城市轨道交通上网及越区供电方案的优化

周才发，张开波

城市轨道交通上网及越区供电方案的优化

周才发，张开波

通过分析城市轨道交通工程直流牵引供电系统的运行方式和发生故障时的特点，提出了传统的接触网上网及越区供电方案的不足，并提出新型的优化方案：接触网上网组合开关柜。最后阐述了新型接触网上网组合开关柜方案在技术、经济、运营等方面的优越性。

上网隔离开关；越区隔离开关；上网组合开关柜；越区直流快速断路器

0 引言

目前，我国绝大部分城市轨道交通工程牵引直流母线采用单母线接线，正线每座牵引变电所馈出4回DC 1 500 V出线，分别接至接触网上、下行，并通过上网隔离开关向接触网供电，馈线采用直流快速断路器。直流快速断路器采用移动备用方式，每座牵引变电所设置 1台直流快速断路器备用手车。正常运行时，正线相邻牵引变电所对其间接触网实现双边供电；当正线任意一座牵引变电所解列时（端头牵引变电所除外），由正线相邻的牵引变电所通过解列牵引变电所的接触网越区隔离开关或DC 1 500 V母线越区大双边供电；当端头牵引变电所解列时，由相邻的牵引变电所通过解列牵引变电所的接触网越区隔离开关或DC 1 500 V母线越区单边供电。

1 传统接触网上网及越区供电方案的不足

如图1所示，采用传统的接触网上网及越区隔离开关（上网隔离开关柜或者是直接放在隧道里面的上网、越区隔离开关），当由于整流器及以上故障导致牵引变电所 B解列时，无需倒闸开关，可以利用直流母线及直流馈线断路器直接实现牵引变电所A与牵引变电所C的大双边供电。当直流母线或直流馈线断路器发生故障导致牵引变电所B解列时，由于越区隔离开关不能带负荷操作，必须确认相邻的两个牵引变电所相应的馈线断路器及越区隔离开关均在分位的情况下，才能闭合本所的越区隔离开关，实现牵引变电所 A与牵引变电所 C向接触网的大双边供电，因涉及的牵引变电所及馈线开关数量较多，将导致牵引变电所 A与牵引变电所C之间约6～8 km的接触网一段时间内停电，涉及列车数量较多，影响范围较大，给行车运营带来不利的影响，也给列车上的乘客带来一定的恐慌。同理，当牵引变电所 B故障恢复后，接触网需由大双边改为小双边供电时，也需要将牵引变电所A与牵引变电所C之间的接触网在一段时间内停电，通过一系列开关倒闸来实现接触网的正常小双边供电。

当直流母线或直流馈线断路器发生故障导致牵引变电所解列时，为保证对接触网的不间断供电，有些运营公司采用了减少行车对数下的单边供电，甚至有的运营公司仍按原来的行车对数直接单边供电，即不闭合越区隔离开关，直接由牵引变电所A、牵引变电所C向2个牵引所之间的接触网单边供电。但在运营中发现，为了减少向接触网供电的直流馈线电缆的敷设距离，接触网的上网点采用了在靠近牵引变电所端上网，当牵引变电所解列，由左右相邻的牵引变电所采用单边供电时，在解列牵引变电所上网点附件的过接触网电分段处拉弧现象严重，甚至出现较大的弧光造成接触网与列车顶部发生短路，导致变电所直流馈线断路器跳闸，从而人为原因导致接触网停电，中断运营。经过分析，得出的结论是：由于解列牵引变电所上网点的接触网电分段处离两侧的直流电源较远，列车电分段处一侧起动或制动时，大的起动电流或制动时的再生电流会造成电分段处两侧的直流电压差较大，从而导致列车受电弓在过电分段时产生强烈的拉弧现象。

图1 采用传统上网及越区供电方案的直流牵引供电系统图

由上述可知，当直流母线或直流馈线断路器发生故障导致牵引变电所解列时，要么短时间内接触网停电，通过倒闸相关断路器及越区隔离开关来实现大双边供电；要么减少行车对数，并牺牲受电弓及接触网的寿命、甚至冒着有可能引发故障导致中断运营的危险来实现接触网不间断的单边供电。这都给地铁线路长期可靠运营带来不利影响。

总之，传统的接触网上网及越区隔离开关方案给城市轨道交通工程长期安全可靠运营带来一定的安全隐患，已经不能满足越来越高的安全可靠运营的要求。针对传统的接触网上网及越区隔离开关装置，从运营安全可靠、便于施工安装及运营维护的角度，笔者提出了一种新型的接触网上网组合开关柜，实现向接触网供电方案的优化。

2 新型接触网上网组合开关柜方案

如图2所示，新型的接触网上网组合开关柜是由2个上网隔离开关和1个越区直流快速断路器组成，并将其集成在一个组合柜体中。

采用新型的接触网上网组合开关柜方案后，当由于整流器及以上故障导致牵引变电所B解列时，可以与传统的方式一样，无需倒闸开关，利用直流母线及直流馈线断路器直接实现牵引变电所 A与牵引变电所 C向接触网的大双边供电。当直流母线或直流馈线断路器发生故障导致牵引变电所 B解列时，无需先将牵引变电所 A与牵引变电所 C之间的接触网停电，可直接合闸该组合开关柜中的越区直流快速断路器，实现相邻牵引变电所的大双边供电，也实现了接触网不停电运行方式的转换。

同理，采用该组合开关柜后，牵引变电所故障恢复后，也无需先将牵引变电所A与牵引变电所C之间的接触网停电，可直接分闸该组合开关柜中的越区直流快速断路器，退出由2个相邻牵引变电所向接触网的大双边供电，实现正常的小双边供电，也实现了接触网不停电运行方式的转换。

由上述可知，采用新型的接触网上网组合开关柜后，可以很方便的实现接触网大双边与小双边供电方式之间的转换，且接触网不用停电，接触网也无需采用减少行车对数下的单边供电的模式，保证了列车安全稳定的运行。

采用新型接触网上网组合开关柜后，无需再采用单边供电的模式，且接触网电分段位置均可设置在距离牵引变电所较近的位置，减少接触网上网电缆的长度，节省工程投资，也可以提高供电系统运营的可靠性。当采用小双边供电模式时，由于在靠近牵引变电所端上网，接触网电分段的两侧离本所的直流母线很近，相当于电分段的两侧直接通过本所的直流母线短接，即使在电分段处，有列车启动或制动，也不会出现明显的拉弧；当采用大双边供电模式时，接触网电分段的两侧直接通过越区直流快速断路器短接，列车在过电分段处时也不会出现明显的拉弧。通过几条城市轨道交通工程的现场调研及设计回访，也证明了上述分析是正确的。

图2 采用上网组合开关柜的直流牵引供电系统图

3 优化方案的优点

（1）优化方案与传统方案相比，接线简单，可靠性更高，运营更加灵活，可以很方便的实现大双边与小双边供电之间的转换，且接触网不用短时停电，保证了向列车持续提供安全、稳定、可靠的电源。

（2）采用优化方案后，可取消常规越区隔离开关与相邻牵引所相应直流馈线断路器之间的闭锁关系，简化了设计，牵引变电所之间的直流联跳电缆的芯数可大大减少，节省工程投资。

（3）采用优化方案后，接触网可以在靠近牵引变电所的位置上网，与常规一定要求在车站进站端上网相比，可大幅节省直流馈线上网电缆的数量，节省工程投资。以一个长200 m的标准站来计算，考虑每回直流馈线上网电缆的截面及根数为5×1×400 mm2。可节省400 mm2的直流馈线上网电缆的长度约为0.2×5×2 = 2 km，直流电缆按30万/km计算，可以节约直流电缆投资费用约60万元。实际工程中，直流馈线电缆也是故障率较大的地方，减少直流馈线电缆的长度，直流牵引供电的可靠性也相应得到了提高。

（4）采用优化方案后，越区直流快速断路器的型号规格如果与牵引变电所的直流进线、馈线快速断路器的型号规格一致，可以考虑取消每个牵引所备用的直流快速断路器手车。由于越区直流快速断路器与直流进线、馈线快速断路器在任何运行方式下，可以不需要同时工作，加上直流快速断路器本身的故障率比较小，越区直流快速断路器可以与直流进线、馈线快速断路器间实现互为备用。

（5）经过调研相关厂家，新型的接触网上网组合开关柜柜型尺寸为：（宽×深×高）

1 500 mm×1 700 mm×2 300 mm，价格大约为50万元。传统的接触网上网及越区隔离开关（3台）大约10万元/套，经过估算，采用优化方案与传统方案相比，总的投资不会增加。

4 结语

近年来，随着国内各城市投入运营的轨道交通线路越来越多，大部分城市已经成网络化运营。城市轨道交通作为城市公共客运系统的大型基础设施，具有高效、环保、准时、站点密集等特点，越来越得到社会各界认可，逐步成为城市公共客运系统的骨干，承担的交通压力很大。

如某一重要线路因供电中断而出现停运时，势必导致相关线路运输能力的下降或城市地面公共交通系统短时间内运输压力骤增，造成一定的间接经济损失和不良社会影响。

综上所述，优化方案在基本没有增加投资的前提下，大幅提高了直流牵引供电的安全可靠性，实现了接触网运行方式转换时的不停电需求，可有效地提高城市轨道交通工程运营的灵活性，也便于施工安装、运营管理与维护，有很好的实用性，可广泛应用于目前各城市轨道交通工程的建设中。

[1] GB 50157-2003 地铁设计规范[S]．北京：中国计划出版社，2003.

[2] GB/T50062-2008 电力装置的继电保护和自动装置设计规范[S]．北京：中国计划出版社，2009.

[3] 中铁二院工程集团有限责任公司．成都地铁4号线一期工程初步设计文件[R]．成都，2013.

[4] 黄德胜，张魏．地下铁道供电[M]．北京：中国电力出版社，2009.

On the basis of analyzing the operation mode and characteristics of failure of DC traction power supply system of urban rail transit, points out the disadvantages of traditional feeder connection with OCS and over-zone power supply scheme, and puts forward the new optimized scheme of GIS feeder connection with OCS. And it illustrates the technical, economical and operational advantages of new GIS scheme for feeder connection with OCS.

Disconnector for feeder connection with OCS; over-zone disconnector; GIS for feeder connection with OCS; over-zone DC quick break circuit-breaker

U231.8

：B

：1007-936X(2015)04-0041-03

2014-11-20

周才发.中铁二院工程集团有限责任公司，高级工程师，电话：13693443761；

张开波.中铁二院工程集团有限责任公司，高级工程师。