郑州地铁车辆段及出入段线直流牵引供电系统的优化研究
王 群
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谢刘杰
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（郑州市轨道交通有限公司，河南 郑州 450000）
【摘 要】本文通过对郑州地铁车辆段及出入段线牵引供电系统设计原则的分析，同时结合运营过程中可能发生的情况，通过设计案例从供电系统可靠性及正线支援场段供电时效性上研究，提出地铁车辆段出入段线牵引供电系统的优化方案，为郑州地铁后续线路提供设计参考。
【关键词】地铁车辆段；出入段线；牵引供电；优化 1引言
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。 2车辆段及出入段线直流牵引供电系统设计原则 2.1接线方式
郑州地铁车辆段单独设置牵引变电所，为整个车辆段接触网提供直流牵引电源。牵引变电所设置2台整流机组，通过上级35kV馈线断路器开关接在同一段35kV母线上，直流1500V母线为单母线接线（分正、负极），分别通过直流开关（电动隔离开关）、负极柜（手动隔离开关）与整流机组连接，再从牵引降压混合变电所内直流1500V母线馈出6回路（其中1回路直流馈线连接的是再生制动装置）直流电源为场段内不同供电分区的接触网供电。
郑州地铁车辆段出入段线接触网，由市体育中心站牵引降压混合所提供直流牵引电源。市体育中心站牵引降压混合所内直流1500V母线馈出7回路（其中1回路直流馈线连接的是再生制动装置219）直流电源为1号线一期郑州东站至市体育中心站区间上下行线（211、212）、1号线二期市体育中心站至龙子湖北站区间上下行线（213、214）、1号线车辆段出入段线接触网供电（215、216）。如图1。 2.2运行方式
（1）正常运行时，车辆段牵引变电所两套整流机组并联运行，车辆段与正线之间的越区隔离开关2201、2202常开，由段内牵引所向段内接触网区域单边供电。 （2）当车辆段牵引变电所（目前一套整流机组故障退出运行时，不联跳另一套整流机组）两套整流机组均故障退出运行，车辆段牵引变电所解列，段内接触网全部失电。此时闭合车辆段与正线之间的越区隔离开关2201、2202，由正线市体育中心站牵引变电所215、216馈线向车辆段1D1、1D2接触网区域支援供电，满足基本的出入库作业和段内调车作业。 （3）运营初期二期工程未建成时，市体育中心牵引变电所解列，由郑州东站牵引变电所单边供电。当二期工程建成投入运营后，市体育中心牵引变电所解列退出运行时，由新郑州牵引变电所和二期工程的龙子湖中心牵引变电所“大双边”供电。车辆段牵引变电所均不向正线接触网停电区域越区支援供电 （4）当牵引变电所一台整流机组故障时，另一台整流机组在初近期负荷允许的情况下可以继续运行。 图1 出入段线接触网供电示意图 3设计案例 3.1案例一：车辆段两套整流机组突发故障 3.1.1故障经过 2014年*月*日18:05，郑州地铁车辆段出入段线牵混所35kV馈线开关306B、307B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。 18:05—35KV馈线306B、307B开关柜显示限时电流速断保护、过电流保护、零序保护动作，故障联跳信号、报警总信号、跳闸总信号低电压报警动作，306B、307B、201、202断路器分闸，车辆段接触网全部停电。 18:06—电调联系值班员，询问车辆段牵混所故障情况，现场回复正在检查。 18:15—电调联系车厂调度，确认车辆段内所有电客车都已降弓。
18:18—电调通报厂调、行调故障无法短时处理，需从正线支援车辆段越区供电。 18:26—电调发布倒闸令，开始进行正线支援车辆段供电方式倒切。 3.1.2故障分析
根据整流器二次原理分析，电流速断部分由继电器1-3组成、限时电流速断部分由继电器4-6组成和过电流保护由继电器7-9组成。由于三段的启动电流和动作时间整定得均不相同，因此，必须分别使用三个电流继电器和两个时间继电器，而信号继电器3、6、9分别用以发出I、II、III段动作的信号。使用I段、II段或III段组成的阶段式电流保护，其最主要的优点就是简单、可靠，并且在一般情况下也能够满足快速切除故障的要求。整流机组限时电流速断保护、过电流保护动作信号，是由继电保护装置在采集到限时速断电流、瞬时过电流信号，该信号产生后低压控制回路输出口以开关量形式使跳闸继电器动作，联跳306B、307B、201、202开关。
初步判断是由于35KV馈线电缆接地，导致瞬时过电流保护跳闸信号动作，从而引起低压控制回路程序下发信号联跳306B、307B、201、202开关，导致车辆段牵混所两套整流机组解列，车辆段接触网全部失电。 3.1.3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（目前郑州地铁1号线全线各牵引变电所，已断开两套整流机组故障联跳低压控制回路）；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倒切时间，尽量减少对行车的影响。 3.2案例二：市体育中心站215、216断路器同时或单个突发故障 3.2.1故障经过
2014年*月*日16:15，郑州地铁市体育中心站215断路器发生大电流脱扣保护动作。供出段线接触网215开关跳闸，导致出段线接触网全部失电。由于故障短时无法恢复，按照先通后复的原则，决定采用西流湖至郑州东小交路运行，郑州东至市体育中心站采用公交接驳或站间单线双向载客运行。市体育中心站站后折返及接触网供电情况如图2。
16:15—215断路器显示大电流脱扣保护动作，市体育中心站215断路器分闸，出段线接触网停电。
16:16—电调联系值班员，询问市体育中心站牵混所故障情况，现场回复正在检查。
16:16—电调联系车厂调度，告知出段线接触网停电，禁止车辆放入出段线，避免故障扩大。同时通知行调，出段线接触网故障停电，市体育中心站接触网无法满足车辆折返作业。
16:18—电调通报行调故障无法短时处理，需从车辆段支援出段线越区供电。 16:47—电调发布倒闸令，开始进行车辆段支援出段线供电方式倒切。
图2 市体育中心站站后折返及出入段线接触网供电示意图
3.2.2故障分析
牵引变电所内的直流系统的故障形式主要有：短路故障，过负荷故障，过压故障等等，最常见的也是危害最大的是短路故障。从本质上讲，短路故障有两种类型，一种是正极对负极短路，另一种是正极对大地短路。所内配置的多数保护都是为了切除前一种故障，框架保护则是为了切除后一种故障。
对于前一种故障，多数是由于架空接触网对钢轨短路所引起的，短路点离牵引变电所的距离决定了短路电流的大小。远端短路故障电流的峰值与列车启动时的电流峰值相近，甚至小于该电流，所以，远端短路故障电流与列车启动电流的区分，是牵引变电所直流保护的难点。另外，列车受电弓过接触网分段时，也会有一个峰值较高的电流出现。
大电流脱扣保护是直流断路器主保护，与交流保护中的速断保护类似，用以快速切除金属性近端短路故障。这种保护是直流断路器内设置的固有保护，没有延时性，它通过断路器内设置的脱扣器实现。当通过断路器的电流超过整定值时，脱扣器马上动作，使断路器跳闸。
本次故障之所以费时32分钟才得以倒闸越区供电，主要原因是车辆段越区供电出段线并不在供电设计原则范围内，属特殊应急情况下措施，从应急启动到应急实施均不同程度占用10分钟以上时间，导致出段线接触网牵引供电断电超过30分钟 。
初步判断是由于直流馈线上网电缆对钢轨接地，导致大电流脱扣跳闸信号动作，从而引起低压控制回路程序下发信号联跳215开关，导致出段线接触网失电。 3.2.3故障启发
假设此故障发生在早发车或晚收车时段，将造成市体育中心站站后无法折返影响正线运营，且列车无法按时上线运行或按时回段，势必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，就必须从出入段线牵引供电系统出发，采取进一步优化方案：增加出入段线越区供电的条件，尽量减少对行车的影响。 4车辆段及出入段线牵引供电系统优化方案 4.1切除车辆段整流机组故障联跳功能
为增加车辆段牵引供电系统的可靠性，可以对牵引所24脉波整流机组进行改造，切除两台整流机组的联跳功能，即当一台整流机组故障退出时，由另一台整流机组继续为车辆段接触网供电。
实现单台整流机组故障时不联跳另一台整流机组，根据设备二次保护接线，将整流机组35kV馈线开关306B、307B开关各自联跳保护投切压板拉开，中断整流器故障联跳信号回路，实现联跳功能的切除。
4.2优化正线支援供电方式倒切程序
郑州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。 4.2.1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。 4.2.2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。
4.3增加市体育中心站211、212对出入段线实现越区的隔离开关
为增加出入段线牵引供电系统的可靠性，增加市体育中心站211、212对出入段线实现越区供电的隔离开关，并具备远控功能，优化出入段线供电可靠性。 5结束语
鉴于地铁车辆段及出入段线在运营组织的至关重要地位，以地铁运营过程中可能出现的故障案例进行论证，充分发掘车辆段及出入段线牵引供电系统存在的薄弱环节，不断优化系统提高系统运行的可靠性显得尤为必要。郑州地铁车辆段及出入段线牵引供电系统优化后功能性更可靠，系统运行安全，为后续地铁线路供电系统设计提供一定参考。 【参考文献】
[1]于小四，《城市轨道交通供电、弱电系统工程施工质量验收标准指南》 [2]郑州市轨道交通1号线一期工程初步设计 [3]郑州地铁单向导通装置安装使用说明