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高速鐵路智能牽引供電系統(tǒng)的快速自愈重構(gòu)技術(shù)研究

2020-04-26 06:05:58劉長利
鐵道標準設(shè)計 2020年4期
關(guān)鍵詞:接觸網(wǎng)動車組分段

劉長利

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司,西安 710043)

智能牽引供電系統(tǒng)由牽引供電設(shè)施、供電調(diào)度系統(tǒng)、供電運行檢修管理系統(tǒng)及通信網(wǎng)絡等組成,實現(xiàn)智能故障診斷、預警、自愈重構(gòu)等功能[1]。在智能牽引供電系統(tǒng)中,提升自愈重構(gòu)能力是一項重要目標,目前國內(nèi)學者主要集中于智能牽引變電所的研究上,開展了牽引變電所備自投和以供電臂為單元的自愈重構(gòu)研究[2-7],故障時如何盡量縮小停電范圍和快速恢復供電,需開展深化研究工作。接觸網(wǎng)開關(guān)是SCADA遠動系統(tǒng)測控數(shù)量較多的高壓設(shè)備,是故障排查及切除、自愈重構(gòu)的接觸網(wǎng)關(guān)鍵設(shè)備,目前高鐵接觸網(wǎng)開關(guān)存在雷電故障及拒動、誤動、開關(guān)位置誤顯示等遠動控制問題,國內(nèi)學者對接觸網(wǎng)開關(guān)的研究主要集中在故障分析及解決措施等方面[8-13],缺少接觸網(wǎng)開關(guān)服役狀態(tài)方面的研究。本文分析了目前牽引供電系統(tǒng)的自愈重構(gòu)技術(shù)特點,結(jié)合接觸網(wǎng)電分段功能,提出了以接觸網(wǎng)供電分段為單元的自愈重構(gòu)模式,找出應急工作中的薄弱環(huán)節(jié),對高鐵接觸網(wǎng)開關(guān)的適應性進行分析,提出快速自愈重構(gòu)技術(shù)需重點解決的問題和建議。研究成果為智能牽引供電發(fā)展和提高接觸網(wǎng)性能提供借鑒。

1 智能牽引供電系統(tǒng)的自愈重構(gòu)模式

與智能電網(wǎng)技術(shù)相比,智能牽引供電系統(tǒng)的自愈重構(gòu)應根據(jù)自身特性分析,研究針對性的內(nèi)涵及模式。

1.1 牽引供電系統(tǒng)的自愈重構(gòu)內(nèi)涵

牽引供電系統(tǒng)的自愈重構(gòu)分自愈控制和故障重構(gòu)兩項內(nèi)容。自愈控制以不間斷供電為原則,自愈控制目標是:預防和避免故障發(fā)生,如果發(fā)生故障以盡快恢復正常供電能力為控制底線,發(fā)生故障后不能恢復正常供電將采用故障重構(gòu)模式。故障重構(gòu)是指通過改變供電運行方式,隔離故障,縮小停電范圍,迅速恢復對非故障區(qū)域的供電。自愈控制與故障重構(gòu)劃分如圖1所示。

圖1 自愈控制與故障重構(gòu)劃分

高鐵智能牽引供電系統(tǒng)的自愈重構(gòu)分為自愈控制、供電臂單元重構(gòu)及供電分段單元重構(gòu)等3種模式。在牽引供電系統(tǒng)中含有大量的斷路器和開關(guān)設(shè)備,自愈重構(gòu)就是通過改變這些斷路器或開關(guān)的分、合閘狀態(tài),從而切換設(shè)備、改變供電網(wǎng)絡運行方式。自愈重構(gòu)的具體操作將是一系列斷路器或開關(guān)的動作組合。

1.2 牽引供電系統(tǒng)的自愈控制模式

目前我國高鐵的牽引變電所、分區(qū)所及AT所的變電設(shè)備均具有自愈能力。主要變電設(shè)備均采用固定備用或互為備用的運行方式,可采取定期檢修的模式預防故障,并且智能化水平較高,就地保護測控系統(tǒng)較完善,發(fā)生故障時可快速切換。因此,變電設(shè)備應采用自愈控制模式,當所內(nèi)發(fā)生單點故障或小范圍故障時,應快速診斷、隔離故障并恢復至正常供電狀態(tài),避免對動車組運行產(chǎn)生影響。當變電設(shè)備發(fā)生嚴重故障導致整所或整個供電臂退出運行時,無法實現(xiàn)自愈,需要采用故障重構(gòu)模式。

在牽引供電系統(tǒng)中,接觸網(wǎng)是高鐵沿線架空設(shè)置的供電設(shè)施,為動車組供電。接觸網(wǎng)無備用運行,因此不具備自愈能力,接觸網(wǎng)故障時采用故障重構(gòu)模式。

1.3 以供電臂為單元的故障重構(gòu)模式

在智能供電調(diào)度系統(tǒng)中,利用SCADA遠動系統(tǒng)實現(xiàn)倒閘操作的自動化和程控化,當牽引網(wǎng)發(fā)生故障時進行快速診斷、定位、隔離及改變供電方式,實現(xiàn)故障重構(gòu),快速恢復牽引網(wǎng)供電。由于廣域測控保護系統(tǒng)以供電臂為單元進行,因此目前牽引網(wǎng)故障重構(gòu)一般是以供電臂為單元進行。我國高鐵普遍采用全并聯(lián)AT供電方式,典型的高鐵沿線供電臂單元、供電分段單元及接觸網(wǎng)開關(guān)布置如圖2所示。

圖2 典型高鐵沿線供電臂單元、供電分段單元及接觸網(wǎng)開關(guān)布置

以供電臂為單元進行故障重構(gòu),是在某一個供電臂內(nèi)變電設(shè)備(主要是27.5 kV斷路器)、饋線(供電線、正饋線)及接觸網(wǎng)發(fā)生故障時采取降級供電方式的故障重構(gòu)模式,可采取的降級供電方式如下。

(1)AT供電上下行分開供電方式、AT供電V停供電方式、AT供電越區(qū)供電方式。

(2)直接供電全并聯(lián)供電方式、直接供電上下行分開供電方式、直接供電V停供電方式、直接供電越區(qū)供電方式。

從行車組織方面判斷一個供電臂單元內(nèi)動車組緊密運行數(shù)量,可以采取如下方法:采用區(qū)間通過和有車站經(jīng)停兩個模型,按正常運行和限速運行分出各等級速度,以及相應的列車最小追蹤間隔時間,計算出動車組最小追蹤距離,進而判斷供電臂單元內(nèi)動車組最大運行數(shù)量。區(qū)間列車最小追蹤距離的計算公式為

ΔS=v×Δt追

式中,v為列車運行速度,Δt追為列車最小追蹤間隔時間。正常運行和限速運行的各等級速度值采用《鐵路技術(shù)管理規(guī)程》規(guī)定,但不考慮接觸網(wǎng)和信號等設(shè)備故障情況;列車最小追蹤間隔時間采用高鐵設(shè)計規(guī)范及相關(guān)文獻研究成果[14-16]。列車運行速度及最小追蹤間隔時間如表1所示。

表1 列車運行速度及最小追蹤間隔時間

經(jīng)計算,高鐵區(qū)間動車組最小追蹤距離如圖3所示??梢钥闯?,高鐵區(qū)間動車組正常通行時最小間距保持在10 km以上,當供電臂內(nèi)有車站時,考慮到前、后動車組進站經(jīng)停的最小間隔時間限制,兩列動車組間距可達到20~30 km。另外,在高鐵限速運行時,動車組間距在8~10 km,特殊情況時最小間距為3.75 km。

圖3 高鐵區(qū)間動車組最小追蹤距離

我國高鐵牽引供電系統(tǒng)的供電臂長度為25 km左右,從動車組緊密運行的因素考量,正常情況下單個供電臂可為2列動車組供電,限速情況下最多可為6列動車組供電。供電臂故障停電時,供電臂單元重構(gòu)模式的應急操作流程如圖4所示。

圖4 供電臂單元重構(gòu)模式的應急操作流程

可以看出,供電臂單元重構(gòu)模式的操作比較簡單,調(diào)度端易于遠動程控化操作,但當故障供電臂及相鄰供電臂內(nèi)有多列動車組運行時,停電影響較大。該模式的操作權(quán)歸供電調(diào)度中心,由調(diào)度端根據(jù)廣域保護測控信息通過遠動系統(tǒng)進行程控化操作。

1.4 以供電分段為單元的故障重構(gòu)模式

目前高鐵接觸網(wǎng)故障停電和弓網(wǎng)事故較多,為了盡量減小動車組停車對旅客身心及社會輿情的影響,最大范圍地為沿線滯留動車組供電,應縮小停電范圍,盡快為接觸網(wǎng)故障點所在最小停電單元以外的動車組恢復供電。接觸網(wǎng)的最小停電單元是供電分段,即由絕緣錨段關(guān)節(jié)或分段絕緣器劃分出接觸網(wǎng)電氣獨立的供電區(qū)段,考慮采用以供電分段為單元進行故障重構(gòu)。供電分段單元的劃分原則如下。

(1)縱向單元為車站兩端咽喉區(qū)外、AT所附近及隧道內(nèi)外絕緣錨段關(guān)節(jié)的供電分段。

(2)橫向單元為樞紐或大型客站的供電分束。

(3)以車站兩端咽喉區(qū)八字渡線內(nèi)絕緣錨段關(guān)節(jié)為基礎(chǔ),劃分接觸網(wǎng)V停供電單元。

供電分段單元重構(gòu)模式具有較高的供電靈活性。在圖2中AT所附近的G10/G11至兩側(cè)電分相處G3/G4或G16/G17之間形成最基本的供電分段單元S或S′,長度可達10~15 km,正常情況下可為1列動車組供電,限速情況下最多可為4列動車組供電??紤]到高鐵沿線的車站或特長隧道情況,供電臂L上行可劃分出6個電分段單元,一般情況下接觸網(wǎng)故障僅涉及其中1個最小停電單元,當絕緣錨段關(guān)節(jié)、分段絕緣器、電分相處發(fā)生接觸網(wǎng)故障或弓網(wǎng)事故時可能涉及2個最小停電單元,但該供電臂內(nèi)仍有4個供電分段單元可為動車組供電,便于供電調(diào)度與行車調(diào)度雙方配合進行靈活處置。供電分段單元重構(gòu)模式的應急操作流程如圖5所示。

圖5 供電分段單元重構(gòu)模式的應急操作流程

可以看出,當自動重合閘和試送電失敗時供電調(diào)度端需要進行故障排查及分段試送電,找出故障點所在最小停電單元,隔離故障點,盡快恢復供電。當接觸網(wǎng)故障停電且供電臂內(nèi)有多列動車組運行時,能否盡快隔離故障點和恢復供電,取決于故障標定能力、調(diào)度端程控化水平及倒閘作業(yè)效率。

2 高鐵牽引供電系統(tǒng)自愈重構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)

高鐵牽引供電系統(tǒng)自愈重構(gòu)屬于應急工作,由供電調(diào)度端的SCADA遠動系統(tǒng)、牽引供電設(shè)施的廣域保護測控系統(tǒng)及斷路器、開關(guān)設(shè)備等配合完成。高鐵智能牽引供電系統(tǒng)自愈重構(gòu)的執(zhí)行體系如圖6所示。

圖6 高鐵智能牽引供電系統(tǒng)自愈重構(gòu)的執(zhí)行體系

供電分段單元重構(gòu)模式主要依靠接觸網(wǎng)開關(guān)的倒閘操作來實現(xiàn)。目前我國高鐵接觸網(wǎng)普遍采用隔離開關(guān),在早期高鐵項目的電分相中性段、上下行并聯(lián)處采用了負荷開關(guān)。近幾年根據(jù)高鐵接觸網(wǎng)運行經(jīng)驗,由于負荷開關(guān)的開斷能力和電氣壽命無法滿足要求,因此接觸網(wǎng)不再采用負荷開關(guān),在鐵路設(shè)計規(guī)范中統(tǒng)一規(guī)定采用電動隔離開關(guān)。接觸網(wǎng)開關(guān)分單極和雙極兩種形式,按工作狀態(tài)分常閉和常開兩種狀態(tài)。接觸網(wǎng)開關(guān)采用電動操作,經(jīng)遠動系統(tǒng)納入供電調(diào)度管理。

與普速鐵路相比,目前高鐵接觸網(wǎng)開關(guān)的功能和用途已發(fā)生變化。高鐵接觸網(wǎng)檢修采用垂直天窗模式,操作牽引變電所饋線斷路器以供電臂為單元停電,夜間檢修時可不動用隔離開關(guān),無需現(xiàn)場人工查看隔離開關(guān)斷口以確認接觸網(wǎng)帶電狀態(tài)。隨著智能牽引供電系統(tǒng)的發(fā)展,接觸網(wǎng)開關(guān)將主要用于故障重構(gòu)。根據(jù)我國現(xiàn)行鐵道行業(yè)標準[17-19],目前高鐵普遍采用的戶外27.5 kV等級的隔離開關(guān)、負荷開關(guān)及真空斷路器,其技術(shù)參數(shù)對比如表2所示。

表2中括弧內(nèi)數(shù)據(jù)為行業(yè)標準未作規(guī)定而采用高鐵常見設(shè)備的技術(shù)參數(shù)。隔離開關(guān)電動操作時間在4 s左右,與斷路器的毫秒級操作時間相比差距較大。由于隔離開關(guān)沒有熄弧裝置,不能帶負荷操作,需要與牽引變電所饋線斷路器進行配合操作,不能實現(xiàn)速斷速合。因此,在高鐵牽引供電系統(tǒng)自愈重構(gòu)的執(zhí)行體系中,接觸網(wǎng)開關(guān)是應急工作的薄弱環(huán)節(jié)。

表2 隔離開關(guān)、負荷開關(guān)及真空斷路器技術(shù)參數(shù)

3 現(xiàn)有高鐵接觸網(wǎng)開關(guān)的適應性

從接觸網(wǎng)開關(guān)設(shè)計上看,電分相中性段處接觸網(wǎng)開關(guān)用于動車組救援或特殊情況下越區(qū)供電,由于隔離開關(guān)不能帶負荷操作,導致電分相兩側(cè)供電臂均需要參與倒閘操作;牽引變電所出口上下行聯(lián)絡開關(guān)用于饋線斷路器故障切換時一拖二并聯(lián)供電,隔離開關(guān)操作導致上下行供電臂均需臨時停電。因此,接觸網(wǎng)開關(guān)操作將涉及多列動車組停車降弓,影響范圍大、停電時間較長,不適應快速自愈重構(gòu)的要求。

從服役狀態(tài)方面看,高鐵沿線露天安裝的隔離開關(guān)受雷電、鳥害影響較大,其柱頂安裝狀態(tài)不利于安全和檢修;隧道內(nèi)隔離開關(guān)的安全防護等級較低,存在防火抗災風險。目前隔離開關(guān)故障率較高,開關(guān)引線脫落導致弓網(wǎng)事故,雷電或接觸網(wǎng)閃絡引起RTU箱、操作機構(gòu)箱燒損的次數(shù)較多。接觸網(wǎng)開關(guān)是SCADA遠動系統(tǒng)中測控數(shù)量較多的設(shè)備,但開關(guān)拒動、誤動及開關(guān)位置誤顯示等遠動控制問題較多,對接觸網(wǎng)故障快速自愈重構(gòu)的可靠性影響較大。

綜上所述,接觸網(wǎng)開關(guān)是牽引供電系統(tǒng)自愈重構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié),在帶負荷操作、倒閘時間、服役狀態(tài)等方面難以適應智能牽引供電系統(tǒng)發(fā)展要求。

4 快速自愈重構(gòu)技術(shù)

在智能鐵路方面,文獻[1]提出凡是有助于提高鐵路運輸效率、提升安全保障能力、優(yōu)化客戶服務質(zhì)量的技術(shù),均可稱之為智能鐵路技術(shù)。文獻[2]提出進一步完善智能設(shè)備、研制智能接觸網(wǎng)的建議。智能牽引供電系統(tǒng)發(fā)展的目標是為動車組提供持續(xù)可靠的供電,構(gòu)建快速自愈重構(gòu)技術(shù),通過提高供電靈活性和快捷性,為動車組運行提供保障。

在高鐵智能牽引供電系統(tǒng)中,接觸網(wǎng)是向動車組供電的“最后一公里”,但接觸網(wǎng)無備用運行且故障率較高,接觸網(wǎng)故障或弓網(wǎng)事故導致動車組降弓、停車一直是鐵路供電領(lǐng)域難以妥善解決的問題,由于供電分段單元重構(gòu)模式具有較高的供電靈活性,按供電分段單元停電對沿線動車組運行影響較小,考慮在供電分段單元重構(gòu)模式的基礎(chǔ)上研究快速自愈重構(gòu)技術(shù),提高動車組運行的供電保障能力??焖僮杂貥?gòu)技術(shù)的核心是采用智能化設(shè)備和智能化管理,由于接觸網(wǎng)開關(guān)是高鐵應急工作的薄弱環(huán)節(jié),應考慮在接觸網(wǎng)開關(guān)和供電調(diào)度管理方面進行技術(shù)升級。

4.1 接觸網(wǎng)開關(guān)的技術(shù)升級

參照智能牽引供電系統(tǒng)發(fā)展的技術(shù)版本管理[20],接觸網(wǎng)開關(guān)的技術(shù)升級可分3個階段進行,其技術(shù)升級路線如圖7所示。

圖7 接觸網(wǎng)開關(guān)的技術(shù)升級路線

提高接觸網(wǎng)開關(guān)性能的關(guān)鍵是采用能帶負荷操作、具有速斷速合能力的真空斷路器,從而提高供電靈活性和快捷性。接觸網(wǎng)開關(guān)的技術(shù)升級內(nèi)容如表3所示。

表3 接觸網(wǎng)開關(guān)的技術(shù)升級內(nèi)容

接觸網(wǎng)開關(guān)采用戶外27.5 kV真空斷路器,需要考慮高鐵沿線建筑限界和動車組運行安全問題,金屬封閉型真空斷路器的本體尺寸較小,比較適合在接觸網(wǎng)H型鋼柱上安裝,且在國外高鐵線路上有類似的應用經(jīng)驗,因此可作為首選。在安裝方式上,隧道外接觸網(wǎng)真空斷路器可采取在H型鋼柱頂安裝以取代現(xiàn)有隔離開關(guān)(圖8(a)),新建線路可采用改進的H型鋼柱側(cè)面安裝方式(圖8(b)、圖8(c))。

圖8 H型鋼柱上接觸網(wǎng)真空斷路器安裝示意

4.2 供電調(diào)度管理的技術(shù)升級

接觸網(wǎng)開關(guān)升級為真空斷路器后,在性能和可靠性方面與變電所戶外27.5 kV真空斷路器一致,并且均為SCADA遠動系統(tǒng)的測控子項,在增加了智能組件后,納入智能設(shè)備統(tǒng)一管理。

在智能化管理方面,主要對供電調(diào)度管理進行技術(shù)升級。當高鐵接觸網(wǎng)故障引起變電所跳閘或發(fā)生弓網(wǎng)事故時,之前供電調(diào)度端一般是倒閘切除故障供電臂單元,故障供電臂內(nèi)動車組全部停電降弓,然后利用接觸網(wǎng)開關(guān)進行故障排查或切除故障所在供電分段單元,為影響范圍外動車組送電。隨著廣域保護測控系統(tǒng)、接觸網(wǎng)6C檢測系統(tǒng)和PHM健康管理的逐步完善,在接觸網(wǎng)開關(guān)升級為真空斷路器后,可按最小停電單元對接觸網(wǎng)故障進行直控操作。

5 結(jié)論

智能牽引供電系統(tǒng)的自愈重構(gòu)屬于高鐵供電應急工作,具有不同于智能電網(wǎng)技術(shù)的內(nèi)涵及模式。通過分析目前牽引供電系統(tǒng)的自愈重構(gòu)技術(shù)特點,提出以接觸網(wǎng)供電分段為單元的自愈重構(gòu)模式,以縮小停電范圍和快速恢復供電為原則,以提高動車組運行保障能力為目標,進行快速自愈重構(gòu)技術(shù)研究,得出以下主要結(jié)論。

(1)供電分段單元重構(gòu)模式具有較高的供電靈活性,是構(gòu)建快速自愈重構(gòu)技術(shù)的基礎(chǔ)。

(2)高鐵牽引供電系統(tǒng)自愈重構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)是接觸網(wǎng)開關(guān),在帶負荷操作、倒閘時間及服役狀態(tài)等方面難以適應智能牽引供電發(fā)展要求。

(3)應考慮在接觸網(wǎng)開關(guān)和供電調(diào)度管理方面進行技術(shù)升級,接觸網(wǎng)開關(guān)分階段升級為戶外27.5 kV真空斷路器,供電調(diào)度端按最小停電單元對接觸網(wǎng)故障進行直控操作。

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