摘要：在我国高速铁路大发展的同时，城市轨道交通建设也在迅猛发展。直流牵引供电系统与城市轨道密切相关，供电系统的顺畅运行直接影响着城市轨道的安全运行。本文介绍了典型直流牵引供电系统和新型直流牵引供电系统，并对地铁故障案例进行分析，提出优化方案。
关键词：城市轨道；直流牵引；供电系统
城市轨道供电系统是城轨建设最关键的部分之一，其主要由多脉波整流机组（包含12脉波整流和24脉波整流等）来实现交流电源的整流，再供给列车负载。地铁场段主要用于停放运营电客车和工程车辆，不仅承担列车的检修、整备、动调、静调工作，同时负责正线运营的收、发车组织。场段直流牵引供电系统故障退出，不仅影响场段内车辆检修、调试工作，一旦故障发生在早运营出车或晚运营收车时段，将对正线运营服务产生重大影响。鉴于场段在地铁运营过程中的重要地位，场段内的直流牵引供电系统无论从可靠性还是从故障下支援供电的时效性上考虑，均需要进一步深入研究。
1 直流牵引供电系统
1.1典型直流牵引供电系统组成
目前主流的直流牵引供电系统主要由24脉波整流机组供电，主要包括牵引整流变压器和12脉波整流电路。牵引整流变压器大都采用轴向双分裂式三绕组变压器，其将网侧交流35kV电压变换为交流1180V电压输出至整流桥。2个三相桥式整流电路并联构成12脉波整流器。牵引整流变压器和12脉波整流器就构成了12脉波整流机组。为了得到24脉波，每个牵引变电所内并联运行的2 台整流变压器的原边绕组分别移相±7.5°，使2台整流变压器4个次边绕组线电压相量各自相差15°，最终在直流侧输出直流1500V的24脉波电压。
1.2新型直流牵引供电系统
城市轨道交通牵引供电系统采用的电压等级从DC600～3000V不等，目前实际工程中主要使用1500V制式。然而随着对供电距离、供电臂末端电压要求的不断提高，同时电气设备性能的不断增强，高等级电压制式供电会越来越受到重视。本文提出的新型直流牵引供电系统将能提供电压等级从DC600～6000V的供电要求。下文将以1500V制式来研究本文提出的供电方案。
城市轨道牵引供电系统供电距离短，通常在2～3km左右，如果再进一步延长供电距离将会使得供电电压偏低。本文提出的新型牵引供电系统通过改进原有直流牵引变电站24脉波整流机组输出电压，再通过Buck电路降压至牵引供电所需电压，并在两所变电站的中点增设一组由PID控制电路控制的Buck变换装置给牵引负荷供电，能达到延长供电臂和提高供电臂末端电压的目的。新型直流牵引供电系统结构示意图如图1所示。该系统的工作原理：35kV交流电经变电站内的24 脉波整流机组整流得到空载电压为6 600 V（额定电压为6000V）的直流电压，一路电压经过两座变电站中点的多重Buck直流斩波电路降压成1650V（额定电压为1500V）的直流电压，再连接到接触网；另一路电压在变电站内经多重Buck 直流斩波电路降压成1650V（额定电压为1500V）的直流电压给机车供电。其中位于中点的多重Buck直流斩波电路由PID控制电路实现其输出电压的稳定，位于变电站的多重Buck直流斩波电路则通过固定开关元件的占空比逐次移相来固定输出电压。
图1新型直流牵引供电系统结构示意图
2 案例回顾
2.1故障经过
2011年8月9日17：39，西安地铁渭河车辆段牵混所35kV馈线开关106、107跳闸，导致车辆段两套牵引整流机组退出运行，车辆段接触网全部失电。由于故障短时无法恢复，按照先通后复的原则，决定采用正线支援车辆段接触网供电，以保证正线电客车能够正常回段。
17：39—1# 整流器特殊熔断器（压敏）信号动作，故障联跳信号、报警总信号、跳闸总信号低电压报警动作，106、107断路器分闸，车辆段接触网全部停电。
17：48—电调联系车辆段牵混所故障情况，现场回复正在检查。
17：55—电调联系车辆段调度，确认车辆段内所有电客车都已降弓。
17：58—电调通报行调故障无法短时处理，需从正线支援车辆段越区供电。
18：06—电调发布倒闸令，开始进行正线支援车辆段供电方式倒切。
2.2故障分析
根据整流器二次原理分析，“整流器特殊熔断器（压敏）跳闸信号”是由PLC在采集到6个熔断器中任意一个硬接线信号后，经PLC内部处理而生成的信号。该信号产生后PLC输出口以开关量形式使跳闸继电器动作，联跳106、107开关。综合以上分析，顺特整流器技术规格书规定运行温度为－5～＋40℃，而故障发生时1#整流器温控器显示温度为38℃，此温度与整流器工作温度上限比较接近，初步判断是由于温度偏高引起1#整流器特殊熔断器（压敏）跳闸信号动作，从而引起PLC程序下发信号联跳整流器35kV馈线106和107开关，导致车辆段牵混所全所解列，车辆段接触网全部失电。
2.3故障启发
假设此故障发生在开通试运营后车辆段早发车或晚收车时段，将导致运营列车无法按时上线运行或按时回段，势必会打乱正线正常运营秩序，对运营服务质量产生较大的影响。要将此故障下的影响降到最低，就必须从车辆段牵引供电系统出发，采取进一步优化方案：一是改造两台整流机组联跳功能，当一台整流机组故障退出运行时，不会联跳另一台，保证车辆段有一台整流机组正常供电而不至于全部停电；二是考虑车辆段全所解列情况下，进一步优化正线支援供电方式倒切程序，缩短正线支援车辆段供电的倒切时间，尽量减少对行车的影响。
3 车辆段牵引供电系统优化方案
3.1优化正线支援供电方式倒切程序
西安地铁正线牵引供电系统均采用双边供电方式，当一座牵引变电所故障解列后，可直接过渡到单边供电或大双边供电方式。而车辆段牵引供电系统通常情况下为单边供电方式，由车辆段牵引变电所提供单独电源，一旦车辆段牵引所故障解列后，只能通过正线末端牵引所向车辆段越区支援供电。
3.2优化前的供电倒切程序
车辆段牵引变电所全所解列时，通过闭合正线与车辆段的联络隔离开关实现越区供电。由于联络隔离开关与车辆段直流馈线开关、正线末端牵引所向车辆段方向的直流馈线开关之间存在闭锁关系，即在闭合联络隔离开关之前，需先将车辆段和正线末端牵引所向车辆段方向的直流馈线开关断开。如此一来，不但增加了开关倒切操作的步骤，还将对正线正常供电产生影响，加长了车辆段牵引所解列后的正线支援供电倒切时间。
3.3优化后的供电倒切程序
车辆段牵引变电所全所解列需通过正线越区支援供电时，要求车辆段所有1500V直流负荷全部处于退出状态，可在未断开车辆段直流馈线开关、正线末端牵引所向车辆段方向的直流馈线开关的情况下，直接闭合正线与车辆段之间的越区联络隔离开关，实现正线向车
辆段的支援供电。
3.4优化效果
通过各方技术论证及西安地铁运营实际情况验证，在保证安全的前提下，取消上述闭锁关系可有效简化正线支援车辆段供电倒切的操作步骤，大大缩短车辆段牵引供电系统的停电时间，减少对运营行车的影响。
4 结束语
直流牵引供电系统关系着城市的轨道交通能否顺利安全运行，关系着城市居民的出行方便，因此，对供电系统进行研究和优化是十分重要的。
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论文作者:任韬
论文发表刊物:《基层建设》2017年第23期
论文发表时间:2017/11/23
标签：供电系统论文; 车辆论文; 电压论文; 故障论文; 整流器论文; 越区论文; 机组论文; 《基层建设》2017年第23期论文;