高速铁路智能牵引供电系统的快速自愈重构技术研究

刘长利

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043)

智能牵引供电系统由牵引供电设施、供电调度系统、供电运行检修管理系统及通信网络等组成，实现智能故障诊断、预警、自愈重构等功能[1]。在智能牵引供电系统中，提升自愈重构能力是一项重要目标，目前国内学者主要集中于智能牵引变电所的研究上，开展了牵引变电所备自投和以供电臂为单元的自愈重构研究[2-7]，故障时如何尽量缩小停电范围和快速恢复供电，需开展深化研究工作。接触网开关是SCADA远动系统测控数量较多的高压设备，是故障排查及切除、自愈重构的接触网关键设备，目前高铁接触网开关存在雷电故障及拒动、误动、开关位置误显示等远动控制问题，国内学者对接触网开关的研究主要集中在故障分析及解决措施等方面[8-13]，缺少接触网开关服役状态方面的研究。本文分析了目前牵引供电系统的自愈重构技术特点，结合接触网电分段功能，提出了以接触网供电分段为单元的自愈重构模式，找出应急工作中的薄弱环节，对高铁接触网开关的适应性进行分析，提出快速自愈重构技术需重点解决的问题和建议。研究成果为智能牵引供电发展和提高接触网性能提供借鉴。

1 智能牵引供电系统的自愈重构模式

与智能电网技术相比，智能牵引供电系统的自愈重构应根据自身特性分析，研究针对性的内涵及模式。

1.1 牵引供电系统的自愈重构内涵

牵引供电系统的自愈重构分自愈控制和故障重构两项内容。自愈控制以不间断供电为原则，自愈控制目标是：预防和避免故障发生，如果发生故障以尽快恢复正常供电能力为控制底线，发生故障后不能恢复正常供电将采用故障重构模式。故障重构是指通过改变供电运行方式，隔离故障，缩小停电范围，迅速恢复对非故障区域的供电。自愈控制与故障重构划分如图1所示。

图1 自愈控制与故障重构划分

高铁智能牵引供电系统的自愈重构分为自愈控制、供电臂单元重构及供电分段单元重构等3种模式。在牵引供电系统中含有大量的断路器和开关设备，自愈重构就是通过改变这些断路器或开关的分、合闸状态，从而切换设备、改变供电网络运行方式。自愈重构的具体操作将是一系列断路器或开关的动作组合。

1.2 牵引供电系统的自愈控制模式

目前我国高铁的牵引变电所、分区所及AT所的变电设备均具有自愈能力。主要变电设备均采用固定备用或互为备用的运行方式，可采取定期检修的模式预防故障，并且智能化水平较高，就地保护测控系统较完善，发生故障时可快速切换。因此，变电设备应采用自愈控制模式，当所内发生单点故障或小范围故障时，应快速诊断、隔离故障并恢复至正常供电状态，避免对动车组运行产生影响。当变电设备发生严重故障导致整所或整个供电臂退出运行时，无法实现自愈，需要采用故障重构模式。

在牵引供电系统中，接触网是高铁沿线架空设置的供电设施，为动车组供电。接触网无备用运行，因此不具备自愈能力，接触网故障时采用故障重构模式。

1.3 以供电臂为单元的故障重构模式

在智能供电调度系统中，利用SCADA远动系统实现倒闸操作的自动化和程控化，当牵引网发生故障时进行快速诊断、定位、隔离及改变供电方式，实现故障重构，快速恢复牵引网供电。由于广域测控保护系统以供电臂为单元进行，因此目前牵引网故障重构一般是以供电臂为单元进行。我国高铁普遍采用全并联AT供电方式，典型的高铁沿线供电臂单元、供电分段单元及接触网开关布置如图2所示。

图2 典型高铁沿线供电臂单元、供电分段单元及接触网开关布置

以供电臂为单元进行故障重构，是在某一个供电臂内变电设备(主要是27.5 kV断路器)、馈线(供电线、正馈线)及接触网发生故障时采取降级供电方式的故障重构模式，可采取的降级供电方式如下。

(1)AT供电上下行分开供电方式、AT供电V停供电方式、AT供电越区供电方式。

(2)直接供电全并联供电方式、直接供电上下行分开供电方式、直接供电V停供电方式、直接供电越区供电方式。

从行车组织方面判断一个供电臂单元内动车组紧密运行数量，可以采取如下方法：采用区间通过和有车站经停两个模型，按正常运行和限速运行分出各等级速度，以及相应的列车最小追踪间隔时间，计算出动车组最小追踪距离，进而判断供电臂单元内动车组最大运行数量。区间列车最小追踪距离的计算公式为

ΔS=v×Δt追

式中，v为列车运行速度，Δt追为列车最小追踪间隔时间。正常运行和限速运行的各等级速度值采用《铁路技术管理规程》规定，但不考虑接触网和信号等设备故障情况；列车最小追踪间隔时间采用高铁设计规范及相关文献研究成果[14-16]。列车运行速度及最小追踪间隔时间如表1所示。

表1 列车运行速度及最小追踪间隔时间

经计算，高铁区间动车组最小追踪距离如图3所示。可以看出，高铁区间动车组正常通行时最小间距保持在10 km以上，当供电臂内有车站时，考虑到前、后动车组进站经停的最小间隔时间限制，两列动车组间距可达到20～30 km。另外，在高铁限速运行时，动车组间距在8～10 km，特殊情况时最小间距为3.75 km。

图3 高铁区间动车组最小追踪距离

我国高铁牵引供电系统的供电臂长度为25 km左右，从动车组紧密运行的因素考量，正常情况下单个供电臂可为2列动车组供电，限速情况下最多可为6列动车组供电。供电臂故障停电时，供电臂单元重构模式的应急操作流程如图4所示。

图4 供电臂单元重构模式的应急操作流程

可以看出，供电臂单元重构模式的操作比较简单，调度端易于远动程控化操作，但当故障供电臂及相邻供电臂内有多列动车组运行时，停电影响较大。该模式的操作权归供电调度中心，由调度端根据广域保护测控信息通过远动系统进行程控化操作。

1.4 以供电分段为单元的故障重构模式

目前高铁接触网故障停电和弓网事故较多，为了尽量减小动车组停车对旅客身心及社会舆情的影响，最大范围地为沿线滞留动车组供电，应缩小停电范围，尽快为接触网故障点所在最小停电单元以外的动车组恢复供电。接触网的最小停电单元是供电分段，即由绝缘锚段关节或分段绝缘器划分出接触网电气独立的供电区段，考虑采用以供电分段为单元进行故障重构。供电分段单元的划分原则如下。

(1)纵向单元为车站两端咽喉区外、AT所附近及隧道内外绝缘锚段关节的供电分段。

(2)横向单元为枢纽或大型客站的供电分束。

(3)以车站两端咽喉区八字渡线内绝缘锚段关节为基础，划分接触网V停供电单元。

供电分段单元重构模式具有较高的供电灵活性。在图2中AT所附近的G10/G11至两侧电分相处G3/G4或G16/G17之间形成最基本的供电分段单元S或S′，长度可达10～15 km，正常情况下可为1列动车组供电，限速情况下最多可为4列动车组供电。考虑到高铁沿线的车站或特长隧道情况，供电臂L上行可划分出6个电分段单元，一般情况下接触网故障仅涉及其中1个最小停电单元，当绝缘锚段关节、分段绝缘器、电分相处发生接触网故障或弓网事故时可能涉及2个最小停电单元，但该供电臂内仍有4个供电分段单元可为动车组供电，便于供电调度与行车调度双方配合进行灵活处置。供电分段单元重构模式的应急操作流程如图5所示。

图5 供电分段单元重构模式的应急操作流程

可以看出，当自动重合闸和试送电失败时供电调度端需要进行故障排查及分段试送电，找出故障点所在最小停电单元，隔离故障点，尽快恢复供电。当接触网故障停电且供电臂内有多列动车组运行时，能否尽快隔离故障点和恢复供电，取决于故障标定能力、调度端程控化水平及倒闸作业效率。

2 高铁牵引供电系统自愈重构的薄弱环节

高铁牵引供电系统自愈重构属于应急工作，由供电调度端的SCADA远动系统、牵引供电设施的广域保护测控系统及断路器、开关设备等配合完成。高铁智能牵引供电系统自愈重构的执行体系如图6所示。

图6 高铁智能牵引供电系统自愈重构的执行体系

供电分段单元重构模式主要依靠接触网开关的倒闸操作来实现。目前我国高铁接触网普遍采用隔离开关，在早期高铁项目的电分相中性段、上下行并联处采用了负荷开关。近几年根据高铁接触网运行经验，由于负荷开关的开断能力和电气寿命无法满足要求，因此接触网不再采用负荷开关，在铁路设计规范中统一规定采用电动隔离开关。接触网开关分单极和双极两种形式，按工作状态分常闭和常开两种状态。接触网开关采用电动操作，经远动系统纳入供电调度管理。

与普速铁路相比，目前高铁接触网开关的功能和用途已发生变化。高铁接触网检修采用垂直天窗模式，操作牵引变电所馈线断路器以供电臂为单元停电，夜间检修时可不动用隔离开关，无需现场人工查看隔离开关断口以确认接触网带电状态。随着智能牵引供电系统的发展，接触网开关将主要用于故障重构。根据我国现行铁道行业标准[17-19]，目前高铁普遍采用的户外27.5 kV等级的隔离开关、负荷开关及真空断路器，其技术参数对比如表2所示。

表2中括弧内数据为行业标准未作规定而采用高铁常见设备的技术参数。隔离开关电动操作时间在4 s左右，与断路器的毫秒级操作时间相比差距较大。由于隔离开关没有熄弧装置，不能带负荷操作，需要与牵引变电所馈线断路器进行配合操作，不能实现速断速合。因此，在高铁牵引供电系统自愈重构的执行体系中，接触网开关是应急工作的薄弱环节。

表2 隔离开关、负荷开关及真空断路器技术参数

3 现有高铁接触网开关的适应性

从接触网开关设计上看，电分相中性段处接触网开关用于动车组救援或特殊情况下越区供电，由于隔离开关不能带负荷操作，导致电分相两侧供电臂均需要参与倒闸操作；牵引变电所出口上下行联络开关用于馈线断路器故障切换时一拖二并联供电，隔离开关操作导致上下行供电臂均需临时停电。因此，接触网开关操作将涉及多列动车组停车降弓，影响范围大、停电时间较长，不适应快速自愈重构的要求。

从服役状态方面看，高铁沿线露天安装的隔离开关受雷电、鸟害影响较大，其柱顶安装状态不利于安全和检修；隧道内隔离开关的安全防护等级较低，存在防火抗灾风险。目前隔离开关故障率较高，开关引线脱落导致弓网事故，雷电或接触网闪络引起RTU箱、操作机构箱烧损的次数较多。接触网开关是SCADA远动系统中测控数量较多的设备，但开关拒动、误动及开关位置误显示等远动控制问题较多，对接触网故障快速自愈重构的可靠性影响较大。

综上所述，接触网开关是牵引供电系统自愈重构的薄弱环节，在带负荷操作、倒闸时间、服役状态等方面难以适应智能牵引供电系统发展要求。

4 快速自愈重构技术

在智能铁路方面，文献[1]提出凡是有助于提高铁路运输效率、提升安全保障能力、优化客户服务质量的技术，均可称之为智能铁路技术。文献[2]提出进一步完善智能设备、研制智能接触网的建议。智能牵引供电系统发展的目标是为动车组提供持续可靠的供电，构建快速自愈重构技术，通过提高供电灵活性和快捷性，为动车组运行提供保障。

在高铁智能牵引供电系统中，接触网是向动车组供电的“最后一公里”，但接触网无备用运行且故障率较高，接触网故障或弓网事故导致动车组降弓、停车一直是铁路供电领域难以妥善解决的问题，由于供电分段单元重构模式具有较高的供电灵活性，按供电分段单元停电对沿线动车组运行影响较小，考虑在供电分段单元重构模式的基础上研究快速自愈重构技术，提高动车组运行的供电保障能力。快速自愈重构技术的核心是采用智能化设备和智能化管理，由于接触网开关是高铁应急工作的薄弱环节，应考虑在接触网开关和供电调度管理方面进行技术升级。

4.1 接触网开关的技术升级

参照智能牵引供电系统发展的技术版本管理[20]，接触网开关的技术升级可分3个阶段进行，其技术升级路线如图7所示。

图7 接触网开关的技术升级路线

提高接触网开关性能的关键是采用能带负荷操作、具有速断速合能力的真空断路器，从而提高供电灵活性和快捷性。接触网开关的技术升级内容如表3所示。

表3 接触网开关的技术升级内容

接触网开关采用户外27.5 kV真空断路器，需要考虑高铁沿线建筑限界和动车组运行安全问题，金属封闭型真空断路器的本体尺寸较小，比较适合在接触网H型钢柱上安装，且在国外高铁线路上有类似的应用经验，因此可作为首选。在安装方式上，隧道外接触网真空断路器可采取在H型钢柱顶安装以取代现有隔离开关(图8(a))，新建线路可采用改进的H型钢柱侧面安装方式(图8(b)、图8(c))。

图8 H型钢柱上接触网真空断路器安装示意

4.2 供电调度管理的技术升级

接触网开关升级为真空断路器后，在性能和可靠性方面与变电所户外27.5 kV真空断路器一致，并且均为SCADA远动系统的测控子项，在增加了智能组件后，纳入智能设备统一管理。

在智能化管理方面，主要对供电调度管理进行技术升级。当高铁接触网故障引起变电所跳闸或发生弓网事故时，之前供电调度端一般是倒闸切除故障供电臂单元，故障供电臂内动车组全部停电降弓，然后利用接触网开关进行故障排查或切除故障所在供电分段单元，为影响范围外动车组送电。随着广域保护测控系统、接触网6C检测系统和PHM健康管理的逐步完善，在接触网开关升级为真空断路器后，可按最小停电单元对接触网故障进行直控操作。

5 结论

智能牵引供电系统的自愈重构属于高铁供电应急工作，具有不同于智能电网技术的内涵及模式。通过分析目前牵引供电系统的自愈重构技术特点，提出以接触网供电分段为单元的自愈重构模式，以缩小停电范围和快速恢复供电为原则，以提高动车组运行保障能力为目标，进行快速自愈重构技术研究，得出以下主要结论。

(1)供电分段单元重构模式具有较高的供电灵活性，是构建快速自愈重构技术的基础。

(2)高铁牵引供电系统自愈重构的薄弱环节是接触网开关，在带负荷操作、倒闸时间及服役状态等方面难以适应智能牵引供电发展要求。

(3)应考虑在接触网开关和供电调度管理方面进行技术升级，接触网开关分阶段升级为户外27.5 kV真空断路器，供电调度端按最小停电单元对接触网故障进行直控操作。