牵引网不停电运行方式转换方案及其运用

张开波

（中铁二院工程集团有限责任公司，成都 610031）

目前，大部分城市轨道交通工程，包括地铁、轻轨、跨座式单轨、中低速磁悬浮、现代有轨电车(接触网供电)等工程在内，主要采用DC 1 500 V 或DC 750 V直流电源通过牵引网给机车车辆供电。各牵引变电所(简称“牵引所”)直流牵引母线一般采用简捷的单母线形式，设置相应的直流馈线，通过上网隔离开关给线路的上、下行牵引网供电；在对应的牵引网上网点处设置绝缘电分段，同时在绝缘电分段处设置了越区供电开关。

在采用直流牵引网作为机车车辆的牵引供电时，正线区段相邻的牵引所向同一牵引供电分区小双边供电；当任何一回直流馈线发生故障或任何一座牵引变电所故障解列时，闭合该越区供电开关，由相邻的牵引变电所通过其越区开关实现该区段牵引网的大双边供电[1]。

1 牵引网运行方式转换的情况分析

1.1 与牵引网运行方式有关的故障类型

在长期的运营维护过程中，当工程正线区段发生以下直流牵引系统故障时，会导致牵引网的运行方式发生转变。

1) 牵引所直流牵引供电设施发生故障：一是直流开关设施框架保护动作，发生整体性故障，导致牵引所解列；二是整流机组发生故障，需要将牵引所整体退出运行；三是直流馈线回路发生故障，包括对应该馈线的直流馈线断路器及其与上网隔离开关之间的连接电缆发生故障。

2) 牵引网侧供电设施发生故障：对应各牵引所直流馈线回路的上网隔离开关发生故障。

1.2 运营维护或电力调度管理的需要

1) 某些特殊原因，需要将某一个牵引所或其馈线回路退出运行。

2) 在某一个牵引所或其某一个馈线回路故障解除时，牵引网需要由大双边供电恢复为小双边供电运行方式。

1.3 牵引网运行方式的转换类型

上述情况发生时，将会导致牵引网的运行方式发生转换，主要有以下两种方式：

1) 上、下行线路全部进行运行方式的转换：当牵引所解列整体退出运行时，上、下行牵引网全部由小双边切换为大双边供电运行方式；或当牵引所整体恢复投入运行时，上、下行牵引网全部由大双边切换为小双边供电运行方式。

2) 上行或下行线路进行运行方式的转换：当牵引所发生局部故障仅影响上行或下行线路的某一馈线回路时，牵引所对应发生故障的上行或下行馈线回路退出运行，对应的牵引网由小双边切换为大双边供电运行方式；或当上行或者下行馈线回路恢复投入运行时，对应的牵引网由大双边切换为小双边供电运行方式。

需要说明的是，采用直流牵引供电系统的城市轨道交通线路，正线牵引网长时间持续单边运行的模式与规范要求是有冲突的。

2 常规方案在运行方式转换上的不足

2.1 常规牵引网供电方式

根据《地铁设计规范》要求，牵引变电所直流快速断路器至接触网间应设置电动隔离开关[2]，因此各牵引变电所直流馈线至牵引网处，均配置了上网的电动隔离开关。但对于正线绝缘电分段处实现牵引网越区供电的开关，规范并未明确规定采用何种形式，大部分轨道交通工程采用了与上网电缆连接一致的电动隔离开关作为越区开关，具体如图1 所示[3]。

图1 传统上网及越区供电方案Fig. 1 Scheme of traditional on-grid and over-zone DC power supply

2.2 常规方案在运行方式转换上的不足

由于越区开关采用常规的电动隔离开关，没有带负荷分合闸的能力，也没有切断故障电流的能力，所以需确认左右两个相邻牵引所对应馈线回路的断路器均处于分断位置的情况下才允许对其进行操作，一般需要在牵引变电所之间通过控制电缆采用较为复杂的电气闭锁回路来保证其操作的安全性。

因此，在实际正常运营时段，如果出现某一牵引所某一回直流馈线出现故障或者其他意外情况而退出运行、无法正常向牵引网供电时，对于正线牵引网，如果不能及时将越区开关合上，实现由相邻牵引所越区大双边供电，将会出现牵引网持续单边供电的情况。当此类故障出现时，为保证线路的持续运营，维持对牵引网的不间断供电，有的运营公司采用了减少行车对数下的单边供电，有的运营公司仍按原来的行车对数继续保持牵引网单边供电，即不闭合越区隔离开关，不采用大双边的供电方式。

但在实际运营中发现，当相邻牵引所对该牵引供电分区单边供电时，由于车辆行车对数较高，同时其运行牵引取流较大，所以在解列牵引所上网点附近的牵引网绝缘电分段处两侧的牵引网直流电压差(ΔU)较大。当车辆受电弓(或受电靴)高速通过该绝缘电分断时，同时接触电分段的两侧牵引网，打火及拉弧现象严重。这不仅严重影响牵引网电分段及列车受电弓的使用寿命，而且还在某些工程中出现过较大的电弧，导致牵引网与列车顶部发生弧光短路而损坏车辆，同时使邻近牵引所单边供电的直流馈线断路器再次跳闸，从而导致更严重的牵引网停电，运营中断。如果在行车对数压力较大的早晚高峰期，不仅上述故障现象存在，而且部分运营车辆较为密集的线路还可能会出现牵引网单边供电、直流馈线回路过电流跳闸的现象，导致情况进一步恶化。因此，正线牵引网单边供电，不仅与规范要求相冲突，而且在实际的运营中也会出现明显的安全隐患，在某些情况下可能将故障范围扩大，或引起其他故障发生。

为避免上述现象的发生，需要控制中心电力调度系统在运营时段将牵引网单边供电及时调整为大双边供电运行方式，但这会让调度人员比较为难。对于地铁、轻轨工程而言，正线大部分区段均位于地下，牵引网的小双边供电范围一般为2～4 km，大双边供电范围一般为5～8 km。对于如此长大的地下隧道区间，上下行线路投入运营的车辆数量较多，如果贸然将相邻牵引所对应大双边供电的馈线回路断路器全部分断，将越区隔离开关闭合以后，再恢复相邻牵引所对应大双边供电区段的馈线回路断路器合闸，将其调整为牵引网大双边供电。这在理论上是可行的，但实际运营过程中仍存在以下问题：一方面，该过程尽管可以采用程控功能，但相对来说其停电倒闸的持续时间仍然较长，对因为牵引网停电而困在运营线路区间隧道内的大量乘客而言，在信息极为不对称的情况下，仍可能会导致一定的恐慌，在目前这个人人都可以是自媒体的信息时代，这种较为恐慌的信息大量发布，对整个城市轨道交通的健康高效运行会带来一定的不利影响，同时如果时间过长，对行车的调度安排也会带来不利影响。另一方面，由于牵引网运行方式的转换涉及的开关数量较多，影响范围较大，一定程度上又会将停电故障范围人为地扩大；同时，开关动作次数较多，且为不同牵引所内的直流断路器开关，各牵引所均为无人值班运行方式，如果在分、合闸过程中出现其他意外情况，导致开关的分合闸不成功，不仅将停电故障范围人为地扩大，也会导致停电时间更长，进一步加大乘客的恐慌。

同理，如果牵引网大双边供电切换为小双边供电的运行方式，也会出现上述不利影响。因此，在线路的正常运营时段，无论牵引网是小双边供电(或单边供电)切换为大双边供电，还是大双边供电切换为小双边供电，对运营线路的电力调度人员而言，都是一个较为艰难的选择。所以，在目前的部分运营线路中，如果出现类似的情况，有些就不再转换牵引网的运行方式，而是维持这种单边供电的运行方式，任由其打火或拉弧，赌博式地认为这种故障范围扩大的概率不会太大，一直坚持到夜间停运以后，以牺牲牵引网和受电弓使用寿命的方式来维持线路的持续运营。

因此，虽然城市轨道交通工程的直流牵引供电系统设计方案本身的可靠性及冗余度很高，能力也很强，但在实际运营中如果出现了类似的故障，有应对的故障支援供电方案却不好用，或者不敢用。同时，由于常规方案需要停电进行运行方式的切换，导致即使在巡视中发现牵引所或对应馈线回路有故障隐患，因其会影响线路的正常运营，所以只要还能坚持继续供电，也不太敢轻易立即停电进行及时有效的检修，需要等待夜间线路停运以后再进行维修处理，不利于牵引所某些故障隐患的及时消除。

上述导致无法向牵引网正常持续供电的故障类型，尽管发生概率相对较低，但随着各城市轨道交通线网的快速发展，牵引所以及对应的直流馈线数量增加较快，且随着直流供电设备设施长期运行而逐渐老化，后期其故障概率会一定程度地增加。同时，随着客流的培养，运营客流的压力在逐渐增加，在对城市轨道交通运营安全及可靠性要求越来越高的前提下，这种不合理或者不完全可控的现象也需要在方案设计中力求避免。

根据上述分析，需要设计一种新的方案来满足这种牵引网运行方式转换的需求。

3 牵引网不停电运行方式转换方案

3.1 新型的牵引网供电方案

常规的电动隔离开关无法实现带负荷的操作，如果将该越区开关调整为可以带负荷操作的开关，就可以实现牵引网不停电运行方式的转换。目前，带负荷操作的开关主要有直流断路器及直流负荷开关两种，在实际运用中各有优缺点：采用直流断路器的方案，运用成熟，本身牵引变电所内有较多的直流断路器，没有新的设备类型或者故障种类出现，检修维护成熟，但对现场应用环境的要求相对较高；采用直流负荷开关，投资造价及对应用环境的要求均相对较低，但能提供该设备的厂家较少，应用经验较少，故障分断能力不如断路器。

在城市轨道交通工程中正式应用的主要是断路器方案，下面对该方案相关的应用进行详细分析及描述。

3.2 不停电运行方式转换方案

正线各牵引所仍采用电动隔离开关实现与牵引网的连接，但在各牵引变电所对应的绝缘电分段处优化为采用断路器作为越区开关，具体如图2 所示[4]。

图2 新型上网及越区供电方案Fig. 2 Optimization of on grid and over-zone DC power supply scheme

1) 牵引网小双边供电(或单边供电)转换为大双边供电。当任意牵引变电所的任意馈线回路出现故障并退出运行后，单边供电时可直接闭合该牵引所对应的越区断路器开关，从而实现牵引网的大双边供电。在整个过程中，牵引网无需断电，也不涉及相邻牵引所的任何操作，只需对出现故障的牵引所越区开关进行操作。当任意牵引变电所在某些特殊情况下需要进行检修维护时，仍可按上述动作方案，直接将牵引网小双边供电切换为大双边供电，无需让牵引网停电，也不涉及相邻牵引所的任何开关回路操作。

2) 牵引网由大双边恢复为小双边供电。当牵引所故障排除后，为保证牵引供电的弹性及裕度，牵引网由大双边供电切换为小双边供电方式，可以预先将需要投入运营牵引所对应馈线回路的相应开关闭合，即在一个时间段内，该牵引供电分区内大双边供电及小双边供电均全部存在；待该牵引所供电全部恢复后，再分断相应的越区断路器开关，实现完全正常化的小双边供电。在整个过程中，牵引网无需停电，也无需涉及相邻牵引所的任何开关回路操作，对整个线路的正常运营完全没有影响。

3.3 新型方案带来的良好效果

1) 需动作的牵引所以及开关数量少，动作次数少。由于新型牵引网供电方案的越区开关采用断路器模式，不涉及与相邻牵引所馈线的闭锁逻辑关系，因此需要操作的开关数量少，动作次数少，仅涉及本牵引所与运行方式有关的部分开关，因此运行方式切换可以在很短的时间内完成。

2) 牵引网运行方式的转换可以全天候，不影响线路的正常运营。在整个运行方式转换的过程中，牵引网可以不停电，对线路的正常运营基本没有任何不利影响，车辆及乘客根本不会感受到牵引网运行方式的转换，因此牵引网运行方式的转换可以在任何需要的时段进行，无需等待夜间停运或者其他特殊的时段才能操作。电力调度人员根据供电调度或者运营维护的实际需求，随时执行相关的运行方式切换，无需担心是否在运营时段及对运营的影响，且操作对应的变电所及开关数量少，调度管理灵活方便。

3) 牵引供电系统的维护管理可以全天候。如采用新型方案，对于牵引供电系统的维护管理来说也是比较便利的。可根据其紧急程度和实际需要，自行判断何时进行保养维护管理，主动及时地消除故障隐患，而不用等待至线路夜间停运后才能进行维护。牵引所直流牵引部分可以在任何时候完全退出及投入运行，对于可能的故障隐患可以随时通过调度转换为牵引网大双边供电或恢复为小双边供电，不会影响既有线路的正常运营，无需在夜间线路停运以后才进行，可大幅减少牵引供电系统运营维护人员的熬夜辛苦，提高设备设施的维护效率。

4) 可完全取消相邻牵引所之间的联锁、闭锁关系。因采用越区断路器方案，所以可以完全取消牵引变电所之间开关动作回路的相互闭锁关系，极大地简化变电所之间的二次电缆联系。

5) 适应规范的要求。新方案可以方便彻底地实现规范要求的越区故障支援供电，同时很便捷地实现牵引网大、小双边供电运行方式的转换。

该方案是对地铁轻、轨牵引供电系统设计、运营维护及调度管理的一个突破，弥补了牵引供电系统在实际可用性、可维护性上还存在的一个缺陷。尽管这种故障概率相对不高，且需要增加一定的工程投资，但对于地铁、轻轨这种要求高、需要几十年安全可靠运营的工程而言，所增加的部分投资基本可以忽略。

4 上网及越区开关安装方案的改进

4.1 常规直流上网及越区开关的位置选择

1) 位置选择在区间隧道内。在常规轨道交通工程中，为尽量减少上网电缆故障对牵引供电的影响，很多工程将每座牵引所对应的上网开关及越区开关均设置在隧道区间内，尽量将上网电缆的长度缩短，降低电缆故障对运营的影响(尽管其故障概率很低)，其现场实际安装如图3 所示[6]。

图3 上网及越区开关在隧道内的安装Fig. 3 Installation of on-grid and over-zone switch in tunnel

但上网及越区开关设置在隧道区间不利于设备的常规巡视及维护工作，而且隧道内的运营环境相对恶劣，一定程度上会导致这些直流开关设施的故障率上升。这些对应的直流上网或越区开关设备如果出现故障，由于在线路的运营时段内，除非很特殊或紧急的情况，任何人员不得进入轨行区，因此运营维护人员很难第一时间及时完全掌握实际故障情况，一般仅能在线路停运以后才能到设备现场确认。同时，进入轨行区的管理及清点手续麻烦，且时间受限、维护空间相对局促，因此，给牵引供电的可靠运行、可维护性及故障消除的及时性也带来了一定的不利影响。

由于线路停运基本是在夜间，在允许进入正线线路区间对设备进行维护管理时已是深夜，设备维护人员必须要熬夜等待，还需要在规定的时间内尽快完成相关工作，辛苦程度及劳动强度均较大。以上情况，不利于轨道交通工程设施几十年如一日长期的运营维护管理。因此，上网及越区开关无论是采用隔离开关还是断路器，均宜选择将其设置在车站室内便于巡视、检修运营维护的位置。

2) 位置选择在牵引变电所内。为了方便运营维护管理，部分工程将其设置在牵引变电所内，基本与直流馈线断路器等设施布置在一起。该方案设置在变电所室内，非常便于巡视、检修和运营维护，但由于牵引变电所的设置位置与上、下行牵引网上网点的设置位置很难保持一致，导致牵引变电所直流馈线至牵引网连接点的距离相对比较长。由于上网电缆数量多且距离过长，在长期的运行过程中，尽管发生故障的概率较小，但故障发生后不利于运行方式的转换。因此，该方案也不利于牵引供电系统的长期稳定运行。

4.2 直流上网及越区开关的位置选择改进

为此，需要采用一种室内布置但距离牵引网上网点较近的改进方案。在上、下行线路临近牵引网绝缘电分段位置的车站端头各设置一个设备房间，将上网开关及越区开关设置在运行环境较好且便于维护的室内环境中(见图4)。在满足上网电缆距离上网点较近的同时，还使设备的运行环境得以大幅改善，运营维护也可不受轨行区相关规定的限制，便于保障装置的运营维护，及时消除故障隐患，进一步提高线路牵引供电的可靠性[6]。

图4 上网及越区开关在车站室内安装Fig. 4 Installation of on- grid and over-zone switch indoors

这种室内布置优化方案，无论越区开关采用隔离开关还是断路器，均能非常适应。尽管该方案对车站的设备房间布置提出了一定的要求，但房间占地面积较小。同时，鉴于很多城市轨道交通工程要求在全线牵引网绝缘电分段上网点附近，设置便于工程运营维护的可视化接地装置，因此可以将上网及越区开关、可视化接地装置等设施一并设置在这个便于运营维护的房间内，实现设备房间的综合利用，整体上对车站的面积影响不大。

5 结语

城市轨道交通具有行车密度大、高效、环保、准时、站点密集等特点，越来越成为城市公共客运系统的骨干，承担的压力很大。牵引网停电导致运营的中断，是轨道交通工程不能承受之痛。特别是近年来，全自动运行的城市轨道交通线路越来越多，对直流牵引供电系统的可靠性、可用性、可维护性，牵引网运行方式改变的灵活性、即时性，以及故障修复后供电的及时性等方面，均提出了更高层次的要求。因此，要考虑牵引网不停电运行方式转换的实际需求，同时将上网及越区开关设置在车站室内。

综上所述，城市轨道交通工程采用牵引网不停电运行转换方案，可进一步提高城市轨道交通工程运营的灵活性，同时也能以人为本，大幅减少运营维护人员的夜间劳动时间，减轻他们的劳动强度，便于运营调度及维护管理，更有利于城市轨道交通工程建设的可持续发展。