摘要：介绍了城市轨道交通供电系统牵引变电所设置原则，结合牵引变电所设置原则和个别线路末端牵引变电所故障退出时存在的问题，提出了一种新的变电所主变接线方案及相应的保护配置方案。
关键词：牵引变电所；主接线；故障；保护配置
0引言
目前国内轨道交通牵引供电系统大多采用DC750和DC1500V两种电压等级，供电方式分为接触轨和接触网两种。无论哪种供电方式，供电系统均需根据线路、车辆和运营组织等在线路上设置多座牵引变电所，将交流电源（AC35kV、AC20kV或AC10kV）降压整流后转换为24脉波直流电供车辆使用。正线直流牵引供电系统全线连通，相邻的牵引变电所间可以实现正常双边供电及“大双边”供电，保证了直流供电系统的可靠性。
1城轨牵引变电所设置原则及存在问题
城市轨道交通牵引变电所的设置原则：（1）牵引变电所的分布应满足在远期高峰小时行车交路下，任一座牵引变电所故障解列并由相邻牵引变电所支援供电时，牵引网最低电压水平不低于1000V[1]。（2）牵引变电所的分布应结合牵引负荷的分布进行设置，钢轨电位满足GB50157、GB50490、GB/T28026.1以及IEC62128.1规范要求。（3）在满足以上2条原则的前提下，应尽量考虑以下因素：a.正线正常运行时采用双边供电，因此线路两端车站应设置牵引变电所。b.在满足牵引网电压和钢轨电位要求的情况下，牵引变电所应设置在车站，以方便运营管理。c.场段正线接入站应尽量设置牵引变电所，以提高当场段牵引所故障退出时正线对场段支援供电工况下的供电质量。d.牵引变电所的分布应考虑在不影响供电质量的前提下尽量在规模较大的、有配线的车站设置牵引变电所；对于地下区段区间牵引所，尽量选取在区间风井处设置，以减少因设置牵引变电所而增加的土建投资。e.牵引所布点应兼顾考虑杂散电流防护。结合上述供电系统的特点和牵引变电所设置原则，线路末端车站均设置牵引变电所，若末端站后无车辆段或停车场，当末端站牵引变电所故障退出运行，需要相邻的牵引变电所“单边”供电至线路末端，此时牵引网电压和钢轨电位仍需要满足标准要求。但个别线路在末端牵引变电所设置时会存在如下困扰：以图1所示的线路为例，在建线路末端区间的间距较大且后期有延伸线路，经仿真模拟计算，末端3个站均需设置牵引变电所，能保证正常双边供电和车站2牵引变电所故障退出运行时由车站1和车站3牵引变电所“大双边”供电时的电能质量要求。当车站3牵引变电所故障时，车站2牵引变电所需单边供电至线路末端，经仿真模拟计算，此时牵引网电压满足不低于最低电压1000V的标准要求，但钢轨电位高达180～200V，供电质量不能满足要求。若末端区间增加区间牵引所，可以解决供电质量问题，但增加牵引变电所会带来土建及设备投资增加，对于与区间风井合建的地下变电所增加的土建和设备投资约600～700万元，对于地面变电所增加投资约500～600万元，同时地面变电所建设还可能涉及规划、征地等接口问题。当线路后期延伸后区间牵引变电所的功能弱化，若延伸线路的车站4设置牵引变电所，车站3牵引变电所故障退出运行，车站2牵引变电所和车站4牵引变电所“大双边”供电可以满足供电质量需求，此时区间牵引变电所又可以取消。此种线路末端牵引变电所的设置方案给设计带来了困扰。
2变电所主接线新方案
目前城市轨道交通牵引变电所一般主接线方式如图2所示，该接线方式下，全所设置3套框架泄漏保护，由于所有直流断路器采用1套框架泄漏保护，当该框架泄漏保护动作后，本所直流进线和馈线断路器断开，末端牵引变电所直流系统退出运行，此时只能采取单边供电方式。结合牵引变电所设置原则和上述示例线路末端牵引变电所整流机组故障退出时存在的问题，提出一种新的变电所主接线方案及相应的保护配置方案。上述线路中牵引变电所设置方案存在的困扰主要是末端牵引变电所整流机组故障退出运行时，相邻牵引变电所单边供电至线路末端的供电质量不满足要求，若能够改变末端牵引变电所的主接线方式，达到在整流机组退出情况下仍可以提供直流电源的目的，就能够在不增加区间牵引变电所的情况下满足供电质量要求。因此，在末端牵引变电所增加1套整流机组或利用双向变流装置（若设计方案中已存在该装置）整流功能作为第3套整流机组使用，并对直流主接线方式进行调整，具体主接线方式（以下简称新主接线方式）如图3所示。相对于一般主接线方式，新主接线方式增加2台直流母联断路器，故障情况下将直流正母线分为2段，同时新增了3套框架泄漏保护装置。在该接线方式下，所有直流断路器及电动隔离开关均处于闭合状态。
3新变电所主接线的运行方式分析
对采用新主接线方式后对末端牵引变电所的运行方式进行分析。
3.1正常运行方式分析。2套整流机组并联运行共同构成24脉波整流，所有直流断路器及电动隔离开关均处于闭合状态。双向变流装置具有双向变流功能，在车辆取流时，其作为整流装置向车辆提供直流电，当需要吸收车辆多余的再生制动能量时，其作为逆变装置将再生制动能量反馈回35kV环网。
3.2故障运行方式分析。当1套整流机组故障退出运行，断开故障整流机组对应的交流40.5kV断路器及直流进线断路器，由另1套整流机组和双向变流装置向牵引网供电。当2套整流机组同时故障退出运行，断开整流机组对应的交流40.5kV断路器及直流进线断路器，由双向变流装置向牵引网供电。当双向变流装置故障退出运行，断开其对应的交流40.5kV断路器及直流进馈线断路器，由2套整流机组向牵引网供电。当直流Ⅰ段母线故障，断开该段的直流进线和馈线断路器，同时断开2台直流母联断路器，由直流Ⅱ段母线对应的单整流机组及Ⅱ段母线上的开关向牵引网供电。当直流Ⅱ段母线故障，断开该段的直流进线和馈线断路器，同时断开2台直流母联断路器，由直流I段母线对应的单整流机组、双向变流装置及I段母线上的开关向牵引网供电。上述运行方式最大限度地保证了牵引变电所直流电源不退出，减少了单边供电的几率，保证了供电质量，提高了供电可靠性。
4新变电所主接线的保护配置
为实现上述运行方式，需要为新主接线设计相应的保护配置方案，具体如下：所有进线及馈线短路的保护配置与一般主接线方式的保护配置一致。新增的2台直流母联断路器只需设置大电流脱扣保护（本体）及电流速断保护，电流速断保护需考虑其与进线断路器及馈线断路器的保护级差配合，避免越级跳闸。为降低直流设备框架泄漏保护动作导致全所退出，全所配置6套框架泄漏保护装置，如图3方框标注所示，具体为：1号整流器、2号整流器、直流Ⅰ段母线、直流Ⅱ段母线、负极柜及双向变流装置各1套，上述6组直流设备均独立绝缘安装。
5新主接线方案的适用线路
综上分析，对于后期有延伸的线路，设置区间牵引变电所，在延伸线路实施前能够满足供电质量要求，在延伸线路实施后区间牵引变电所又可取消，该情况下末端牵引变电所适宜采用新主接线方案，可以取消区间牵引变电所，在延伸线路实施前减小了单边供电的几率，保证了供电可靠性，同时节省了投资。对于后期没有延伸的线路，若单边供电供电质量不能满足要求，建议仍采用末端区间增加区间牵引变电所的方案。
6结语
本文对城市轨道交通牵引变电所设置原则进行了详细分析，针对分期建设线路先期实施工程末端存在的牵引变电所设置方案问题，提出了末端车站牵引变电所采用双向变流装置或新增1套整流机组并对直流母线接线方式进行调整的新型主接线方案，保证了供电可靠性，节省了投资。目前该方案已在济南地铁进行了应用，效果良好。
参考文献：
[1]中华人民共和国住房和城乡建设部，国家质量监督检验检疫总局.GB50157-2013地铁设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2014.
作者:孔清 单位:天津中铁电气化设计研究院有限公司