年7月5日

摘要

地铁直流牵引供电系统单母线接线方式纵联开关的选型、闭锁关系设置、操作方式、应用进行分析比较。针对隔离开关式纵联开关切换运行方式时导致接触网短时停电的问题，结合实际运行经验试图从操作流程、简化闭锁关系和带电操作纵联刀闸等方面找出尽可能减少对运营影响的解决方案。

关键词：单母线纵联刀闸接触网短时停电闭锁关系运行方式等电位操作法

目录

绪论　　3

一、直流牵引供电系统的单母线+纵联刀闸接线方式　　4

二、什么是纵联开关及其作用　　5

1、　　纵联开关的定义　　5

2、　　纵联开关的作用　　5

三、纵联开关的类型与比较　　6

1、　　隔离开关式（刀闸）　　6

2、　　小车式断路器式　　6

3、　　负荷开关式　　6

四、纵联刀闸的联闭锁关系　　7

1、　　与本站上网隔刀闭锁　　7

2、　　与断路器闭锁　　7

3、　　利用接触网有压监视闭锁　　8

五、纵联开关的操作方式　　9

1、　　就地操作　　9

2、　　远方点控操作　　9

3、　　远方程控操作　　10

4、　　等电位操作法　　10

六、纵联刀闸的等电位操作法　　11

1、　　等电位操作须满足的三个条件　　11

2、　　纵联刀闸的等电位操作法　　11

3、　　双边联跳接线修改方案　　12

七、单母线接线馈线开关故障的分类　　13

1、　　电流型框架保护动作跳闸　　14

2、　　一台及以上馈线开关故障跳闸　　14

3、　　接触网单边供电　　14

4、　　接触网双边供电或通过直流母线的大双边供电　　14

5、　　由大双边供电恢复为双边供电　　14

结论　　16

参考文献　　17

绪论

地铁是城市的主要交通工具，因此地铁发生中断运行情况时，会导致地面交通发生严重拥堵，可能引起联锁反应，最终瘫痪，严重影响城市经济与人民生活。牵引供电系统的稳定可靠程度直接影响列车运行。现在国内新建线路的牵引供电系统普遍采用单直流母线加纵向联络刀闸（简称纵联刀闸）的接线方式，当直流馈线断路器故障时，为保证供电能力和质量通常采用合纵联刀闸的大双边供电。由于纵联刀闸不能带负荷操作，因此使用纵联刀闸切换运行方式需相邻的两个区间接触网停电，在列车间隔小于两个区间时会直接导致列车停运。随着各城市地铁的发展，不断缩短列车间隔成为主流。因此，研究如何能在牵引供电系统发生故障时，尽可能的缩短纵联刀闸大双边供电切换时间，减少接触网停电时间，有了实际的意义。本文结合运营经验分析纵联刀闸在运行方式切换时的缺陷，并从操作流程和方法、闭锁关系简化、不停电分合纵联刀闸的可能性等方面，进行分析比较，希望能找出一个可行的解决方案。

一、直流牵引供电系统的单母线+纵联刀闸接线方式

直流正母线有两路进线，四路直流馈线。整流柜负极通过刀闸与负母线连接；上行或下行同一方向的接触网电分段处各设纵向联络刀闸，当牵引变电所退出运行或某一台以上直流馈线开关不能送电时，可以合纵联刀闸实现大双边供电。如下图1-1所示。

大多数新建的地铁线路都采用直流单母线+纵联刀闸的接线方式。如下表1-1

表1-1部分国内地铁线路直流牵引供电系统采用的接线方式

二、什么是纵联开关及其作用

纵联开关的定义

纵联开关是联接同一方向相邻两个供电区间接触网（轨）的开关或刀闸；如图2-1的纵联开关。

纵联开关的作用

当牵引变电站直流牵引供电系统解列或馈线开关故障时，作为备用方式保证接触网的供电能力与供电质量符合要求。即通过合纵联开关实现由左右相邻牵引变电站实现大双边供电方式。如下图2-2红色部分

三、纵联开关的类型与比较

纵联开关分为隔离开关式、负荷开关式、小车断路器式三种类型。

隔离开关式（刀闸）

结构简单，成本低，维护量低。无灭弧能力，不能带负荷分合操作。可作为明显断开点。

纵联刀闸为防止带负荷操作，通常设置闭锁关系保证其两侧接触网停电后才能进行操作，因此纵联刀闸切换运行方式时会导致两个相邻接触网区间停电。

小车式断路器式

结构复杂，成本高，维护量大，能分合负荷电流和故障电流，不能作为明显断开点。有开关本体的大电流脱扣保护，部分线路设框架保护。

断路器能分合负荷电流，可在接触网不停电的情况下进行大双边供电方式的切换。但由于断路器不能作为明显断开点且小车式隔开只能就地操作，停电需要到三个牵引站操作，操作时间长。为克服这个缺点，需要增加电动隔开实现远方电动操作，这样成本就更高了。如北京地铁18条线路中只有房山线与昌平线使用断路器式纵联开关，而且没有设置电动隔离开关，至今存在安全隐患。

负荷开关式

结构复杂度与成本、维护量介于隔离开关与断路器之间，有一定的灭弧能力，能够分合负荷电流，但不能切断故障电流，无保护装置，可作为明显断开点。成型产品种类不多。

负荷开关式纵联开关可在接触网不停电的情况下，灵活切换大双边供电与双边供电方式，不影响列车运营。并且可遥控，能作为明显断开点。负荷开关集断路器与隔离开关的优点于一身。但可供地铁线路选择的成型产品有限，因此至今为止应用的线路还只是以试验和测试为主，并没有进入实用阶段。目前武汉地铁3号线进行过比较成功的试验。

四、纵联刀闸的联闭锁关系

为防止纵联刀闸带负荷分合操作而设置的联闭锁关系可分为三类。

图4-1单母线接线

与本站上网隔刀闭锁

图4-2与本站上网隔刀（16、36）的闭锁

纵联刀闸所在站的对应上网隔刀分位和两侧相接的左右邻站对应馈线开关分位，纵联刀闸可以合分操作，否则闭锁纵联刀闸合分操作。

此类闭锁关系需要断开左右邻站和本站共4个开关2个刀闸，才能合分纵联刀闸，操作的开关数量最多，接线复杂，成本高。

与断路器闭锁

图4-3与本站馈线开关（10、30）的闭锁

纵联刀闸所在站的对应馈线开关和两侧相接的左右邻站对应馈线开关分位，纵联刀闸可以合分操作，否则闭锁纵联刀闸合分操作。

此类闭锁关系需要断开左右邻站和本站4个开关，才能合分纵联刀闸，操作的开关数量比第一种稍少，接线复杂，成本高。在应急处理时，若判断故障点可能在馈线开关与上网隔刀之间时，应分开对应的上网隔刀隔离故障点后，再恢复为大双边供电。

利用接触网有压监视闭锁

图4-4有压监视且有本站上网隔刀闭锁图4-5有压监视无上网隔刀闭锁图4-6接触网有压监视装置

接触网设置有压监视装置，当装置检测接触网有电就闭锁纵联刀闸的分合操作。

此类闭锁关系，不需要从相邻站接线用来传递其馈线开关分合信号。接线相对简单。

综上可见，采用接触网有压监视装置，且不设置与本站上网隔刀的闭锁关系如图4-5。接线简单，操作开关的数量少，能有效缩短接触网的停电时间，减少对运营的影响程度。

五、纵联开关的操作方式

就地操作

开关本体上进行操作。

远方点控操作

利用自动化监控系统遥控单个开关或刀闸的操作。

按照作业标准需执行相应的选择、确认、执行、再确认流程。操作复杂程度与操作时间比就地操作稍短。较易出现误操作。

远方程控操作

为达到一个操作目的而进行的一系列的操作步骤集中在一个操作界面上，由程序按照排定好的顺序自动进行开关刀闸的合分。由于程控操作过程由程序自动执行，因此执行效率高，准确用时短。

图5-1程控操作界面

表5-1远控用时比较表

等电位操作

法等电位操作法就是利用在刀闸两端并联有断路器的支路，在刀闸合分操作前并联支路先连通，将刀闸两端电位钳制为相等，并起到分流的作用，以实现隔离刀闸在不停负荷的情况下的倒闸操作。

见图3-1是供电局kV双母线接线图，倒母线操作就是采用等电位操作法实现的。

图5-2供电局kV双母线接线图

六、纵联刀闸的等电位操作法

等电位操作须满足的三个条件

刀闸两端有并联支路且支路必须有断路器；

并联支路断路器能闭锁分闸；

防止刀闸带负荷操作的闭锁关系能解除；

纵联刀闸的等电位操作法

见图6-1，当A至C站上行区间接触网双边供电时，A站36、30合位，C站16、10合位。B站16、10、36、30合位（图中红色部分），并联在刀闸两侧，强制两侧电位相等，采取措施保证在合分纵联刀闸期间上述10与30开关能保证闭锁在合位，此时合刀闸，然后断开B站10、30开关。在接触网不停电的情况下将AC站上行区间接触网双边供电切换为通过B站刀闸实现大双边供电。

图6-1纵联等电位操作并联支路

纵联刀闸等电位操作实现的难点就在“采取措施保证在合分纵联刀闸期间上述10与30开关能保证闭锁在合位”。由于直流断路器本体主回路上安装有大电流脱扣保护装置，此装置直接驱动断路器的机械脱扣机构跳闸，无法人为闭锁此保护。因此，从闭锁开关在合位这条路是走不通的。只能从反面采取措施，就是当并联在纵联刀闸（）支路中的任一断路器（B站10、30）跳闸时，就通过双边联跳功能将A站与C站的30和10开关同时联跳让纵联刀闸两侧接触网停电，这样就能保证等电位分合操作纵联刀闸时，不会出现带负荷操作导致拉弧的事故。

双边联跳接线修改方案

当向纵联刀闸两侧接触网供电的任一馈线断路器跳闸时，需将所有其它对应馈线断路器联跳并闭锁重合闸。

图6-2改进前双边联跳原理图图6-3改进后双边联跳原理图

如图6-3所示，

DS为馈线断路器辅助接点；

K1为纵联刀闸辅助接点（刀闸合到位后k1的常开点闭合，常闭点打开，将本站10、30被联跳与去联跳退出，将AC联跳回路联通）；

K2为馈线开关故障跳闸接点；

K3为被联跳继电器线圈；

k4为纵联刀闸操作继电器接点（k4常开点在操作纵联刀闸过程中闭合，操作完成打开）。

双边供电时：B站10故障跳闸其DS常闭点和k2常开闭合，将去联跳信号送至A站30被联跳回路，因30合位其DS常开点闭合k3线圈得电联跳30开关。此时B站联跳回路的k1与k4常开点断开。A站30开关非故障跳k2常开不闭合。

等电位操作过程中：B站k4常开点闭合，ABC站k3继圈均处于被联跳预备状态，当B站10开关故障跳闸DS常闭点、k2常开点闭合，能闭锁重合闸的去联跳信号发至联跳正，A站30、C站10、B站30的k3线圈得电并联跳对应开关闭锁重合闸，B站纵联刀闸的两侧接触网停电，避免纵联刀闸带负荷分合。

七、单母线接线馈线开关故障的分类

图7-1单母线接线

电流型框架保护动作跳闸

如图7-1，采用点控与程控操作。B站直流牵引电流框架保护动作，ABC站所有向接触网供电的开关均跳闸，四个区间的接触网无电。区间列车停运，应隔离故障恢复接触网大双边供电。由于B站馈线开关（10、20、30、40）的接触网侧也在框架保护范围内，因此应断开上网刀闸（16、26、36、46）隔离可能的故障点后，程控操作切换为纵联刀闸的大双边供电。

一台及以上馈线开关故障跳闸

如图7-1，采用点控与程控操作。B站10跳闸联跳A站30开关，A至B站上行区间接触网无电。试发B站10拒动、线检不通过或再次保护动作跳闸。

断开B站16，试发10开关再次故障跳或线检不通过，初步判断故障点在B站16与10之间。程控操作切换为AC站上行区间接触网纵联刀闸的大双边供电。

接触网单边供电

如图7-1，采用程控操作。B站10开关跳闸且不能合闸，AB站下行区间接触网由A站30开关单边供电。由于供电能力不足或提高供电质量，程控操作切换为AC站上行区间接触网纵联刀闸的大双边供电。

接触网双边供电或通过直流母线的大双边供电

如图7-1，采用等电位操作法。解除纵联刀闸的防带负荷操作闭锁，B站合刀闸，分10、30开关，切换为大双边供电。

由大双边供电恢复为双边供电

如图7-1，采用等电位操作法。解除纵联刀闸的防带负荷操作闭锁，B站合16、10、36、30开关，分刀闸，恢复双边供电。

综上所述，第1、2、3项由于接触网已停电或开关故障不能合闸，因此并不能使用等电位操作法。第4、5项采用等电位操作法能在不停电的情况下进行运行方式切换。

结论

纵联刀闸在国内地铁线路直流牵引系统广泛应用。减少纵联刀闸切换运行方式导致接触网停电的时间，可以从以下几个方面来实现。

操作方法：电力自动化监控工作站设大双边投入和退出的程控按钮，程控界面内含上网刀闸项，可根据需要选择是否参与程控序列，默认不勾选。程控能并行操作的尽量并行。

闭锁关系：隔离开关式纵联开关用接触网有压监视装置实现闭锁且不设置与本站上网隔刀的闭锁关系，这样就可以少操作纵联刀闸所在牵引站对应的两个上网刀闸，从而缩短了接触网短时停电的时间。

等电位操作法：此方法在馈线开关5类故障类型中只有两项可以使用，利用率有限。修改成本较高，需同时增加闭锁解除功能、修改双边联跳接线，且在等电位操作纵联刀闸时，若发生故障跳闸时有个别馈线开关没能及时跳开（此现象在北京地铁几十年运行期间并没有出现过但也不能说不存在），就会导致纵联刀闸带负荷操作。但即使不采用此方案。方案中的双边联跳的改进方法（如图6-3）也可以应用于线路改造或新建，能减少站间接线，节省接线成本。同时可解决多年存在的相邻两站馈线开关跳闸同时报被联跳的误报问题。

综上所述，根本解决办法就是在设备选型时，纵联开关的类型首选负荷开关，其次选断路器加电动隔离开关，这两类开关类型都可以实现接触网不停电切换运行方式，但最终还是要平衡成本与效率和安全的关系。随着轨道交通的发展，对直流负荷开关需求的增加，相信会有更多低成本高质量的产品进入市场。

参考文献

[1]一种地铁不停电倒闸用直流越区负荷开关-蒋涛（武汉地铁集团有限公司）

[2]高压电工实用技术-郭仲礼（机械工业出版社）

[3]城市轨道交通供电系统运行与维修-何宗华（中国建筑工业出版社）

[4]城市轨道交通供电系统-陈玲（北京交通大学出版社）

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