王 林

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉 430063)

引言

牵引变电所直流系统为所内控制、信号、保护、自动装置以及操作机构提供电源，是确保牵引变电所安全可靠运行极为重要的二次系统。目前，采用了双切后两路输入电源供电、分设合闸母线与控制母线、配置2组蓄电池组、充电装置冗余配置、重要控制回路及操作回路采用双回路供电等措施，用于提高系统可靠性。近年来，在铁路行业仍发生过牵引变电所因雷击事故，造成综自系统直流电源失电，引起更大次生灾害的系统性事故的案例。

研究牵引变电所直流系统主接线、架构及馈电网络研究的文献不多，文献[1]针对城轨主变电所及牵引变电所直流系统主接线和控制电压选择进行了论述，其直流系统主接线与铁路牵引变电所差异较大。文献[2]分析了多起直流系统故障引起牵引变电所全所停电的事故，但未从系统架构上进行优化，提出的增大综自小母线电源回路空开措施，还将导致相关回路断路器保护失去选择性。

针对电力系统变电站，从文献[3-10]可以看出，电力系统变电站在所用电源、直系统主接线、继电保护配置及运维习惯方面与铁路变电所有差异，但其集中辐射和分层辐射的直流馈电网络方案、强调保护电器级差配合的问题在牵引变电所的直流系统架构优化中具有借鉴意义。

因此，基于铁路直流系统现状及存在问题，有必要深入剖析直流系统构架现状，从系统层面研究提升直流系统可靠性的措施。

1 直流系统的交流电源

目前，牵引变电所设置2回独立的所用电源，其中至少1回由10 kV电力贯通线引接。所内设置2台所用变压器，通常采用1台工作1台备用的方式，交流屏母联开关闭合，2段母线由同一台所用变压器供电，具体如图1所示。

图1 牵引变电所交流系统主接线典型方案

因此，建议采用2路10 kV所用电源时，2台所用变压器同时供电，交流屏2段母线分列运行，确保直流系统接引独立的双电源，从系统层面提升可靠性，具体如图2所示。

图2 牵引变电所交流系统主接线优化方案

考虑27.5 kV所用电源电能质量欠佳的实际情况，同时保留2路交流所用电源1主1备运行方式，建议选用PC级ATSE双电源切换装置代替传统的交流接触器双电源切换电路，从元件层面提升双电源可靠性。

2 直流系统的主接线

目前，牵引变电所直流系统由所内交流屏提供双回路电源向2套充电装置供电。直流系统设置2段电源母线，1段馈电母线。2组蓄电池及2套充电装置分别接入2段电源母线，1段馈电母线设置专用合闸母线及控制母线，向不同负荷供电。2段电源母线和馈电母线间通过逆止二极管互联，避免2组蓄电池同时向馈电母线供电造成环网短路故障，具体如图3所示。

图3 典型牵引变电所直流系统主接线

牵引变电所的综自系统等设备对直流系统电源电压波动范围要求更严格，因此，馈电母线的合闸母线、控制母线需分开设置，通过设置专用的硅链降压装置解决蓄电池为控制母线供电时电压波动范围过大的问题。

调研了多个供电段直流系统的运行常见缺陷，并对缺陷出现的频度进行了统计，见表1。

表1 供电段直流系统常见缺陷

下面结合常见故障，分析改主接线的必要性。

(1)当直流馈线发生接地故障或交流电源窜入直流电源系统故障时，牵引变电所通过一段馈电母线向全所控制、信号、保护、自动装置供电的主接线方案，即使重要的负荷采用双回路供电，仍将导致直流系统全所停电的风险。

1.1 一般资料 回顾性收集2016年10月至2017年10月重庆市永川区人民医院366例膝关节软骨损伤患者，经关节镜证实，均为单膝损伤，左膝164例，右膝202例，均以关节疼痛入院就诊，其中255例伴有关节绞锁、活动受限。所有患者均行MRI检查，影像资料完整。收集患者临床资料，包括性别、年龄、损伤部位、膝关节基础疾病或损伤等。

(2)DL/T 5044—2014《电力工程直流电源设计技术规程》[11]规定：“正常运行方式下，每组蓄电池的直流网络应独立运行，不应与其他蓄电池组有任何电气连接。”且GB 50054—2011《低压配电设计规范》[12]规定：“半导体开关电器，严禁作为隔离电器”。目前，牵引变电所直流系统采用逆止二极管隔离互联2组蓄电池组的做法有违规之嫌。东莞供电局在±660 kV换流站曾出现过通过二极管的环网供电[13]，引起直流接地告警的故障，其接线型式与目前牵引变电所2组蓄电池隔离互联方案类似，具体见图4。

图4 换流站通过二极管造成蓄电池组环网示意

(3)当牵引变电所直流系统降压硅链故障时，将影响直流控制母线供电，控制母线为所内综自系统提供电源，可能造成牵引变电所全所停电。

由此可见，典型牵引变电所直流系统主接线的可靠性不高，并没有充分发挥配置2组蓄电池作为2套应急电源的优势。用该蓄电池为220 kV主变压器提供双回直流电源时，从严格意义来讲也不满足相关规范对主变保护电源双重化配置的要求，存在综自系统直流电源失电的隐患。

建议牵引变电所配置2套充电装置时，采用2段单母线接线，每组蓄电池及其充电装置应分别接入相应母线，2段直流母线之间应设联络电器，正常运行时，2段直流母线应分别独立运行，具体如图5所示。

图5 优化后牵引变电所直流系统主接线

牵引变电所直流系统主接线优化后具备以下优点。

(1)优化后直流系统2组蓄电池、母线在运行过程中电气上完全独立，可以有效克服单独元件、单一回路故障造成全所直流系统失电的问题。即使所内二次防强电装置局部失效，雷击引起的闪电感应窜入直流系统，也不会造成2组电源系统同时损坏。

(2)优化后牵引变电所直流系统的配置双套微机监控装置，交叉采集监控装置工作状态，可有效解决目前常见的监控装置死机等常见缺陷，避免出现因小装置故障造成系统性停电的问题。采取以上相关措施从系统层面提高了直流系统的可靠性。

(3)建议选用寿命更长的2 V蓄电池[11]组成蓄电池组，克服12 V蓄电池组放电过程电压波动过大问题，由此可取消故障率较高的硅链降压装置[13]，从元件层面提升直流可靠性。

采取相关措施后，解决了直流系统常见缺陷，整治效果见表2。

表2 直流系统常见缺陷整治效果

3 关键直流馈电回路优化

牵引变电所综自系统完成的控制、保护、重合闸、备自投等功能对确保为动车组安全可靠供电意义重大，是直流系统最重要的用电负荷。目前，综自系统屏顶控制小母线采用分组供电方式，综自系统的电源较可靠，具体见图6。

图6 综自系统馈电网络设计

当牵引供电系统出现故障时，从检测故障到切除故障，需要经历保护装置交流采样、计算判断、保护出口、机构跳闸等相关过程，保护装置控制回路电源与操作机构电机电源缺一不可。如何优化组合保护装置及机构电源，对提高系统可靠性至关重要。

基于牵引变电所保护的特点，提出以下直流馈电回路优化方案，具体如图7所示。

图7 综自系统及操作机构馈电网络设计

为提高直流馈电回路可靠性，采取如下优化配置措施。

(1)220 kV变压器配置双套保护，双套保护从电流互感器采样、控制回路、机构跳闸线圈均独立配置，因此，建议其采用双重电源，双套保护分别由不同的蓄电池组双回路供电。

(2)牵引变电所主变低压侧低电压启动过电流保护，通常作为馈线保护的后备保护。因此，建议主变1套保护装置、220 kV断路器1套控制及电机回路、2×27.5 kV进线断路器控制及电机回路由同1组蓄电池供电，主变2套保护装置、馈线保护装置、220 kV断路器2套控制及电机回路、2×27.5 kV馈线断路器控制及电机回路由另外1组蓄电池供电。避免供电电源交叉，确保任一组蓄电池失效均不至于使得变电所内保护全部失效。

(3)综自系统各段屏顶母线由双回路供电后，对各控制回路采用辐射式供电方式。并应避免直流馈电回路引入综自屏时，直流断路器接入屏顶母线，导致直流配电网络层级过多，造成馈电网络直流断路器失去选择性问题。

(4)断路器操作机构可采用分层辐射供电方式或环网供电方式。推荐采用分层辐射供电方式，在户外需设置直流分电柜，分电柜柜顶根据需要设置2条或4条母线(双套保护)，每2段母线由来自同一蓄电池组的2回直流电源供电，在辐射供电至220 kV间隔处的各操作机构。为适应铁路用户习惯，保留环网供电方式时，2回直流电源来自同一蓄电池组，但强调开环运行[14]，馈电直流断路器纳入远动。当主供电源故障后，由电调远程进行电源切换，并通知供电段运维人员前往现场处理故障。避免双电源中断时才检出故障，造成变电所失去保护运行。

采取相关措施后，提高关键直流馈电回路的可靠性，最大程度避免牵引变电所保护完全失效的事故发生。

4 结论

本文从交流电源、主接线、关键直流馈电方案3方面分析了牵引变电所直流系统构架方面的不足，结合运营维护过程中直流系统常见缺陷，针对性地提出对直流系统采取系统级、元件级的优化措施，丰富了所用变压器运行方式，规范了直流系统主接线，可以显著提高牵引变电所直流系统的供电可靠性。提出的基于牵引变电所保护特点的关键直流馈电回路优化方案可最大程度避免保护失效故障。

提出的优化方案已应用于铁路工程项目二次系统设计中，相关措施拟纳入国铁集团企业标准。