城市軌道交通中壓雙環網運行方式和聯鎖、聯跳關系研究
韓連祥(北京城建設計研究總院 北京 100037)
摘要：闡述城市軌道交通的正常、故障和應急運行方式以及進線開關、母線分段開關；進線開關、聯絡開關；進線開關、環網饋線開關的聯鎖關系。
關鍵詞：供電分區、分界點開關、聯絡開關、分界點、備自投裝置
1．中壓供電網絡系統概述
中壓供電網絡是城市軌道交通供電系統的重要組成內容，由中壓電纜構成，將主變電所或電源開閉所和牽引、降壓變電所聯系起來，用于輸送和分配電能，在供電系統起著橋梁和紐帶的作用。中壓供電網絡的設計涉及到外部電源方案、主變電所或電源開閉所的位置與數量、牽引、降壓變電所的數量與主接線、 中壓供電網絡系統運行方式和變電所開關的聯鎖關系。
中壓供電網絡系統有兩種屬性，其一為電壓等級，其二為構成形式。
我國中壓電壓等級基本為三種，即66kV、35kV和10kV，不同電壓等級構成的中壓供電網絡均存在多種形式，如開式結線和閉式結線等。對于城市軌道交通兩種中壓等級在供電網絡中同時存在時，又可形成牽引供電網絡和動力照明供電網絡，如上海地鐵一號線工程。供電網絡中為一種電壓等級時，一般為牽引動力照明混合供電網絡，如北京地鐵工程。
2．雙環網供電網絡
環網供電方式屬于閉式結線，可分為開環和閉環方式。由于閉環方式繼電保護整定困難，因此環網供電方式基本為開環方式運行。在開環方式中，又可分為“單線單環”、“雙線單環”和“雙線雙環”的形式。城市軌道交通中“雙線雙環”即雙環網的一種接線形式見圖1。
圖中K1～K4為電源開閉所供電分區間分界點開關，在運行方式分析中也稱為聯絡開關。

雙環網相對于開式結線的放射式供電能使供電線路簡化、減少線路走廊、運行方式靈活，但聯鎖關系和繼電保護整定復雜。
3．軌道交通雙環網的運行方式
由于供電系統在軌道交通運行中的重要性，中壓供電網絡的設計需要滿足故障自救功能和防止誤操作的功能等要求。采用雙環網接線，在故障運行方式下通過改變分界點開關的狀態，保障故障區段供電的連續性。在應急運行方式時，通過調整分界點開關的位置，可改變主變電所或電源開閉所供電區的劃分，可滿足軌道交通繼續運行的要求。雙環網接線可靈活實現各種運行方式的轉換。
通過設置各種聯鎖關系，可防止各種運行方式下的誤操作，使系統安全可靠運行。
3．1變電所主接線形式
城市軌道交通一般有以下幾種變電所類型：主變電所或電源開閉所、牽引變電所或牽引降壓混合變電所、降壓變電所或跟隨式降壓變電所等。在下文中以電源開閉所、牽引變電所、降壓變電所為分析對象。
各變電所主接線形式如下：
電源開閉所為單母線分段接線形式，設母線分段開關，母線分段開關設有備用電源自動投入裝置，具有“失壓自投、過流閉鎖”功能。
牽引變電所為單母線分段接線形式，設母線分段開關，母線分段開關設有“失壓自投、過流閉鎖”功能。也可不設母線分段開關，下文將分別討論。牽引變壓器集中設于一段母線上。
降壓變電所為單母線分段接線方式，不設母線分段開關。配電變壓器分別設于兩段母線上。
變電所各進線開關、饋線開關、聯絡開關、母線分段開關均采用斷路器。變電所低壓配電系統均為單母線分段接線，設母線分段開關，并具有“失壓自投、過流閉鎖”功能，此功能可采用PLC裝置實現。
3．2中壓系統備用電源自動投入裝置的工作原理
中壓系統保護采用微機保護裝置，母線PT、線路PT或配電變壓器二次側的電壓信號均引入備自投裝置，共同作為判別電源線路是否有電的條件，當兩路引入線電源發生任一單電源故障，變電所進線線路失壓，經備自投裝置判別，確定非過流、零序等故障狀態后，由備自投裝置對進線開關和母線分段開關實施“失壓自投、過流閉鎖”的控制過程，由另一路中壓電源供給變電所全部一、二級負荷。由正常運行方式轉為故障運行方式。
當單電源故障發生在開閉所時，通過對開閉所和下級變電所的母線分段開關自投時間的適當整定，保證只有開閉所的分段開關將進行“失壓自投、過流閉鎖”的控制過程，由另一路中壓電源供給供電區內全部負荷。
備自投裝置的狀態可分為啟動狀態、投入狀態和退出（閉鎖）狀態。當兩個電源電壓正常，且進線開關均處于合閘狀態時，備自投裝置處于啟動狀態。當具備備自投裝置投入條件時，備自投裝置進入投入狀態，完成開關的轉換過程后，備自投裝置為退出狀態。當進線開關非失壓跳閘，如故障跳閘或手動操作分閘，裝置被閉鎖，處于退出狀態。
3．3運行方式分類
軌道交通中壓供電網絡的運行方式分為三種：正常運行方式、故障運行方式和應急運行方式。
正常運行方式是系統在正常電源條件、線路條件和設備條件下的運行方式。
故障運行方式是上述三個條件中任一個出現一個故障情況下的運行方式，如一個電源故障或一條線路故障或一臺設備故障。
應急運行方式是上述三個條件中任一個出現兩個故障情況下的運行。
3．4運行方式分析
3．4．1正常運行方式（見圖1）
電源開閉所由城市電網引入兩路中壓電源，并供給開閉所供電范圍內的車站變電所。正常運行時兩個電源同時供電，分列運行，開閉所兩個進線開關為合閘狀態，母線分段開關為分閘狀態，備自投裝置處于啟動狀態。
2＃和4＃變電所的聯絡開關K1～K4為分閘狀態。1＃開閉所除承擔本身負荷外，還提供1＃、2＃變電所負荷。2＃開閉所除承擔本身負荷外，還提供3＃、4＃變電所負荷。
3．4．2故障運行方式：（見圖1）分析電源（電纜）的故障情況，開關設備的故障本文中不做討論。
（1）開閉所單電源故障運行方式
當開閉所引入的一路電源或電纜故障，造成開閉所一路進線電源失壓，經備自投裝置判別，確定非過流、零序等故障狀態后，由備自投裝置對進線開關和母線分段開關實施“失壓自投、過流閉鎖”的控制過程，由另一路電源供給開閉所的全部一、二級負荷。此時開閉所電源失壓的進線開關為分閘狀態、另一路進線開關和母線分段開關為合閘狀態，備自投為退出狀態。開閉所供電分區內各變電所的開關狀態沒有變化，即進線開關為合閘狀態，母線分段開關為分閘狀態，聯絡開關為分閘狀態。
（2）降壓變電所單電源故障運行方式
當降壓變電所如1＃變電所引入的一路電源或電纜故障，1＃開閉所相應饋出線開關為分閘，造成1＃變電所一路進線電源失壓。由于降壓變電所中壓系統沒有設置母線分段開關，也沒有備自投裝置，而低壓配電系統設有母線分段開關。低壓進線開關和母線分段開關具有“失壓自投、過流閉鎖”功能，此時中壓系統開關狀態不變，電力調度遙控使失壓進線開關分閘，將故障段切除。低壓配電系統電源失壓的進線開關為分閘狀態、另一路進線開關和母線分段開關為合閘狀態，一路中壓電源和一臺配電變壓器提供降壓變電所的全部一、二級負荷。
（3）牽引變電所單電源故障運行方式
當牽引變電所如2＃變電所引入的一路電源或電纜故障，1＃開閉所相應饋出線開關為分閘，造成2＃變電所一路進線電源失壓。
當牽引變電所設有母線分段開關和備自投裝置時，經備自投裝置判別，確定非過流、零序等故障狀態后，由備自投裝置對進線開關和母線分段開關實施“失壓自投、過流閉鎖”的控制過程，由另一路電源供給牽引變電所的全部一、二級負荷。此時電源失壓的進線開關為分閘狀態、另一路進線開關和母線分段開關為合閘狀態，備自投為退出狀態。
當牽引變電所不設母線分段開關和備自投裝置時，若失壓母線為I段，則低壓配電系統實施“失壓自投、過流閉鎖”的控制過程，電源失壓的低壓進線開關為分閘狀態、另一路進線開關和母線分段開關為合閘狀態。一路中壓電源承擔牽引變電所牽引負荷和動力照明一、二級負荷。
若失壓母線為II段，連接在該段母線上的兩臺牽引變壓器和一臺配電變壓器將失電。當確認非過流、零序等故障狀態后，可進行倒閘操作，恢復對失壓母線的供電。由于倒閘操作過程的時間級為“分鐘”級，而低壓配電系統實施“失壓自投、過流閉鎖”的控制過程為“秒”級，因此在倒閘操作過程中低壓配電系統已恢復對動力照明一、二級負荷的供電；牽引供電系統通過本牽引變電所直流母線使相鄰兩個牽引變電所構成大雙邊供電。
變電所為無人值守時，電力調度遠方倒閘操作分為停電操作過程和送電操作過程。手動操作兩臺牽引變壓器中壓開關分別分閘；操作配電變壓器中壓開關分閘；然后操作II段母線進線開關分閘并確認，此時停電操作過程結束。進行送電操作過程，操作聯絡開關K2合閘并確認，分別操作各變壓器中壓開關合閘。
此時II段母線進線開關斷開，K2聯絡開關閉合；I段進線開關閉合，K1聯絡開關斷開。再次明確此時沒有設置母線分段開關和備自投裝置，不存在誤操作母線分段開關造成電源合環問題。
3．4．3應急運行方式（見圖2）
（1）開閉所雙電源故障應急運行方式
城市電網提供開閉所的兩路電源中一路電源或線路故障后，另一路再次發生故障時，兩路電源均失壓。經“秒”級延時后，備自投裝置向母線分段開關和電源失壓的進線開關分別發出跳閘命令。開關分閘后，備自投裝置處于退出狀態。
北京城市鐵路工程參考各方面的意見，采用的是第二路電源也失電時，開關的狀態維持一路電源失壓后的情況，即一路電源的進線開關為分閘，另一路的進線開關和母線分段開關為合閘。方便之處在于外電源波動造成失壓的快速恢復供電。鑒于軌道交通工程供電為自成系統，系統本身具有故障自救功能，外電源故障對系統的影響可通過系統本身的自動或手動操作恢復系統故障區段的供電，此時應斷開與外部電源的聯系。因此在開閉所雙電源或雙線路故障時，進線開關和母線分段開關均分閘。
若正常運行時，發生雙電源同時故障造成進線失壓，經“秒”級延時后，備自投裝置向兩臺進線開關同時發出跳閘命令，不向母線分段開關發命令，母線分段開關仍保持正常分閘位置。
經上述分析可知，開閉所雙電源故障無論同時發生，還是不同時發生，開閉所的進線開關、母線分段開關均處于斷開位置，且母線分段開關的合閘回路被進線開關閉鎖，備自投裝置為退出狀態。開閉所承擔的供電分區全部失電。
根據《地鐵設計規范》的要求，地鐵用電設備負荷等級為一級，兩個電源供電即滿足供電要求，由于城市軌道交通已成為老百姓上班、出行的重要交通工具，是解決城市道路交通擁堵的重要手段。城市軌道交通的重要性決定了供電系統的可靠性非常重要，一旦停電造成停運，將造成較大的經濟損失和較壞的社會影響。因此軌道交通供電系統的中壓供電網絡設置了電源聯絡線。
在這種故障應急運行方式下，通過倒閘操作改變原有供電分區的劃分，利用中壓供電網絡設置的聯絡開關，由相鄰供電區提供電源。為避免電源合環，需要重新設置分界點，本文推薦開環點設于開閉所，根據兩側供電區的負荷大小，將開閉所列入負荷較小的供電區，原開閉所的饋線開關成為新的分界點開關。

如圖2所示，假設1＃開閉所正常運行承擔的負荷，小于3＃開閉所承擔的負荷。當2＃電源開閉所引自城網電源的兩個進線電源全部故障，其進線開關和母線分段開關全部斷開，引至4＃變電所的饋出開關K3’和K4’被進線開關聯跳（或電力調度遙控分閘）并閉鎖（當任一進線開關合閘時，閉鎖關系解除）。
此時電力調度（或變電所控制室人員）解除2＃變電所的兩臺聯絡開關K1、K2與本變電所進線開關的“軟聯鎖”，經調度令就地手動或遙控操作合閘（保護整定躲過勵磁涌流），兩路中壓電源由2＃變電所兩段母線引至3＃變電所，并再至2＃開閉所，使故障區段的3＃變電所、2＃開閉所恢復供電故障；同理解除4＃變電所的兩臺聯絡開關K3、K4與本變電所進線開關的“軟聯鎖”，經調度令就地手動或遙控操作合閘，兩路中壓電源由5＃變電所兩段母線引至4＃變電所，使故障區段的4＃變電所恢復供電。故障供電區均得到兩路聯絡電源。
此時供電分區進行了重新劃分，1＃開閉所負責為1＃變電所～2＃開閉所共5座變電所一二級負荷的供電；3＃開閉所負責為4＃變電所～6＃變電所共4座變電所一二級負荷的供電。當高峰小時負荷超出開閉所的供電能力或中壓供電網絡的電壓損失7％要求時，可結合運營組織方案限制高峰小時列車密度。
（2）降壓變電所雙電源故障應急運行方式
以附圖2中2＃降壓變電所和5＃變電所分別進行分析。
降壓變電所沒有設置母線分段開關和備自投裝置，當1＃開閉所提供給2＃變電所的兩路電源失電后，經電力調度令或電力調度遙控將2＃變電所進線開關分閘，同時也解除了聯絡開關K1、K2與進線開關的聯鎖。依次手動遙控使聯絡開關合閘，兩路中壓電源由3＃變電所兩段母線引至2＃變電所，使故障區段的2＃變電所恢復供電。開閉所供電分區進行重新劃分，2＃變電所原進線開關為新的分界點開關。
當3＃開閉所提供給5＃變電所的兩路電源失電后，經電力調度令或電力調度遙控將5＃變電所進線開關分閘。電力調度解除4＃變電所進線開關和聯絡開關K3、K4的聯鎖，依次手動遙控使聯絡開關合閘，兩路中壓電源由4＃變電所兩段母線引至5＃變電所，使故障區段的5＃變電所恢復供電。開閉所供電分區進行重新劃分，5＃變電所原進線開關為新的分界點開關。
（3）牽引變電所雙電源故障應急運行方式
以附圖2中3＃降壓變電所和4＃變電所分別進行分析。
2＃開閉所提供給3＃變電所的兩路電源線路故障，變電所的進線開關將由于電源失壓而全部跳閘，母線分段開關也處于分閘位置，備自投裝置處于退出狀態。電力調度解除2＃變電所進線開關和聯絡開關K1、K2的聯鎖，依次手動遙控使聯絡開關合閘，兩路中壓電源由2＃變電所兩段母線引至3＃變電所，使故障區段的3＃變電所恢復供電。開閉所供電分區進行重新劃分，3＃變電所原進線開關為新的分界點開關。
2＃開閉所提供給4＃變電所的兩路電源線路故障，變電所的進線開關將由于電源失壓而全部跳閘，母線分段開關也處于分閘位置，備自投裝置處于退出狀態。由于進線開關已分閘同時也解除了進線開關對聯絡開關K3、K4的聯鎖。依次手動遙控使聯絡開關合閘，兩路中壓電源由5＃變電所兩段母線引至4＃變電所，使故障區段的4＃變電所恢復供電。開閉所供電分區進行重新劃分，4＃變電所原進線開關為新的分界點開關，并被聯絡開關聯鎖，不能合閘防止電源合環。
3．4．4故障、應急運行方式分析小結
單電源、電纜故障發生后，電源側饋出開關跳閘，負荷側進線開關失壓跳閘或通過調度方式斷開進線開關（降壓變電所），將故障點從系統中切除。開閉所、牽引變電所的中壓母線分段開關和降壓變電所的低壓母線分段開關通過自動投入，由單電源承擔供電范圍內的全部一二級負荷。
雙電源、電纜故障發生后，負荷側進線開關失壓跳閘或通過調度方式斷開進線開關（降壓變電所），將故障點從系統中切除。電力調度解除供電區分界點變電所進線開關和聯絡開關的軟聯鎖，使失電的變電所恢復供電，供電區進行了重新劃分。
3．5聯鎖、聯跳關系
為了保證供電系統可靠的運行和運營維護人員操作的安全，必須設置必要的聯鎖關系。
3．5．1成套開關設備每一個單元的聯鎖關系即“五防”要求。
（1）防止帶負荷分、合隔離開關（隔離插頭）
（2）防止接地開關處于閉合位置時關合斷路器、負荷開關
（3）防止帶電時誤合接地開關
（4）防止誤入帶電隔室
（5）防止誤分、誤合斷路器、負荷開關
對于手車式開關設備還有其他相關要求，在此不再一一列出。
3．5．2成套開關設備相關單元的聯鎖關系
（1）進線開關柜與相鄰隔離手車柜、計量柜等的聯鎖。只有當進線開關處于分閘位置時，上述的隔離手車、計量柜手車才可以抽出或插入。
（2）母線分段開關柜與母線分段提升柜之間須設聯鎖關系。只有當母線分段開關處于分閘位置時，母線分段提升柜隔離手車才可以抽出或插入。
3．5．3系統運行的聯鎖關系（見圖2）
（1）電源開閉所進線開關與母線分段開關之間的聯鎖關系
電源開閉所設有母線分段開關和備自投裝置，從運行方式的分析可知，當正常運行和單電源或線路故障時，兩進線開關和母線分段開關的閉合關系，滿足“3合2”的條件，即進線開關和母線分段開關不能同時合閘，避免電源合環或向故障點返送電源。
在應急運行方式時，兩進線開關失壓分閘時，也應同時閉鎖母線分段開關合閘，造成聯絡電源合環。也就是說系統運行中，兩臺進線開關的位置狀態一致時，母線分段開關不能操作合閘。
（2）牽引變電所進線開關與母線分段開關之間的聯鎖關系
牽引變電所也設有母線分段開關和備自投裝置，從運行方式的分析可知，當正常運行和單電源或線路故障時，兩進線開關和母線分段開關的閉合關系，滿足“3合2”的條件，即進線開關和母線分段開關不能同時合閘，避免電源合環或向故障點返送電源。
在應急運行方式時，有三種情況，2＃開閉所、2＃變電所和3＃變電所分別發生進線雙電源故障，這三種情況下3＃變電所進線開關分別為都閉合和都斷開狀態，而且母線分段開關都不能進行合閘操作，避免造成聯絡電源合環。也就是說系統運行中，兩臺進線開關的位置狀態一致時，母線分段開關不能操作合閘。
（3）降壓變電所進線開關與母線分段開關之間的聯鎖關系
由于降壓變電所沒有設置母線分段開關，沒有相應的聯鎖關系。
（4）進線開關與聯絡開關之間的聯鎖關系
這種聯鎖關系只發生在供電分區分界點的變電所，見附圖2中的2＃變電所、4＃變電所和6＃變電所。變電所的兩進線開關和聯絡開關之間，在正常運行方式下設有聯鎖條件，任一進線開關處在合閘位置，聯絡開關不能合閘。單電源故障運行方式下，不會解除聯鎖關系條件。
在應急運行方式下，根據前面的分析，有三種情況將操作聯絡開關合閘。開閉所、本變電所和與本變電所相鄰的另一供電分區的變電所發生進線雙電源故障。對于附圖2中的2＃變電所的K1、K2聯絡開關，當1＃和2＃開閉所；2＃變電所、3＃變電所發生進線雙電源故障時，均需要聯絡開關合閘，使故障區段恢復供電。除本變電所發生上述故障，進線開關和聯絡開關為不同時合閘外，其他應急運行情況下，兩者需要同時閉合。
通過電力監控系統軟件功能，設置軟聯鎖即“軟壓板”與聯鎖條件并聯，正常運行、故障運行方式和本變電所雙電源故障應急運行時“軟壓板”為斷開，聯鎖條件起作用。在其他應急運行情況下，電力調度操作“軟壓板”閉合，解除聯鎖條件。
（5）進線開關與環網饋線開關的聯跳及聯鎖
在正常運行和單電源故障運行情況下，進線開關和環網饋線開關不需要聯鎖條件。但在雙電源故障應急運行方式下，由于供電分區重新劃分，出現了新的供電分界開關，而誤操作此分界開關，將造成聯絡電源合環或向故障點返送電源。按照前面運行方式的分析，在應急運行方式時，供電分區新的分界點設在雙電源出現問題的變電所或開閉所。
對于降壓變電所或牽引變電所，新的分界點開關為原進線開關，環網饋線開關成為應急運行方式下的進線開關，此時誤合原進線開關將向故障點返送電源。如果考慮設置聯鎖條件，將涉及全線所有變電所，且將對正常運行操作產生較大影響。將故障率等情況綜合考慮，建議不設置聯鎖關系，通過加強應急運行情況下的操作管理，制定嚴格的操作制度來限制此種誤操作的發生。
如果一定要設置聯鎖條件，采用軟聯鎖方式。在電力監控系統軟件編制時，變電所綜合自動化系統按照運行方式進行編制，在變電所處于不同的運行方式時，順序發出相應聯鎖或解除聯鎖的命令。
對于開閉所，見附圖2以2＃開閉所為例，因為開閉所雙電源故障后，進線開關在應急運行方式的供電網絡中沒有作用，分界點開關為原環網饋線開關如K3’、K4’。但進線開關和K3’、K4’兩者的狀態有密切的關系，為同時閉合或同時斷開，同時閉合出現在開閉所正常或單電源故障運行方式，為開閉所供電分區提供電源；同時斷開出現在應急運行方式，進線開關斷開切除與城市電網的聯系，避免向故障點返送電源，K3’、K4’斷開為了避免使聯絡電源合環。
因此在運行時當任一進線開關合閘時，K3’、K4’開關可進行操作或處于合閘狀態，當兩臺進線開關均為分閘時，聯跳K3’、K4’開關分閘，并將其合閘回路閉鎖。
4．應用于城市軌道交通的雙環網接線方案在系統的靈活性、穩定性方面有一定的優點，也存在聯鎖關系較為復雜、倒閘操作時間長等缺點。本文尚沒有工程應用的支持，僅供同行參考。

參考文獻：于松偉 城市軌道交通供電系統的中壓網絡研究 見《城市軌道交通首屆中青年專家論壇文集》

作者簡介：韓連祥，男，1964年7月出生，1988年畢業于上海同濟大學工業電氣自動化專業，大學本科，高級工程師，從事軌道交通供電設計，單位地址：北京阜成門北大街5號，68318887－6602。
城市軌道交通中壓雙環網運行方式和聯鎖、聯跳關系研究
文題譯文：STUDY OF THE OPERATION METHOD OF MEDIUM VOLTAGE DOUBLE LOOPED NETWORK OF URBAN TRACK TRAFFIC AND INTERLOCK AND JOINT TRIP RELATIONSHIP
摘要譯文：Abstract: Expounding the normal、defective and emergency operation method of urban track traffic and the interlock relationship of inlet switch and bus-connected switch、inlet switch and interconnection switch、inlet switch and feeder switch of looped network.
關鍵詞譯文：Key word: Dividing area of power supply 、Switch of dividing point、Interconnection switch、Dividing point、Automatic change-over device

2003-11-1
參考文獻：城市軌道交通供電系統的中壓網絡研究－于松偉