轨道交通中的智能牵引变电所应用分析

姜 利

（中铁电气化勘测设计研究院有限公司，天津 300250）

复杂的AT供电方式结构是目前高速铁路采用的主要供电形式，采用新型的智能牵引变电所可以有效提升电力机车供电系统的可靠性。本文基于轨道交通工程供电系统特性分析，提出基于智能牵引变电所构建的智能广域测控系统，在现场应用该系统。经测试发现，智能牵引变电所和广域测控系统可以有效提升轨道交通供电系统的可靠性，更为安全、智能。

1 轨道交通中的供电系统特性

在轨道交通工程中，供电系统是重要的一部分，应对其性能进行日常安全检测。通常情况下，常用的巡检方式以人工为主，这种巡检方式易受技术人员的素质、技术水平、环境条件等主、客观因素的影响，易产生误差，且隐秘部位巡检人员检查不到位，无法实时监测预警。未来轨道交通工程中供电系统的巡检应更趋向自动化、智能化。

1.1 外部供电系统

在高速铁路AT牵引网中，大容量、高输出功率的牵引变压器是重要的一部分，连接牵引变电站的外部电源系统电源电压基本高于220 kV。容量大的变压器出现短路故障时，产生的阻抗低，若牵引变电站的近端发生短路现象，瞬时释放的短路电流通常大于10 kA，普通铁路近端短路释放的电流通常在3～5 kA范围内，前者是后者的2～3倍。电力线路产生的热量和电流的平方成正比关系，高速铁路牵引变电所近端短路时，产生的发热量是普通铁路近端短路时产生的发热量的4～9倍。为了确保供电系统能够可靠运行、迅速切除短路故障，应选择响应速度较快的牵引电源保护系统。

1.2 AT牵引供电

AT牵引供电结构复杂，供电能力强，有多个接触网导线，供电方式多样，可越区、可并联、可串联。在继电保护方面，AT牵引供电和普速直接供电方式在继电保护器故障识别范围、断路器动作选择以及故障切断区间确定等方面存在差异。继电保护器没有良好的选择性，单个位置出现供电故障时，会牵连多个保护设备，出现同时跳闸的故障，使故障影响范围变大，增加定位故障、排除故障的难度。

1.3 供电防雷系统

由于施工区域地形和环境的影响，轨道交通工程中常见高架、桥梁，为了避免供电系统受到雷击伤害，应确保电力机车的运行条件稳定。通常情况下，采用互感器连接牵引变电所一次、二次系统，控制信号、模拟信号在系统间多次传播，电气难以隔离。牵引变电所附近供电线路被雷击击中时，雷击电流流入牵引变电所二次系统的概率提升。为了减小雷击对二次系统的影响，通常情况会选用综合防雷屏，但应用综合防雷屏的弊端在于增大后期运营的难度。综合防雷屏接线复杂、电缆多，尤其在防火封堵、电缆排布方面。智能变电所中，为了妥善处理一次、二次系统间电气隔离的弊端，数据传输时采用光纤及数字信号，能够提升供电系统的抗电磁干扰能力，起到良好的防雷作用，将线缆的布设标准提升一个档次，提高系统的防火能力。

2 智能牵引变电所的主要功能

以《智能变电所技术导则》（GB/T 30155—2013）为基准，集成的智能组件和智能变压器是构成智能牵引变电所的主要结构。

2.1 顶层设计

在顶层设计中，牵引变电所就地保护的方式为一对一，是综合考虑高速铁路AT牵引供电需求以及融合数字化变电站、实时通信、数据共享技术的基础上提出的。在不同的保护装置间实现的数据传输、资源共享，可有效实现站域间的保护控制。为了有效提高供电系统的保护能力，增强其控制和可靠性能，供电系统中不同保护设备间完成数据通信需要依靠站间通信的形式。

2.2 系统结构

智能牵引变电所采用三层两网式的测控保护系统，三层指站控层、间隔层以及过程层，两网指光纤通信网络，分布在过程层、站控层。将设备采集SV网设置于过程层中，面向通用对象安装变电所GOOSE网（面向通用对象）。智能牵引变电所的过程层由智能组件构成，其中包括合并单元、本地保护和智能终端。智能组件与就地保护装置之间的数据传递主要通过光纤实现，组件受到雷击伤害时不会影响其他保护装置。

以直采直跳组网方式为主的智能变电所就地保护测控系统借助光纤直接连通过程层，完成数据传输。以网采网跳组网方式为主的站域保护测控可有效提升数据的共享功能，增加数据传输可靠性；广域通信使用网采网跳的方式实现广域保护。

2.3 广域保护测控

（1）站域保护。

故障出现在牵引变电所的低压母线或其附属装置处时，低压侧保护装置有0.7～1 s的响应时间，再启动保护装置。在响应时间内，供电设备会受到过载电流的影响，受到较大的损害。智能变电所的站域保护依靠光纤传递数据，保证实时通信，一旦设备感应到故障电流，会启动GOOSE系统下的供电母线保护装置。

智能变电所的站域保护作用是保护非故障部位不受故障电流的影响，若故障位置在母线或其附属装置处，故障电流仅在低压侧出现，不影响其他位置，可以保护供电设备不被故障电流影响。故障出现在馈线处，有不少于一个馈线保护元件可保护馈线。

（2）供电臂保护。

所选的AT牵引供电系统的供电臂故障时，会直接影响AT所、分区所的电流值，故障点位置与电流变化特征密切相关，故障点的位置不同，电流的变化特征也不同，可以通过分析在AT所、分区所附近电流特征判断故障点，提供供电臂保护的相关数据。

通过比对牵引变电所内的保护元件周围上行、下行电路产生的电流，分析其电流的大小和流经的方向，满足保护元件至少在1个AT段，对故障地点可实行重叠保护。保护装置的保护元件启动时，光纤通信会将故障信息（GOOSE跳闸报文）发送到同一位置区间的供电臂上的其他保护装置上，出现故障的供电臂部位会自动快速断电，其他供电臂中的保护装置都不受影响。此外，AT牵引供电系统供电臂故障时，在辨别供电臂故障位置时，采用分析AT所、牵引变电所及分区的阻抗特征的办法。

（3）就地级保护测控装置。

就地保护测控装置可直接以被控对象自身作为基准进行独立判断，将故障快速、可靠隔离或切除，完成测量、控制被控对象及间隔内开关的逻辑闭锁等工作，包括但不限于主变测控、主变保护、馈线保护、故障测距等。

①牵引变压器。

主变保护和主变测控装置是牵引变压器的主要配置，其主要负责变压器的保护、测量、控制和备自投等功能。主变保护装置在完成差动、高低压侧过电流、过负荷等保护功能的同时，接收智能组件GOOSE信号记录非电量保护。主变测控装置则在完成变压器高、低压侧电气测量及相关断路器和隔离开关控制的同时，实现主变故障备用变压器自动投入、进线失压备用电源自动投入等备自投功能和开关控制逻辑闭锁功能。

②馈线。

每条馈线都有一套相应的保护测控装置，其主要负责完成过电流增量保护、电流速断、自动重合闸等功能，完成馈线间隔的1个馈线断路器、2个电动隔离开关控制和闭锁功能，对间隔内的电流值和电压值进行测量采集。

3 智能牵引变电所设计原则

（1）对智能牵引变电所而言，接口定义、通信协议、数据传输和硬件、软件平台等方面的配置以国际、国家标准和行业规定为基础，在兼容不同厂家生产设备的同时，实现不同系统间的信息共享和互联互通。

（2）智能牵引变电所的硬件架构与系统功能设有足够的余量，可按照实际需求进行容量扩充、功能扩展。

（3）对于在变电所中使用的软、硬件设备和相关产品性能，应满足安全和可靠性要求。

（4）传感器应对电磁干扰和环境具有较强的适应能力，设备对外置或内置无绝对要求时，尽可能使用外置，若必须使用内置式时，内置传感器宜采用无源型，使用寿命应不低于设备本体使用寿命。在使用外置传感器时，外置传感器的安装应满足美观、易维护以及不降低高压设备外绝缘水平等要求[1]。

（5）保护测控装置应满足继电保护选择性、速动性、灵敏性、可靠性的基本要求。

4 现场应用

某轨道交通项目沿线一共有22座变电所，AT分区所6座、牵引变电所5座、开闭所2座、AT所9座。该项目采用智能牵引变电所及广域保护测控系统提升供电网络的可靠性，运行两年以来，大幅度降低故障发生率，能够快速排查故障、远程控制，应用效果良好。

5 结语

在轨道交通工程牵引供电系统中，通过应用智能牵引变电所提高供电可靠性，为电力机车提供可靠的动力来源。本文从功能特征、供电设备数据交互等方面分析智能牵引变电所的优势，提出基于智能变电所构建智能广域保护测控系统，以案例中的应用效果佐证论文的观点。实践证明，在轨道交通工程供电系统中应用智能牵引变电所，可有效减少供电系统故障的出现概率，迅速切除故障点，降低损失，达到应用目的。