地铁牵引供电系统分析

地铁牵引供电系统分析

李国清

深圳市地铁集团有限公司运营总部

摘要：地铁牵引供电由牵引变电所和牵引网两大部分组成，两者具有相互协调特征。牵引供电和地面供电或配电系统的运行方式是有差异的，因此在设计时应尽可能地发挥系统交通，保障地铁的安全正常运行。以下就地铁牵引供电系统及常见故障进行分析，供同行借鉴参考。

关键词：地铁；牵引供电；电力系统

前言

直流牵引供电系统的特点是“多电源”和保护的“多死区”，“多电源”是指牵引网发生短路时，双边供电两侧的牵引变电所向短路点供电，实际上是整条线的牵引变电所都是通过牵引网向短路点供电。牵引供电系统根据需要可以有以下几种运行方式：①牵引变电所正常为双机组并列运行，以构成等效24脉波整流。②一台机组退出运行时也可以有条件地单机组运行。③系统中允许几座牵引变电所解列退出运行，条件是解列的变电所必须是至少相隔两座牵引变电所。④牵引网正常实现双边供电，当一座牵引变电所故障解列退出运行，应实现大双边供电。⑤只有在末端牵引变电所故障解列时才采用单边供电，如列车在牵引网末端启动时电压降超过运行值，可通过横向电动隔离开关将上下行接触网并联，以减小回路电阻，降低电压损失。⑥本所整流机组都挂在35kV一段母线上，相邻牵引变电所的整流机组会挂在另一段35kV母线上，这提高了供电的可靠性。

一、牵引供电系统按双边供电设计

双边供电是指任何一个馈电区同时从两侧牵引变电所取得两路电源。地铁的牵引供电系统，在正线的设计和运营中，均应采用双边供电方式，因为双边供电具有明显的有点。双边供电是设计必须满足的条件，也是正常运营的首选方式，单边供电不是设计的限制条件。即使在一座牵引变电所故障解列时，也应采取技术措施实行大双边供电，同时应自动完成双边联跳条件的转换，这样可以减少牵引变电所数量，既节省建设投资，又减少运营费用，同时减小列车起动时的电压损失，降低功率损耗，有利于列车运行，并且不影响运送旅客的能力，这对运营是非常有利的。双边供电示意图1所示，走行轨对地电位分布如图2所示。

双边供电比单边供电曲优点如下：

（一）牵引网的平均电压损失，双边供电是单边供电的1/3～1/4。平均电压损失是指列车在区间运行时的平均电压损失，它对辅助电机的运转有意义。平均电压损失有两个分量组成，即由指定列车本身所取电流在其受流器上引起的电压损失和同行其他列车电流在其受流器上造成的电压损失之和。

（二）列车带电运行时受流器上的电压损失，双边供电是单边供电的1/3～1/4，也有两个分量组成，即由指定列车本身所取电流在其受流器上引起的电压损失和同行其他列车电流在其受流器上造成的电压损失之和。

（三）列车最大平均电压损失，双边供电是单边供电的1/4。

（四）列车起动时最大电压损失，双边供电是单边供电的1/4，满足列车起动耐的最大电压损失要求，是决定牵引变电所间距的必须满足的条件。单边供电列车起动时最大电压损失发生在供电区的终点，双边供电列车起动时最大电压损失发生在供电区的中点。

（五）牵引网的功率损失，双边供电是单边供电的1/3～1/4。牵引网中的功率损失等于牵引网中诸列车各自的电流与电压损失的乘积之和。

（六）双边供电时，列车的再生能量可以被同行列车吸收，当车流密度高时再生能量更易被同行列车利用；而单边供电时，再生能量被其他同行列车吸收的可能性极小。

（七）杂散电流值双边供电是单边供电的1/3～1/4。直流牵引网采用接触网正极送电，走行轨负极回流，随着列车的运行，绝大部分回流电流沿着走行轨流回牵引变电所，同时也不可避免地要从走行轨道中向地下（道床、结构钢筋）泄漏电流（杂散电流）。杂散电流的大小主要由下列两个主要因素起作用：①走行轨对地电位的高低。②走行轨对地过渡电阻的大小。

当然，走行轨对地电位越低、走行轨对地的过渡电阻越高则杂散电流就越小。牵引供电系统在向列车供电的同时，也在随列车的移动从走行轨向地下泄漏电流。采用双边供电方式是减小杂散电流最有效的措施。牵引网无论是正常运行方式还是事故状态（一座牵引变电所解列）时都应采用双边供电。走行轨对地电位双边供电是单边供电时的1/3～1/4，在线路条件相同的情况下，双边供电比单边供电时杂散电流要小3～4倍是显而易见的。

二、大双边供电的两种方式

鉴于双边供电比单边供电有很多优点，系统中任何一座牵引变电所故障解列时，也应采取技术措施，实行大双边供电。实现大双边供电有以下两种方式：

（一）利用解列的牵引变电所的直流母线构成大双边供电，利用牵引变电所直流母线构成大双边供电的条件是：①牵引变电所只有两套整流机组退出运行。

②直流母线、上下行4路馈线开关及其二次回路完好无损且能正常运行。

（二）利用纵向电动隔离开关构成大双边供电，当牵引变电所故障解列时，利用电分段处的纵向电动隔离开关构成大双边供电，使整座牵引变电所（含隧道开关柜）退出运行，牵引网运行不受故障牵引变电所的影响。

纵向电动隔离开关的用途有两个：①作为牵引变电所4路馈线开关的备用开关。②作为牵引变电所的备用开关。

三、牵引变电所的运行

因治理谐波的需要，牵引变电所多采用双机组构成等效24脉波整流，在一天的运行中，除高峰小时以外的其他时间，牵引变电所可以单机组运行，但必须满足下列两个条件：（一）牵引负荷不能大于单机组允许的过负荷能力。（二）单机组的12脉波整流所产生的谐波能与供电系统中的其他用户电磁兼容，并满足谐波治理的规定。

四、牵引变电常见故障和解决办法

（一）馈线隔离开关故障或引线烧断

1.馈线隔离开关合不上或合不到位。以馈线隔离开关为作业对象迅速做好安全措施，用手直接将左右触头拉合，先行送电。等有停电点时再将隔离开关修好，恢复正常运行状态。

2.馈线隔离开关触头烧损。在做好安全措施的前提下，用同型号（或载

流量）导线和线夹将隔离开关短接，先行送电，等有停电时再修好隔离开关，恢复设备正常运行状态。

3.馈线隔离开关的引线烧断。在做好安全措施的前提下，用同型号（或载流量）导线和线夹将烧断的引导接通，先行送电。等有停电时再将烧断的引线整个更换。

（二）串补装置故障。

1.旁路断路器拒合。串补装置过压保护动作后，旁路断路器拒合，应立即断开馈线断路器，撤除串补装置，先后送电。然后再检查处理故障。

2.串补装置保护拒动。串补装置放电间隙放电，而串补装置保护拒动时，应立即手动合上旁路断路器，然后撤除串补装置先行送电。最后再检查处理故障。

3.主变（包括主变保护装置）以及主变高低压侧断路器故障。这时应撤除故障设备，由另一台主变带两条馈线先行送电（对于冷变，可投入固定备用变

先行送电）。等故障处理后再利用停电点恢复设备正常运行态。

（三）直流系统故障。

1.有两套铅酸免维护蓄电池组的变电所，无论哪套蓄电池组出现故障，均应先撤出有故障的蓄电池组，并迅速投入正常蓄电池组向直流母线供电，然后再对有故障蓄电池组进行检修。

2.一套蓄电池组变电所直流故障。a.蓄电池组故障。应首先将蓄电池组退出运行，利用充电机独立向直流母线供电。迅速查明故障原因（如极耳烧损等等）进行相应处理，然后立即将蓄电池组投入，恢复正常浮充状态。在只利用充电机向直流母线供电期间，值班人员应严密监视馈线电源、电压显示，如果出现变电所近端短路，造成直流母线电压过低，开关拒动情况，值班人员应迅速采用手动，将馈线开关断开。b.硅整流充电装置故障。当工作硅整流充电装置出现故障，应通过倒换开关将有故障充电装置退出，把备用充电装置投入工作，然后再对出现故障的硅整流装置进行检修。

五、结束语

安全可靠、经济适用是电力供给地铁运营的重要保证，牵引供电系统是地铁供电系统的重要组成部分，直流牵引系统的正常运行、为地铁电力机车提供电能，是整个地铁供电系统的最终目标。对牵引供电系统及故障的研究，对往后的工作具有一定的借鉴意义。