城市轨道交通牵引供电系统变电所直流主接线方案研究

孙红喜



城市轨道交通牵引供电系统变电所直流主接线方案研究

孙红喜

摘 要：城市轨道交通牵引供电系统变电所直流主接线形式多样，为确定北京轨道交通供电系统更适用的直流主接线型式，对目前国内已经采用和可能采用的几种主接线型式进行分析、研究。分析内容包括直流系统的母线构成方案、越区开关的型式选择等。文章亦可为国内同类工程方案选择提供参考。

关键词：城市轨道交通；供电系统；直流主接线；越区开关

孙红喜：北京京投轨道交通资产经营管理有限公司，工程师，北京100044

1　概述

城市轨道交通供电系统包括中压环网、直流牵引、低压配电3部分。其中直流牵引部分负责给机车供电，其可靠性与合理性直接影响城市轨道交通系统的运营质量。

2　各种形式直流主接线方案

直流牵引供电系统主要由整流机组、直流正负极开关设备、馈线、上网隔离开关、接触网、钢轨、回流电缆、均流电缆等组成。每座牵引变电所设2套整流机组（整流变压器、整流器单元），2套整流机组并联接在同一段10 kV 母线上，正线每座牵引变电所由直流母线馈出4回 DC1500V 电源向左、右线接触网的左右臂供电，牵引变电所出口设越区供电开关。

2.1各种接线方式的应用情况

目前，城市轨道交通直流牵引供电系统主要有以下3种方案。

2.2方案一

直流开关采用单母线方式（图1），越区开关采用电动隔离开关。本方案在北京、上海、广州、南京等国内众多城市轨道交通系统中应用，如北京地铁4号线、14号线、16号线、机场线、大兴线。

图1　方案一：单母线接线方式示意图

2.2.1正常运行方式

正常运行时，四路馈线断路器开关、上网隔离开关处于合闸状态，越区开关处于分闸状态。

2.2.2故障运行方式

直流系统故障工况较多，以下只描述与母线型式、越区开关型式相关的故障问题。

（1）变电所框架保护动作。发生变电所直流开关柜框架故障时，联跳本所以及邻所相关直流开关柜断路器，变电所直流开关柜退出运行，需进行越区供电。开关操作顺序：①分本所16、26、36、46，合813、824开关；②合左邻所30、40、右邻所10、20馈线断路器（框架保护动作后，此4个断路器处于分闸状态）。实现越区供电，完成恢复供电。

（2）馈线断路器开关送电失败。发生馈线断路器送电失败时，直流开关柜无法向牵引网供电，牵引网无电压。在进行送电时，10开关合闸失败，则进行越区供电。开关操作顺序：①分30断路器、16、36开关，分左邻所30馈线断路器，分右邻站10馈线断路器；②合本所813电动隔离开关，合左邻所30馈线断路器，合右邻所10馈线断路器。实现越区供电，完成送电。

2.2.3检修工况运行方式

直流开关柜体检修时，变电所采用越区供电方式，16、26、36、46处于分闸状态，813、824处于合闸状态。开关操作顺序：①分本所10、20、30、40断路器、16、26、36、46开关，分左邻所30、40馈线断路器，分右所站10、20馈线断路器；②合本所813、824电动隔离开关，合左邻所30、40馈线断路器，合右邻所10、20馈线断路器。实现越区供电，完成送电。

断路器检修时，断路器手车拉出，推入备用手车，维持正常运行模式。日常（非紧急）检修建议在夜间进行。

2.2.4越区开关柜的保护配置情况

变电所内的越区开关柜未设置保护，开关内部在满足国标电气间隙的前提下，加装绝缘衬板，柜体外壳接地。

2.2.5开关闭锁设置情况

越区隔离开关对应的2段牵引网无电压，同时相应的2个上网隔离开关处于分闸状态。如图1所示，813操作需要满足两端牵引网无电压，同时本所16、36开关处于分闸状态。

2.3方案二

直流开关采用双母线方式（图2），越区开关采用电动隔离开关。本方案在北京地铁5号线、6号线、8号线、9号线、10号线、15号线中应用。

图2　方案二：双母线接线方式示意图

2.3.1正常运行方式

正常运行时，四路馈线断路器开关、上网隔离开关处于合闸状态，越区开关处于分闸状态。

2.3.2故障运行方式

（1）变电所框架保护动作。变电所直流开关柜框架故障时，联跳本所以及邻所相关断路器，变电所直流开关柜退出运行，需进行越区供电。开关操作顺序同方案一。

（2）馈线断路器开关送电失败。发生馈线断路器送电失败时，直流开关柜无法向牵引网供电，牵引网无电压。在进行送电时，10开关合闸失败，投入旁路开关。开关操作顺序：先合14电动隔离开关，再合90备用断路器。

2.3.3检修工况运行方式

操作顺序同方案一。

断路器检修时，投入旁路开关。日常（非紧急）检修建议在夜间进行。

2.3.4越区开关柜的保护配置情况

变电所内的越区开关柜未设置保护，开关内部在满足国标电气间隙的前提下，加装绝缘衬板，柜体外壳接地。

2.3.5开关闭锁设置情况

越区隔离开关对应的2段牵引网无电压，同时相应的2个上网隔离开关处于分闸状态。如图2所示，813操作需要满足两端牵引网无电压，同时本所16、36开关处于分闸状态。

2.4方案三

直流开关采用单母线方式（图3），越区开关采用断路器。本方案在北京地铁7号线、燕房线中应用。

2.4.1正常运行方式

正常运行时，四路馈线断路器开关、上网隔离开关处于合闸状态，越区断路器开关处于分闸状态。

图3　方案三：单母线接线方式示意图

2.4.2故障运行方式

（1）变电所框架保护动作。变电所直流开关柜框架故障时，联跳本所以及邻所相关断路器，变电所直流开关柜退出运行，需进行越区供电。开关操作顺序同方案一。

（2）馈线断路器开关送电失败。发生馈线断路器送电失败时，直流开关柜无法向牵引网供电，牵引网无电压。在进行送电时，10开关合闸失败，进行越区供电。开关操作顺序同方案一，如相邻所已经送电完毕，则分16、36开关，合813开关。

2.4.3检修工况运行方式

操作顺序同方案一。

断路器检修时，断路器手车拉出，推入备用手车，维持正常运行模式。日常（非紧急）检修建议在夜间进行。

2.4.4越区开关柜的保护配置情况

开关柜断路器为复杂设备，内部加绝缘衬板较为复杂。如无法实现可靠加装内部绝缘衬板，则需要设置单独的整套框架保护，分流器元器件与保护单元设置于越区开关柜内，同时需要设置独立于变电所的双边联跳回路。

如能够进行可靠加装内部绝缘衬板，则无需配置框架保护，同时外壳接地。作为断路器等大型复杂设备（需考虑开关的灭弧空间问题），北京地铁7号线采用固定式越区断路器方案，越区断路器开关柜采用内部绝缘方案，没有设置框架保护。

2.4.5开关闭锁设置情况

越区断路器开关对应的2段牵引网无压或均有压，同时相应的2个上网隔离开关处于分闸状态。如图3所示，813开关操作需要满足两端牵引网无压或均有压，本所16、36开关处于分闸状态。

开关无线路检测功能，在越区开关一侧有电另外一侧无电时，闭锁合闸操作。

3　各直流主接线方案比较

3.1单一牵引变电所投资比较

以北京地铁14号线1个牵引变电所为例，对3种直流主接线方案的投资情况进行比较，见表1。其中，设备参考价格为断路器开关柜（含隔离开关）45万、断路器开关柜40万、断路器小车30万、纵联隔离开关柜8万、保护装置8万。

表1　直流主接线方式投资比较表

3.2全线牵引所投资比较

以北京地铁14号线全线23座牵引变电所为例，对3种直流主接线方案的投资情况进行比较，如表2所示。

表2　直流主接线方式投资比较表　万元

3.3可靠性、合理性比较

3种直流主接线方案在城市轨道交通中均得到了应用，其可靠性和合理性比较如下。

（1）方案一。直流开关采用单母线方案，越区开关采用电动隔离开关。系统接线简单、可靠、运营维护工作量低。但因越区开关采用电动隔离开关，如在正常运行时，倒闸操作需要牵引网停电处理，操作时间较长。设备投资较少。

（2）方案二。直流开关采用双母线方案，越区开关采用电动隔离开关。系统接线可靠、成熟，当单馈线送电不成功时，可迅速投入备用断路器，完成送电。但因越区开关采用电动隔离开关，如在正常运行时，倒闸操作需要牵引网停电处理，操作时间较长。同时，随着系统运行时间的积累和设备故障的增加，备用断路器开关使用次数成增加趋势，增加了设备的故障点。设备投资较高。

（3）方案三。直流开关采用单母线方案，越区开关采用断路器。系统接线简单、可靠。但如不设置框架保护，需对开关柜结构进行详细设计；如设置了框架保护，则可能产生误动以导致地铁停运，降低了运营可靠性。另外，2个供电分区之间无可视断点。设备投资高。

4　结束语

北京是有着40年城市轨道交通运营经验的城市，由于其地位的特殊性，对城市轨道交通中设备系统的安全性和可靠性要求较其他城市更高。通过以上比较，“单母线+纵联隔离开关”作为直流主接线的经典接线方式，在国内外城市轨道交通供电系统中得到了广泛的应用。因此，其在北京轨道交通的推广与应用，将有利于推进北京轨道交通的发展。同时，由于城市轨道交通是一个庞大复杂的工程，影响主接线的方式有很多，需结合工程实际选择合适的接线方案。

参考文献

［1］ 于松伟，杨兴山，韩连祥，等. 城市轨道交通供电系统设计原理与应用［M］. 四川成都：西南交通大学出版社，2008.

［2］ 李秀娥. 轨道交通供电系统综述［J］. 电气传动自动化，2007（1）.

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［5］ 郑洁. 地铁供电系统可靠性和安全性分析［M］. 四川成都：西南交通大学出版社，2008.

［6］ 苏堤. 现代有轨电车箱式牵引变电所设计研究［J］. 电力学报，2013（16）.

责任编辑 凌晨

Study on DC Main Wiring Scheme of Traction Power Supply System Substation for Transit

Sun Hongxi

Abstract:Urban rail transit traction power supply system substation has different main wiring forms for DC in the transformer substation. In order to determine a more suitable solution for the DC main wiring type for Beijing rail transit power supply system, the current domestic adoption and possible use of several main types is analyzed and studied. The content includes the structure of the bus bar of the DC system, and the selection of handover switchgear type. This paper also provides a reference for the domestic similar engineering scheme.

Keywords:urban rail transit, power supply system, DC main wiring, handover switchgear

中图分类号：U231.8

收稿日期2015-11-09