摘要：随着经济和各行各业的快速发展，我国交通行业发展也十分快速。会对轨道交通的正常运行造成干扰。地铁牵引供电系统可以为地铁提供牵引用电，而直流馈线保护系统可以保护供电系统的正常运行，是地铁牵引供电系统的关键部位，在城市地铁运行领域对直流馈线保护系统的研究和完善，对地铁牵引供电系统的运行有重要作用，有助于城市轨道交通减少故障，运行顺畅。本文将对城市轨道交通直流牵引供电系统和相关技术进行重点研究分析，以供参考。
关键词：城市轨道交通；直流牵引供电系统；关键技术
引言
轨道交通系统的稳定运行离不开一个可靠的电源供电系统，供电系统已经成为城市轨道交通运行的基本保障。轨道交通的电源分为两部分，一部分是城市电网，城市电网向轨道交通系统提供的电源电压等级较高，并不能直接提供给车辆。另一部分是轨道交通的内部电源，内部电源负责将城市电网中高电压转换为适合轨道交通车辆自身运行的电源电压。在城市电网中，轨道交通的供电往往不会直接单独建设电厂，而是从城市电网中获取电能，可以把城市轨道交通看作城市电网的一个用户。
1地铁牵引供电系统
1.1地铁的供电系统
地铁的供电系统可以分为外部供电系统和内部供电系统。外部供电系统即地铁的一次高压电源系统，通过主变电所连接城市电网，可采用集中式、分散式和混合式三种方式供电。地铁的内部供电系统则包含牵引供电系统和动力照明系统。其中，牵引供电系统是地铁供电系统的核心，由牵引变电所和接触网组成，用于牵引地铁机车；动力照明系统负责给区间、车站内的各类照明设施和动力设备、通信设备及自动化设备提供电能。当前，国内城市地铁大多采用110/35kV的两级电压集中供电方式。这种供电方式主要由外部电源、主变电所、中压环网、牵引变电所和降压变电所构成。每个主变电所从城市电网引入2路110kV电源互为备用，降压至地铁所需的35kV中压系统，然后通过中压环网向牵引变电所和降压变电所供电。中压环网采用分区供电，几个相邻的牵引变电所通过串接的方式构成一个供电分区。主变电所向每个供电分区的一个变电所供电，分区的其他变电所则通过串接的方式获得电源。各个牵引变电所之间通过交流电缆连接，这样就构成了地铁的集中供电系统。
1.2直流馈线保护技术的配置原则以及主要影响因素
牵引供电系统内的直流系统故障形式主要有短路故障、过负荷故障、过压故障等，最常见、危害最大的是短路故障，短路故障的发生与其短路点的位置和短路的性质有紧密的关系。直流短路系统保护装置要保证在系统发生短路故障时可以快速并且有选择地切断故障线路，尽可能地保证在可靠安全供电的前提下，配置力求简洁，避免配置过多，增加保护难度，也增加工程投资费用。
1.3供电方式
不同于高铁，城市轨道交通的供电大部分采用直流供电，内外电源之间高低电压的转换离不开变电所设施，通常轨道交通系统从城市电网获取电力之后，会经过变电所一系列的降压，将电网配电电压由220kV等级降至35kV以匹配直流牵引变电所。轨道交通一般在城市内部或城市与城郊之间建设，因此，城市电网供电电源的设计需要结合轨道交通的投资预算、施工条件、工程方案以及运行方式进行综合考虑。根据用电性质的不同，轨道交通供电系统可分为牵引车辆运行的牵引供电系统以及动力照明供电系统。牵引供电系统主要由牵引变电所组成，变电所将三相高压交流电转换成低压直流电，馈电想将直流电输送至接触网上。接触网分为柔式接触网和刚式接触网两种，车辆通过受流器与接触网的直接接触获得电能。牵引变电所一般配置有两套整流机组，设计时要考虑到后期运营时列车的运量，避免引起过负荷问题。
2城市轨道交通直流牵引供电系统有关技术
2.1地铁供电系统谐波和无功的综合治理
鉴于地铁供电系统的谐波更具危害性，综合治理应遵循以抑制谐波为主，无功补偿为辅的原则。目前我国地铁供电系统的谐波无功治理主要采用在车站降压变电所0.4kV侧设置固定式无功补偿装置，即无源滤波器。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆无源滤波器通过对电感、电阻和电容的组合设计构成LC滤波电路，可以滤除系统中特定的高次谐波，同时它在与无功负载并联使用的过程中还起到无功补偿的作用。对于地铁供电系统，白天和夜晚的用电负荷差别较大。系统的无功功率变化时，无源滤波器无法实现动态补偿，并且一种参数只能补偿特定次数的谐波，当电力系统阻抗发生变化时甚至有可能引发谐振，对于控制供电系统的总功率因数效果也不大。在实际运行中，仅用无源滤波器无法满足国家规范的要求。有源滤波器可以并联在变电所0.4kV侧母线处，实现谐波与无功的综合治理作用。
2.2光伏电站接入方式
地铁牵引供电系统主要有两种负载：地铁列车负荷的大直流负载与车站内的交流负载，故有三个位置可作为光伏发电系统的接入点，进而实现光伏电站输出的直流电经并网逆变器到符合要求交流电的转换。其中，交流侧存在两个接入点：AC35kV（接入点1）与AC400V（接入点2）。不论接入点如何选择，对于采用集中供电式的地铁牵引供电系统，光伏电站产生的电能均未直接接入城市电网，避免了光伏电站电能与电网之间的相互影响。在交流并网方式下，光伏电站工作，其能量管理策略较为简单，若有电能产生，且满足并网条件就可向环网输出，并且可直接应用相关领域已有的一些研究成果。光伏接入交流侧用于车站照明、列车内部用电等方案。光伏电站输出的电能是直流电，理论上通过DC/DC变换器升压后可直接接入地铁直流接触网DC1500V（接入点3），直流牵引供电系统中不存在无功、负序等电能质量问题，因此直接接入直流牵引供电网，谐波污染影响小，且电能质量较高，运行中无需额外占用牵引变电站整流装置的容量。文献[25]通过对上海轨道交通一条典型输电线路的研究，验证了将光伏发电系统应用于直流模式下城市轨道交通的可能性，并比较了光伏接入直流和交流侧两种模式在控制策略上的区别。
2.3定时过电流保护
定时过电流保护主要起到确保供电线路中小电流故障可以被及时清除的作用，清除故障时有一定的延时，因此制定整定值时有正负区分。定时过电流保护是电流增量保护和电流上升率保护的后备措施，动作时间要控制在几十秒之内，在切除故障时具有一定的延时性。定时过电流保护作为大电流脱口保护和电流上升率保护的后备保护，可以在直流馈线短路电流值超过预先设定的最大电流值时，通过直流馈线断路器动作跳闸来清除故障。设定最大电流值时，可以分别反方向设定电流值，地铁运行过程中，变电所内直流馈线被用于直流供电时，线路发生故障，反向电流通过直流馈线断路器，可以检测并清除故障。
2.4电流增量保护与电流上升率保护
电流增量保护与电流上升率保护是直流馈线保护技术中的主要措施，在发生故障时，可以将近端短路电流切断，也可以做到大电流脱扣保护，短路故障切除能够有效避免电路中电流上升率保护的干扰问题。延时跳闸主要用于远端短路电流识别和调查。智能系统在正常工作中通过保护装置，实时监测电流上升率，在既定的时间内被保护锁定，则电流上升率保护动作进入延时阶段，电流上升率始终比保护设定值高，在启动保护动作时，电流上升率位置在设定值保护范围内，对电流增量进行计算，电流上升率始终高于保护设定的，电流总量也高于保护设定值，此时电流增量实施保护动作。
结语
地铁牵引供电系统是一个动态交互的复杂系统，由于机车行驶过程中在起动、加速、惰行、制动等工况间频繁地转换，导致直流接触网电压波动程度非常剧烈。因此，直流侧并网方式必须满足机车不断变化的牵引网负荷运行的要求。地铁牵引供电系统的直流馈线保护技术的质量直接影响地铁运行的稳定性，对于地铁牵引供电系统，加强保护措施具有非常重要的意义，进一步完善直流馈线保护技术，可以有效保证地铁稳定供电，对地铁牵引供电系统的顺利运行有重要作用。
参考文献：
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论文作者:田荣兴
论文发表刊物:《电力设备》2018年第30期
论文发表时间:2019/3/27
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