轨道交通牵引网电源备用方式研究

轨道交通牵引网电源备用方式研究
肖志强
【摘要】回顾我国轨道交通系统的发展历史,分析牵引变电所电源备用方式,认为结合目前各种轨道交通运输的特点及外部条件等,对于部分运量较小的货运支线、专用线等非繁忙货运铁路及低等级铁路,《铁路技术管理规程》要求过高;牵引变电所两路电源供电不是满足《铁路技术管理规程》要求的唯一途径,为达该目的采用何种方案应由设计者根据具体外部条件,通过建设和运营成本的经济及技术比较确定.【期刊名称】《铁道经济研究》
【年(卷),期】2016(000)006
【总页数】4页(P30-33)
【关键词】铁路;电气化;电源;变压器;备用方式
【作者】肖志强
【作者单位】中国铁路总公司工程设计鉴定中心,北京100844
【正文语种】中文
自1961年我国第一条电气化铁路宝成线宝鸡至凤州段开通运营以来，电气化铁路经历了从山区到平原、从普速到高速的发展历程，无论是数量还是质量，如今都跃居世界前列。

电气化铁路通过牵引供电系统向电力机车提供能量，供电系统的可靠性关系到电气化铁路运输的可靠性，一旦停电，铁路就要陷于瘫痪，导致运输组织混乱，造成一定的国民经济损失。

向电气化铁路供电的牵引供电系统包括牵引变电所外部电源、牵引变电所、牵引网
三部分。

影响牵引供电系统可靠性的因素很多，总体说来主要包括牵引网的可靠性、外部电源可靠性及牵引变电变压器备用方式。

牵引网可靠性国内外学者已经进行了大量的研究[1,2,3]，本文不作重点论述。

本文从我国轨道交通系统（“轨道交通”指采用单相工频25 kV供电制的电气化铁路及采用直流供电制的城市轨道交通铁路，不含矿山铁路等）牵引变电所外部电源和牵引变压器的备用方式的发展历程进行分析，对轨道交通牵引网电源备用方式进行研究。

就对供电可靠性的要求而言，可将地铁牵引变电所外部电源和牵引变压器的备用方式的要求等价于高速铁路。

目前设计中所执行的规定主要有：高速及普速《铁路技术管理规程》（以下简称〈技规〉）[4,5]均规定“牵引供电设备应保证不间断行
车可靠供电”，“牵引变电所须具备双电源、双回路受电。

牵引变压器采用固定备用方式并具备自动投切功能。

当一个牵引变电所停电时，相邻的牵引变电所能越区供电”；高速铁路设计规范[6]规定“电力牵引应为一级负荷，牵引变电所应有两
回独立进线，并互为热备用”；普速铁路设计规范[7]规定“电力牵引应为一级负荷，牵引变电所应有两路电源供电，当任一路故障时，另一路仍应正常供电”；地铁设计规范[8]规定“牵引用电负荷应为一级负荷”，“一级负荷必须采用双电源
双回线路供电”。

地铁主变电所采用双回电源，中压网络采用双环网，划分为若干供电分区同时为数座牵引变电所（降压所）提供两回电源，对相邻牵引变电所（降压所）而言，两路电源环进环出、互相关联，非真正意义上的两路独立电源。

另外，牵引变电所采用分段接线，设置两套等容的整流机组，由同一段母线供电，并联运行，当其中一套整流机组退出运行时，该牵引变电所全部整流机组退出运行，由邻所提供该所供电范围牵引网的电源。

可见，根据可靠性要求可知，牵引变电所须具备双电源、双回路受电。

牵引变压器采用固定备用方式不是满足供电可靠性要求的唯一途径。

作为《技规》及设计规范不应把其他全部路径堵死；为达到供电可靠性的目的采用何种方案应由设计者根据具体外部条件，通过建设和运营成本的经济技
术比较确定。

接触网失电是间断电气化铁路运输的原因之一[9]。

外部电源、供变电设备、接触
网系统的正常维修及意外故障均可引起停电。

一般情况下，外部电源、供变电设备需停电正常维修的时间不超过16 h/年，意外故障亦不多见。

由于牵引网沿铁路线路露天（路桥区段）架设、结构复杂、工作条件差、环境恶劣且无备用，其故障率最高，影响供电可靠性的因素较多且复杂[1]。

在接触网零部件、线材和施工技术
水平已经确定且扣除意外灾害的情况下，其供电可靠性主要取决于后期的运营维护：正常维修时间普速铁路一般为2 h/天，客运专线一般为4~6 h/天。

因接触网系统意外故障造成停电的概率也远远高于外部电源、供变电设备的停电概率。

可见影响电气化铁路运行的，绝大部分是接触网故障，因外部电源及牵引变压器故障而停电的情况不多。

按牵引变电所在一路电源或一套电源设备（指变压器或整流机组等）退出运行时，备用电源或设备投入运行后的供电能力进行划分，供电能力降低，只能满足部分运输组织供电需要的称为电源部分备用方式；供电能力全部满足正常运输组织供电需要的称为电源完全备用方式。

2.1 电源部分备用方式
是指牵引变电所接引一路外部电源、所内设置一套变电设备供电。

当外部电源停电或变压器不能运行时，供电能力降低至不满足正常运输组织的供电需要、甚至停车。

2.2 电源完全备用方式
是指一路外部电源停电或一套变电设备不能运行时，由备用电源或备用变电设备供电，保证正常运输组织的供电需要。

按安装位置，可分为本所同地备用和邻所异地备用两种。

2.2.1 本所同地备用
牵引变电所接引两路独立的外部电源，设置两套独立的变电设备供电；当任何一路
电源停电或一套变电设备不能运行时，设置在本所的备用设施投入运行。

变压器备用方式又有固定和移动备用两种方式。

在我国采用单相工频25 kV供电制的交流电气化铁路中，除早期开通的宝成、阳安和襄渝等线曾经采用过移动变压器备用方式外，目前运行的干线电气化铁路已全部采用本所同地、变压器固定备用方式。

2.2.2 邻所异地备用
当牵引变电所的电源或变电设备不能供电时，由邻所实行越区供电，越区供电能力满足正常运输组织的供电需要。

我国采用直流供电制的城市轨道交通系统中均采用该方式。

3.1 牵引变电所电源备用方式的历史回顾
我国电气化铁路经历了从山区到平原的发展历程。

山区铁路的牵引变电所所址选择困难、场坪处理投资大、交通不便，由此引起管理困难，值班员生活艰苦，故在建设时考虑尽量减少牵引变电所的数量，尽量降低工程投资和运行成本。

3.1.1 电源完全备用方式
我国早期建设的交流电气化铁路均为客货混跑线路，故国铁II级及以上的设计规范规定“铁路电力牵引供电系统为一级负荷，牵引变电所应有两路电源供电，当任一路故障时，另一路仍应正常供电”。

鉴于我国早期建设的交流电气化铁路及城市轨道交通铁路均有旅客列车的运行，采用电源完全备用方式是合理的。

3.1.2 牵引变压器移动备用方式
牵引变压器移动备用是指牵引变电所内设置两台牵引变压器并联运行时，容量满足正常运输组织的需要。

在供电段内集中设置两台移动变压器安放于平板车上，设有专用的铁路岔线。

备用变压器必须满足与任何一台运行变压器并联运行三条件，即接线类型相同、变比相同、容量相近。

早期建设的宝成、阳安和襄渝等线均为山区铁路，变压器运输困难，采取了“化整为零”的方式。

且部分牵引变电所不具备公路引入条件，设备运输必须使用专用岔
线，这也为移动备用创造了条件。

曾经采用移动备用变压器方式的铁路，在相应的扩能改造时已逐步改为固定备用。

变压器发生故障时，移动变压器车的接入往往需要数小时，影响铁路运输；此外，设置的专用岔线不仅造成牵引变电所场址选择困难，还引起场地面积和土方量的增加，由此造成的损失及增加的投资常远大于增加变压器的投资。

目前普速铁路设计规范[7]规定：牵引变电所应设两台（组）牵引变压器，一台（组）运行，另一台（组）备用。

每台（组）牵引变压器容量应能承担全所最大负荷。

目前运行的电气化铁路牵引供电系统中，牵引变压器移动备用方式已被淘汰。

3.2 牵引变电所电源备用方式现状
3.2.1 交流电气化铁路
我国第一条电气化铁路选择本所同地备用方式，并延续至今。

目前我国已经开通7万km电气化铁路，均采用牵引变电所电源完全备用方式。

3.2.2 直流城市轨道交通铁路
城市轨道交通系统的牵引变电所也是接引两路电源，设置两套等容的整流机组供电。

硬件的设置与本所同地备用方式相似，其运行方式不同：两套机组并联运行，当其中一套机组退出运行时，该牵引变电所退出运行，由邻所实行越区供电，其本质属邻所异地备用方式。

原因如下：1）早期开通的城市轨道交通系统牵引变电所大部分设置在地下，整流机组体积过大，地下搬运困难或增加土石开挖工作量，采取了降低单台机组容量的方式减小机组的外形尺寸。

2）两套机组并联较单套机组运行产生的谐波电流小。

鉴于外部条件变化，《地铁设计规范》[8]增加了“牵引变电
所中一套牵引整流机组退出运行时，另一套牵引整流机组具备运行条件时不应退出运行”；运行条件包括：机组过负荷满足要求，谐波含量满足要求，不影响故障机组的检修。

3.3 小结
在当时的外部环境下，从工程投资和运行成本综合分析牵引变电所电源备用方式均为正确的抉择：早期开通的交流电气化铁路采用本所同地备用方式、个别铁路采用移动变压器备用方式、城市轨道交通铁路采用邻所异地备用方式。

客运列车失电，照明及空调等设备不能正常运行，将大大降低旅客的舒适度。

货物列车失电，导致运输组织混乱，将造成一定的经济损失。

结合各种轨道交通运输的特点及外部条件，现对目前轨道交通牵引网电源备用方式进行分析。

4.1 非繁忙干线货运铁路及低等级铁路可采用部分备用方式
非繁忙干线货运铁路及低等级铁路如果满足：1）无客运列车运行；2）货运量小；3）对干线铁路的运输组织无重大影响，建议采用部分备用。

例如：我国西部某铁矿厂拟修建一条92 km的专用线与干线铁路接轨，距接轨站
约20 km处有一大型钢厂。

铁矿厂开采矿石的日产量约4万t，钢厂的日需求量
约3万t。

牵引质量4 000 t；矿厂日装10车，其中8车运至钢厂，2车运至干线铁路。

线路坡度是重车下坡。

笔者认为该线的供电方案为：采用带回流线的直接供电方式，新建2座牵引变电所，各牵引变电所采用一路电源进线、设置一台变压
器供电。

理由如下：1）无客运列车运行，停运不会造成恶劣的社会影响；2）在
一座牵引变电所停电、另一座牵引变电所越区供电的情况下，系统具备日开行
7~9对列车的供电能力；3）钢厂具有较大的储料场，即使全线停运也不会造成钢厂停产；4）每日只有2车进入干线铁路，且所接入的干线铁路不是一条繁忙干线，不会对所衔接干线铁路的运输组织造成重大影响；5）方案较两路电源进线、设置两台变压器方案的投资约少6 000万元。

4.2 铁路枢纽地区可采用邻所异地备用方式
从电源上保证供电的可靠性很有必要，各牵引变电所均采用两路电源供电不是唯一的措施。

在铁路枢纽地区，邻所异地备用属电源完全备用方式，技术可行，在经济合理的情况下可以采用。

4.2.1 郑州枢纽高速（或城际）铁路供电系统
在京广高速铁路工程中已建成郑州东站，设徐兰、城际、京广三场，并有动车运用所一处；京广、徐兰、郑开等铁路引入。

从郑州东向南在建车站依次有大关庄、郑州南；大关庄站为越行站，郑州南站设郑万、郑合、城际三场，预留建设动车基地条件。

郑州东站设有1座牵引变电所，向徐兰、城际、京广线供电，动车运用所设有开
闭所供电；郑州在建的有大关庄、郑州南牵引变电所。

3座牵引变电所均采用两路220 kV电源供电，2×25 kV开关设备采用六氟化硫气体绝缘开关柜（简称GIS）。

郑州东和郑州南2座牵引变电所完全可以满足正常供电需要，大关庄牵引变电所
是郑州东和郑州南的备用所。

造成一座牵引变电所全所停电的几种可能性如下：1）GIS意外故障；2）一路
220 kV电源正常检修时，另外一路发生故障；3）区域性电网瘫痪（如2008年南方雪灾）；4）遭受雷击等其他不可预见因素。

综上分析，造成一座牵引变电所全所停电的概率很低。

在不降低供电可靠性的前提下，笔者认为：郑州枢纽高速（或城际）铁路供电系统设置郑州东、大关庄和郑州南3座一路电源、一台变压器的牵引变电所即可。

郑
州东和郑州南作为主供变电所，在不考虑2座牵引变电所同时故障的情况下，任
何一座牵引变电所停电，大关庄牵引变电所投入运行，变电所的供电能力可保证正常运输组织的需要。

4.2.2 北京枢纽供电系统
目前规划的北京至唐山、北京至天津滨海新区城际铁路，引入北京枢纽的方案是近期起点在新建的北京城市副中心站，远期预留引入北京站条件。

北京站至北京城市副中心站的线路长度约20 km，动车运用所位于唐山方向距北京城市副中心站约
20 km。

因北京站至北京城市副中心站间改造或新建牵引变电所都比较困难，在北
京城市副中心站附近新建一座牵引变电所是必要的；动车运用所也需要至少一路独立电源供电，而附近的牵引供电设施不具备此条件，新建动车运用所牵引变电所也是必要的；2座牵引变电所间距20 km，其中一座全所停电，相邻的牵引变电所越区供电，完全可以满足该区段正常运输组织的需要。

这2座牵引变电所采用一路电源供电、设置一台牵引变压器是经济合理的。

通过牵引变电所电源备用方式的历史回顾，结合各站轨道交通运输的特点及外部条件的不同，对目前轨道交通牵引网电源备用方式提出如下建议。

1）非繁忙干线货运铁路及低等级铁路满足如下条件，建议采用部分备用。

（1）无客运列车运行；（2）货运量低于国铁Ⅱ级铁路的货运量；（3）解除故障运行方式后，具有快速疏散积压列车的能力，同时对所衔接干线铁路的运输组织无重大影响。

2）繁忙干线及客运专线尽可能向接触网不间断供电、且供电能力应保证正常运输组织的需要是有必要的；为达同一目的，实现途径可能有多种。

在铁路枢纽地区引入电源困难的情况下，根据技术经济比选，可采用邻所异地备用方式。

3）《技规》和设计规范均要求牵引变电所须具备双电源、双回路受电，牵引变压器采用固定备用方式并具备自动投切功能。

无论采用部分备用，还是采用邻所异地备用方式，与现行的规定均不相符。

建议对相关规程规范进行修改，为牵引电源的备用方式开辟一条新的路径。

【相关文献】
[1]张卫东,贺威俊.电力牵引接触网系统可靠性模型研究[J].铁道学报,1993,15(1):31-38
[2]万毅,邓斌,李慧杰,等.基于FTA的接触网系统可靠性研究[J].铁道工程学报,2005(6):56-59
[3]万毅.基于RBFNN的接触网系统可靠性设计方法的研究[D].成都:西南交通大学,2006:86-93
[4]中国铁路总公司.铁路技术管理规程（普速铁路部分）[M].北京：中国铁道出版社，2014
[5]中国铁路总公司.铁路技术管理规程（高速铁路部分）[M].北京：中国铁道出版社，2014
[6]国家铁路局.TB 10621—2014高速铁路设计规范[S].北京：中国铁道出版社，2014
[7]国家铁路局.TB 10009—2016铁路电力牵引供电设计规范[S]
[8]建设部.GB 50157—2003地铁设计规范[S].北京：中国计划出版社，2003
[9]中国铁路总公司.供电工作会议资料汇编[G]。