隔离开关代替任何一路馈线开关时，备用母线和备用开关就显得多余。

单母线系统的优点是接线形式简单，一次性设备投资较低；缺点是故障断路器的倒闸操作，需要检修人员到现场后才能完成。

综上所述，双母线系统和单母线系统在可靠性、灵活性方面基本相同，但双母线系统的工程一次性投资明显高于单母线系统，因此，今后城轨交通直流主接线的设计中，建议尽量采用简洁、可靠、投资少的单母线接线形式。

3 直流进线开关的设置

牵引变电所整流部分故障可划分为3 类：第1类发生在整流机组进线断路器与直流进线开关之间，如整流变压器、整流器及连接电缆故障等；第2 类发生在直流进线开关与直流馈线断路器之间，如直流母线短路故障；第3 类发生在直流馈线断路器以下，如接触网短路故障[7]。

单母线系统（一）采用直流快速断路器2013和2014，如图2 所示。单母线系统（二）采用电动隔离开关，如图3 所示，通过电动隔离开关2011和2012 把整流机组的直流输出并联接至正母线上。

该方案的优点在于用电动隔离开关代替直流快速断路器，一次投资少，但其缺点也很明显，电动隔离开关的操作不方便，需附带联锁条件，实现自动化比较麻烦，给运营操作带来不便。

图3 单母线系统（二）示意图

3.1 正常运行投切

由于断开交流电弧比断开直流电弧容易，故整流机组正常工作时的断弧工作一般由交流断路器完成。投入次序为先直流进线开关再交流断路器；切除次序为先交流断路器再直流馈线断路器、直流进线开关。

因此，整流机组的正常投切不需要直流进线开关具备断弧能力。

3.2 故障切除动作

第1 类故障发生时，整流变压器的交流进线断路器断开，然后联跳直流进线开关。此时牵引变电所有2 种运行方式：一种是全所解列，由相邻所越区供电即大双边供电；另一种是退出故障整流机组，单台整流机组继续工作。

第2 类故障发生时，若采用单母线系统（二）的电动隔离开关，首先跳开整流变压器的交流进线断路器，然后联跳直流馈线开关，再分开直流进线开关；若采用单母线系统（一）的直流断路器，由于大电流脱扣保护的反应时间快，直流进线断路器一般先于交流断路器跳闸。

第3 类故障发生时，跳开故障供电臂的直流馈线开关，并联跳相邻牵引变电所相应的直流馈线开关（双边运行时）。

可见，直流母线故障时，直流断路器可以直接跳开直流进线断路器，反应速度较快。

3.3 直流断路器与电动隔离开关方案比较

选取直流断路器或电动隔离开关作为直流进线开关方案的技术分析见表1。

表1 直流进线开关选取方案的技术分析比较表

2 种方案各有优缺点，均为可行方案。采用电动隔离开关可以节省设备投资，通过设置必要的闭锁和联锁条件，满足供电的可靠性及安全需求，并且符合无人值班变电所简化接线的要求。采用断路器可以提高切除直流母线短路的速度，实现大双边供电的时间也较短。鉴于直流母线故障和整座牵引变电所退出运行的几率很小，因此选择直流断路器作为推荐方案。