城市轨道交通中压双环网运行方式和联锁、联跳关系研究

摘要：阐述城市轨道交通的正常、故障和应急运行方式以及进线开关、母线分段开关；进线开关、联络开关；进线开关、环网馈线开关的联锁关系。

关键词：供电分区、分界点开关、联络开关、分界点、备自投装置

1．中压供电网络系统概述 中压供电网络是城市轨道交通供电系统的重要组成内容，由中压电缆构成，将主变电所或电源开闭所和牵引、降压变电所联系起来，用于输送和分配电能，在供电系统起着桥梁和纽带的作用。中压供电网络的设计涉及到外部电源方案、主变电所或电源开闭所的位置与数量、牵引、降压变电所的数量与主接线、 中压供电网络系统运行方式和变电所开关的联锁关系。 中压供电网络系统有两种属性，其一为电压等级，其二为构成形式。 我国中压电压等级基本为三种，即66kV、35kV和10kV，不同电压等级构成的中压供电网络均存在多种形式，如开式结线和闭式结线等。对于城市轨道交通两种中压等级在供电网络中同时存在时，又可形成牵引供电网络和动力照明供电网络，如上海地铁一号线工程。供电网络中为一种电压等级时，一般为牵引动力照明混合供电网络，如北京地铁工程。 2．双环网供电网络 环网供电方式属于闭式结线，可分为开环和闭环方式。由于闭环方式继电保护整定困难，因此环网供电方式基本为开环方式运行。在开环方式中，又可分为“单线单环”、“双线单环”和“双线双环”的形式。城市轨道交通中“双线双环”即双环网的一种接线形式见图1。 图中K1～K4为电源开闭所供电分区间分界点开关，在运行方式分析中也称为联络开关。

双环网相对于开式结线的放射式供电能使供电线路简化、减少线路走廊、运行方式灵活，但联锁关系和继电保护整定复杂。 3．轨道交通双环网的运行方式 由于供电系统在轨道交通运行中的重要性，中压供电网络的设计需要满足故障自救功能和防止误操作的功能等要求。采用双环网接线，在故障运行方式下通过改变分界点开关的状态，保障故障区段供电的连续性。在应急运行方式时，通过调整分界点开关的位置，可改变主变电所或电源开闭所供电区的划分，可满足轨道交通继续运行的要求。双环网接线可灵活实现各种运行方式的转换。 通过设置各种联锁关系，可防止各种运行方式下的误操作，使系统安全可靠运行。 3．1变电所主接线形式 城市轨道交通一般有以下几种变电所类型：主变电所或电源开闭所、牵引变电所或牵引降压混合变电所、降压变电所或跟随式降压变电所等。在下文中以电源开闭所、牵引变电所、降压变电所为分析对象。 各变电所主接线形式如下： 电源开闭所为单母线分段接线形式，设母线分段开关，母线分段开关设有备用电源自动投入装置，具有“失压自投、过流闭锁”功能。 牵引变电所为单母线分段接线形式，设母线分段开关，母线分段开关设有“失压自投、过流闭锁”功能。也可不设母线分段开关，下文将分别讨论。牵引变压器集中设于一段母线上。 降压变电所为单母线分段接线方式，不设母线分段开关。配电变压器分别设于两段母线上。 变电所各进线开关、馈线开关、联络开关、母线分段开关均采用断路器。变电所低压配电系统均为单母线分段接线，设母线分段开关，并具有“失压自投、过流闭锁”功能，此功能可采用PLC装置实现。 3．2中压系统备用电源自动投入装置的工作原理 中压系统保护采用微机保护装置，母线PT、线路PT或配电变压器二次侧的电压信号均引入备自投装置，共同作为判别电源线路是否有电的条件，当两路引入线电源发生任一单电源故障，变电所进线线路失压，经备自投装置判别，确定非过流、零序等故障状态后，由备自投装置对进线开关和母线分段开关实施“失压自投、过流闭锁”的控制过程，由另一路中压电源供给变电所全部一、二级负荷。由正常运行方式转为故障运行方式。 当单电源故障发生在开闭所时，通过对开闭所和下级变电所的母线分段开关自投时间的适当整定，保证只有开闭所的分段开关将进行“失压自投、过流闭锁”的控制过程，由另一路中压电源供给供电区内全部负荷。 备自投装置的状态可分为启动状态、投入状态和退出（闭锁）状态。当两个电源电压正常，且进线开关均处于合闸状态时，备自投装置处于启动状态。当具备备自投装置投入条件时，备自投装置进入投入状态，完成开关的转换过程后，备自投装置为退出状态。当进线开关非失压跳闸，如故障跳闸或手动操作分闸，装置被闭锁，处于退出状态。 3．3运行方式分类 轨道交通中压供电网络的运行方式分为三种：正常运行方式、故障运行方式和应急运行方式。 正常运行方式是系统在正常电源条件、线路条件和设备条件下的运行方式。 故障运行方式是上述三个条件中任一个出现一个故障情况下的运行方式，如一个电源故障或一条线路故障或一台设备故障。 应急运行方式是上述三个条件中任一个出现两个故障情况下的运行。 3．4运行方式分析 3．4．1正常运行方式（见图1） 电源开闭所由城市电网引入两路中压电源，并供给开闭所供电范围内的车站变电所。正常运行时两个电源同时供电，分列运行，开闭所两个进线开关为合闸状态，母线分段开关为分闸状态，备自投装置处于启动状态。 2＃和4＃变电所的联络开关K1～K4为分闸状态。1＃开闭所除承担本身负荷外，还提供1＃、2＃变电所负荷。2＃开闭所除承担本身负荷外，还提供3＃、4＃变电所负荷。 3．4．2故障运行方式：（见图1）分析电源（电缆）的故障情况，开关设备的故障本文中不做讨论。 （1）开闭所单电源故障运行方式 当开闭所引入的一路电源或电缆故障，造成开闭所一路进线电源失压，经备自投装置判别，确定非过流、零序等故障状态后，由备自投装置对进线开关和母线分段开关实施“失压自投、过流闭锁”的控制过程，由另一路电源供给开闭所的全部一、二级负荷。此时开闭所电源失压的进线开关为分闸状态、另一路进线开关和母线分段开关为合闸状态，备自投为退出状态。开闭所供电分区内各变电所的开关状态没有变化，即进线开关为合闸状态，母线分段开关为分闸状态，联络开关为分闸状态。 （2）降压变电所单电源故障运行方式 当降压变电所如1＃变电所引入的一路电源或电缆故障，1＃开闭所相应馈出线开关为分闸，造成1＃变电所一路进线电源失压。由于降压变电所中压系统没有设置母线分段开关，也没有备自投装置，而低压配电系统设有母线分段开关。低压进线开关和母线分段开关具有“失压自投、过流闭锁”功能，此时中压系统开关状态不变，电力调度遥控使失压进线开关分闸，将故障段切除。低压配电系统电源失压的进线开关为分闸状态、另一路进线开关和母线分段开关为合闸状态，一路中压电源和一台配电变压器提供降压变电所的全部一、二级负荷。 （3）牵引变电所单电源故障运行方式 当牵引变电所如2＃变电所引入的一路电源或电缆故障，1＃开闭所相应馈出线开关为分闸，造成2＃变电所一路进线电源失压。 当牵引变电所设有母线分段开关和备自投装置时，经备自投装置判别，确定非过流、零序等故障状态后，由备自投装置对进线开关和母线分段开关实施“失压自投、过流闭锁”的控制过程，由另一路电源供给牵引变电所的全部一、二级负荷。此时电源失压的进线开关为分闸状态、另一路进线开关和母线分段开关为合闸状态，备自投为退出状态。 当牵引变电所不设母线分段开关和备自投装置时，若失压母线为I段，则低压配电系统实施“失压自投、过流闭锁”的控制过程，电源失压的低压进线开关为分闸状态、另一路进线开关和母线分段开关为合闸状态。一路中压电源承担牵引变电所牵引负荷和动力照明一、二级负荷。 若失压母线为II段，连接在该段母线上的两台牵引变压器和一台配电变压器将失电。当确认非过流、零序等故障状态后，可进行倒闸操作，恢复对失压母线的供电。由于倒闸操作过程的时间级为“分钟”级，而低压配电系统实施“失压自投、过流闭锁”的控制过程为“秒”级，因此在倒闸操作过程中低压配电系统已恢复对动力照明一、二级负荷的供电；牵引供电系统通过本牵引变电所直流母线使相邻两个牵引变电所构成大双边供电。 变电所为无人值守时，电力调度远方倒闸操作分为停电操作过程和送电操作过程。手动操作两台牵引变压器中压开关分别分闸；操作配电变压器中压开关分闸；然后操作II段母线进线开关分闸并确认，此时停电操作过程结束。进行送电操作过程，操作联络开关K2合闸并确认，分别操作各变压器中压开关合闸。 此时II段母线进线开关断开，K2联络开关闭合；I段进线开关闭合，K1联络开关断开。再次明确此时没有设置母线分段开关和备自投装置，不存在误操作母线分段开关造成电源合环问题。 3．4．3应急运行方式（见图2） （1）开闭所双电源故障应急运行方式 城市电网提供开闭所的两路电源中一路电源或线路故障后，另一路再次发生故障时，两路电源均失压。经“秒”级延时后，备自投装置向母线分段开关和电源失压的进线开关分别发出跳闸命令。开关分闸后，备自投装置处于退出状态。 北京城市铁路工程参考各方面的意见，采用的是第二路电源也失电时，开关的状态维持一路电源失压后的情况，即一路电源的进线开关为分闸，另一路的进线开关和母线分段开关为合闸。方便之处在于外电源波动造成失压的快速恢复供电。鉴于轨道交通工程供电为自成系统，系统本身具有故障自救功能，外电源故障对系统的影响可通过系统本身的自动或手动操作恢复系统故障区段的供电，此时应断开与外部电源的联系。因此在开闭所双电源或双线路故障时，进线开关和母线分段开关均分闸。 若正常运行时，发生双电源同时故障造成进线失压，经“秒”级延时后，备自投装置向两台进线开关同时发出跳闸命令，不向母线分段开关发命令，母线分段开关仍保持正常分闸位置。 经上述分析可知，开闭所双电源故障无论同时发生，还是不同时发生，开闭所的进线开关、母线分段开关均处于断开位置，且母线分段开关的合闸回路被进线开关闭锁，备自投装置为退出状态。开闭所承担的供电分区全部失电。 根据《地铁设计规范》的要求，地铁用电设备负荷等级为一级，两个电源供电即满足供电要求，由于城市轨道交通已成为老百姓上班、出行的重要交通工具，是解决城市道路交通拥堵的重要手段。城市轨道交通的重要性决定了供电系统的可靠性非常重要，一旦停电造成停运，将造成较大的经济损失和较坏的社会影响。因此轨道交通供电系统的中压供电网络设置了电源联络线。

如图2所示，假设1＃开闭所正常运行承担的负荷，小于3＃开闭所承担的负荷。当2＃电源开闭所引自城网电源的两个进线电源全部故障，其进线开关和母线分段开关全部断开，引至4＃变电所的馈出开关K3’和K4’被进线开关联跳（或电力调度遥控分闸）并闭锁（当任一进线开关合闸时，闭锁关系解除）。 此时电力调度（或变电所控制室人员）解除2＃变电所的两台联络开关K1、K2与本变电所进线开关的“软联锁”，经调度令就地手动或遥控操作合闸（保护整定躲过励磁涌流），两路中压电源由2＃变电所两段母线引至3＃变电所，并再至2＃开闭所，使故障区段的3＃变电所、2＃开闭所恢复供电故障；同理解除4＃变电所的两台联络开关K3、K4与本变电所进线开关的“软联锁”，经调度令就地手动或遥控操作合闸，两路中压电源由5＃变电所两段母线引至4＃变电所，使故障区段的4＃变电所恢复供电。故障供电区均得到两路联络电源。 此时供电分区进行了重新划分，1＃开闭所负责为1＃变电所～2＃开闭所共5座变电所一二级负荷的供电；3＃开闭所负责为4＃变电所～6＃变电所共4座变电所一二级负荷的供电。当高峰小时负荷超出开闭所的供电能力或中压供电网络的电压损失7％要求时，可结合运营组织方案限制高峰小时列车密度。 （2）降压变电所双电源故障应急运行方式 以附图2中2＃降压变电所和5＃变电所分别进行分析。 降压变电所没有设置母线分段开关和备自投装置，当1＃开闭所提供给2＃变电所的两路电源失电后，经电力调度令或电力调度遥控将2＃变电所进线开关分闸，同时也解除了联络开关K1、K2与进线开关的联锁。依次手动遥控使联络开关合闸，两路中压电源由3＃变电所两段母线引至2＃变电所，使故障区段的2＃变电所恢复供电。开闭所供电分区进行重新划分，2＃变电所原进线开关为新的分界点开关。 当3＃开闭所提供给5＃变电所的两路电源失电后，经电力调度令或电力调度遥控将5＃变电所进线开关分闸。电力调度解除4＃变电所进线开关和联络开关K3、K4的联锁，依次手动遥控使联络开关合闸，两路中压电源由4＃变电所两段母线引至5＃变电所，使故障区段的5＃变电所恢复供电。开闭所供电分区进行重新划分，5＃变电所原进线开关为新的分界点开关。 （3）牵引变电所双电源故障应急运行方式 以附图2中3＃降压变电所和4＃变电所分别进行分析。 2＃开闭所提供给3＃变电所的两路电源线路故障，变电所的进线开关将由于电源失压而全部跳闸，母线分段开关也处于分闸位置，备自投装置处于退出状态。电力调度解除2＃变电所进线开关和联络开关K1、K2的联锁，依次手动遥控使联络开关合闸，两路中压电源由2＃变电所两段母线引至3＃变电所，使故障区段的3＃变电所恢复供电。开闭所供电分区进行重新划分，3＃变电所原进线开关为新的分界点开关。 2＃开闭所提供给4＃变电所的两路电源线路故障，变电所的进线开关将由于电源失压而全部跳闸，母线分段开关也处于分闸位置，备自投装置处于退出状态。由于进线开关已分闸同时也解除了进线开关对联络开关K3、K4的联锁。依次手动遥控使联络开关合闸，两路中压电源由5＃变电所两段母线引至4＃变电所，使故障区段的4＃变电所恢复供电。开闭所供电分区进行重新划分，4＃变电所原进线开关为新的分界点开关，并被联络开关联锁，不能合闸防止电源合环。 3．4．4故障、应急运行方式分析小结 单电源、电缆故障发生后，电源侧馈出开关跳闸，负荷侧进线开关失压跳闸或通过调度方式断开进线开关（降压变电所），将故障点从系统中切除。开闭所、牵引变电所的中压母线分段开关和降压变电所的低压母线分段开关通过自动投入，由单电源承担供电范围内的全部一二级负荷。 双电源、电缆故障发生后，负荷侧进线开关失压跳闸或通过调度方式断开进线开关（降压变电所），将故障点从系统中切除。电力调度解除供电区分界点变电所进线开关和联络开关的软联锁，使失电的变电所恢复供电，供电区进行了重新划分。 3．5联锁、联跳关系 为了保证供电系统可靠的运行和运营维护人员操作的安全，必须设置必要的联锁关系。 3．5．1成套开关设备每一个单元的联锁关系即“五防”要求。 （1） 防止带负荷分、合隔离开关（隔离插头） （2） 防止接地开关处于闭合位置时关合断路器、负荷开关 （3） 防止带电时误合接地开关 （4） 防止误入带电隔室 （5） 防止误分、误合断路器、负荷开关 对于手车式开关设备还有其他相关要求，在此不再一一列出。 3．5．2成套开关设备相关单元的联锁关系 （1） 进线开关柜与相邻隔离手车柜、计量柜等的联锁。只有当进线开关处于分闸位置时，上述的隔离手车、计量柜手车才可以抽出或插入。 （2） 母线分段开关柜与母线分段提升柜之间须设联锁关系。只有当母线分段开关处于分闸位置时，母线分段提升柜隔离手车才可以抽出或插入。 3．5．3系统运行的联锁关系（见图2） （1）电源开闭所进线开关与母线分段开关之间的联锁关系 电源开闭所设有母线分段开关和备自投装置，从运行方式的分析可知，当正常运行和单电源或线路故障时，两进线开关和母线分段开关的闭合关系，满足“3合2”的条件，即进线开关和母线分段开关不能同时合闸，避免电源合环或向故障点返送电源。 在应急运行方式时，两进线开关失压分闸时，也应同时闭锁母线分段开关合闸，造成联络电源合环。也就是说系统运行中，两台进线开关的位置状态一致时，母线分段开关不能操作合闸。 （2）牵引变电所进线开关与母线分段开关之间的联锁关系 牵引变电所也设有母线分段开关和备自投装置，从运行方式的分析可知，当正常运行和单电源或线路故障时，两进线开关和母线分段开关的闭合关系，满足“3合2”的条件，即进线开关和母线分段开关不能同时合闸，避免电源合环或向故障点返送电源。 在应急运行方式时，有三种情况，2＃开闭所、2＃变电所和3＃变电所分别发生进线双电源故障，这三种情况下3＃变电所进线开关分别为都闭合和都断开状态，而且母线分段开关都不能进行合闸操作，避免造成联络电源合环。也就是说系统运行中，两台进线开关的位置状态一致时，母线分段开关不能操作合闸。 （3）降压变电所进线开关与母线分段开关之间的联锁关系 由于降压变电所没有设置母线分段开关，没有相应的联锁关系。 （4）进线开关与联络开关之间的联锁关系 这种联锁关系只发生在供电分区分界点的变电所，见附图2中的2＃变电所、4＃变电所和6＃变电所。变电所的两进线开关和联络开关之间，在正常运行方式下设有联锁条件，任一进线开关处在合闸位置，联络开关不能合闸。单电源故障运行方式下，不会解除联锁关系条件。 在应急运行方式下，根据前面的分析，有三种情况将操作联络开关合闸。开闭所、本变电所和与本变电所相邻的另一供电分区的变电所发生进线双电源故障。对于附图2中的2＃变电所的K1、K2联络开关，当1＃和2＃开闭所；2＃变电所、3＃变电所发生进线双电源故障时，均需要联络开关合闸，使故障区段恢复供电。除本变电所发生上述故障，进线开关和联络开关为不同时合闸外，其他应急运行情况下，两者需要同时闭合。 通过电力监控系统软件功能，设置软联锁即“软压板”与联锁条件并联，正常运行、故障运行方式和本变电所双电源故障应急运行时“软压板”为断开，联锁条件起作用。在其他应急运行情况下，电力调度操作“软压板”闭合，解除联锁条件。 （5）进线开关与环网馈线开关的联跳及联锁 在正常运行和单电源故障运行情况下，进线开关和环网馈线开关不需要联锁条件。但在双电源故障应急运行方式下，由于供电分区重新划分，出现了新的供电分界开关，而误操作此分界开关，将造成联络电源合环或向故障点返送电源。按照前面运行方式的分析，在应急运行方式时，供电分区新的分界点设在双电源出现问题的变电所或开闭所。 对于降压变电所或牵引变电所，新的分界点开关为原进线开关，环网馈线开关成为应急运行方式下的进线开关，此时误合原进线开关将向故障点返送电源。如果考虑设置联锁条件，将涉及全线所有变电所，且将对正常运行操作产生较大影响。将故障率等情况综合考虑，建议不设置联锁关系，通过加强应急运行情况下的操作管理，制定严格的操作制度来限制此种误操作的发生。 如果一定要设置联锁条件，采用软联锁方式。在电力监控系统软件编制时，变电所综合自动化系统按照运行方式进行编制，在变电所处于不同的运行方式时，顺序发出相应联锁或解除联锁的命令。 对于开闭所，见附图2以2＃开闭所为例，因为开闭所双电源故障后，进线开关在应急运行方式的供电网络中没有作用，分界点开关为原环网馈线开关如K3’、K4’。但进线开关和K3’、K4’两者的状态有密切的关系，为同时闭合或同时断开，同时闭合出现在开闭所正常或单电源故障运行方式，为开闭所供电分区提供电源；同时断开出现在应急运行方式，进线开关断开切除与城市电网的联系，避免向故障点返送电源，K3’、K4’断开为了避免使联络电源合环。 因此在运行时当任一进线开关合闸时，K3’、K4’开关可进行操作或处于合闸状态，当两台进线开关均为分闸时，联跳K3’、K4’开关分闸，并将其合闸回路闭锁。 4．应用于城市轨道交通的双环网接线方案在系统的灵活性、稳定性方面有一定的优点，也存在联锁关系较为复杂、倒闸操作时间长等缺点。本文尚没有工程应用的支持，仅供同行参考。