探讨新型接触网开关站的设计与应用

探讨新型接触网开关站的设计与应用

吴宜明

湛江冠能电力投资有限公司524000

摘要:针对变电所不能够识别和切除“T”接方式的专用线接触网故障等问题，设计了一种新型接触网开关站，具有快速切除永久性故障、自动重合闸功能，能够区分临时性故障、按照允许时间自动切除超载负荷，消除了专用线接触网故障对干线铁路供电的影响。本文主要就新型接触网开关站进行了设计与应用，仅供大家参考。

关键词:设计;开关站;接触网;控制

引言

目前，接触网干线与专用线的电气分割采用隔离开关或负荷开关，这样的开关电器不能白动识别和白动切除专用线故障;牵引变电所的继电保护装置是依靠提取变电所馈线的电压电流诊断线路故障，这在理论上都不具有区分“T”接分义线路故障的可能性。因此，实际运营中专用铁路的接触网故障，往往造成干线铁路的接触网失电，故障位置查找困难，断电时问较长，严重影响到干线铁路上大量列车的正点运营。为此，开发研制一种新型专用铁路的接触网智能开关站非常必要。

1.新型开关站结构设计

按照有关技术规范，设计的开关站选择以手车真空断路器为短路电流切除电器，利用10-4Pa以上的高真空度来灭电和绝缘，与其他电介质比较具有绝缘强度高、介质恢复速度快、无火灾隐患等优点。开关站的电流互感器和电压互感器用于采集专用线故障信息;嵌入式微机CPU作为数据分析与处理核心，自动控制断路器分合闸;为节省投资和方便运行管理，采用无线遥控方式监控开关站工作状态。开关站的一次主接线和主要设备构成，如图1所示。

开关站箱体采用槽钢框架焊接、双层钢板夹保温材料的结构形式，机械强度设计为能在最大风速35m/s和0.5g水平震动同时作用下，在覆雪厚度500mm或覆冰厚度10mm下正常工作;防护等级按照国家标准IP4X级设计，防雨、防尘。箱体内配置温度控制设备，夏天自动散热，冬天自动加热，保证断路器工作的环境温度。箱体内部高压带电部分采用钢板全密封，检修通道处设有防止工作人员误入带电区报警装置，避免人员发生触电伤亡事件。铁路接触网27.5kV线用爬电距离大于1600mm的高压套管引入引出开关站，适合重污染场所运行;采用4根M42、长2m的镀锌地脚螺丝钉固定箱体，并兼作接地体，简化了施工;手车断路器位于地面，预防检修和巡视方便;开关站体积小，可置于铁路边，不需要征地。

图1开关站主接线和结构框图

2.关键技术及策略

2.1短路电流的识别

2.1.1开关站避免了识别分叉线故障问题

从图1可以看出，开关站对专用线接触网进行独立控制，专用线的短路故障电流必然通过开关站，用电流和电压互感器就能够完全获取短路信息。因此，开关站的有利位置就避免了识别分叉线路故障的问题。

2.1.2区分临时性故障的策略

专用线负荷主要是电力机车的牵引电动机，这是感性负荷。电压矢量u，超前电流矢量i，一个相位角θ，其关系如图2所示。专用线发生接地短路时，当电弧电流下降到t0时刻，由于真空介质熄弧能力强，会迫使电弧熄灭。从图2可以看出:电弧电流熄灭瞬间t0时刻，电压仍具有一定数值UC，这表明电弧熄灭t0时刻断路器的分闸触头两端(即干线和专用线接触网)同时存在电压y。如果专用线的故障是永久性故障，断路器触头分开后，接地故障会迅速将残压y释放完，使分断的专用线网上电压立即变为0值。如果专用线是临时性故障，断路器触头分开后，故障自动消失，残压UC没有通道释放，UC值就会保持，使分断的专用线网上电压呈UC值。所以，开关站采用快速检测断路器分断后的专用线网压是否有残压UC，就可以判明故障属于永久性或者临时性。

2.2超载电流控制策略

为了避免铁路供电与专用线管理部门之间的矛盾，采用自动化装备限制专用线负荷超载十分必要。设计的控制策略是:①当专用线负荷临时超载，进行跳闸警告，利用自动重合闸方式恢复专用线供电。②如果专用线负荷持续超载，跳闸断电，直到专用线管理部门申请，铁路供电调度同意后，才重新操控开关站进行供电。实现这样的控制策略，可应用人工智能的神经网络方法。

2.3工作电源设计策略

断路器和隔离开关的操作需要大功率电源，继电保护等自动化装置也需要工作电源，因此，一般变电所、开闭所都要架设10kV线路作为所用电源，投资很大。尽管可以用太阳能和风力发电来提供电能，但这样的方案受气象和天气环境等多种因素影响很大，不仅造价高，突出问题是使用寿命和供电可靠性很低。

开关站工作电源设计策略:专用线接触网正常运行时，利用变频整流技术将交流电转换成直流电，给内部设置的长寿命超级储能模块电池充电;当专用线接触网发生故障失电后，储能模块电池利用变频技术将直流电转换为交流电，给开关站提供CPU微机工作电源和断路器操作电源。储能模块电池免维护，管理简单:监测电压表的指示不小于200V，就表明模块电池正常。储能模块电池设计寿命8年以上，现已投入运行的储能模块电池已经连续工作了3年多，实践表明性能仍然稳定可靠，采用这种技术完全节省了开关站的10kV电源线路投资。

2.4无线通讯与遥控

目前，GSM手机通讯网络已经全面覆盖中国大地，运行非常可靠。利用GSM网络传输开关站的状态信息，包括对开关站的无线遥控信号，其突出优点表现为:①不需要自己敷设专门的通讯通道，可以省去远动系统的巨大投资。②不需要维护通讯通道和设施，也无大功率的通讯设施消耗电源问题。③手机短信方式传输信息，通讯费用极低，经济实惠。

3.新型开关站主要技术特性与应用

3.1新型开关站技术特性

根据上述技术方案和策略，研究开发的开关站和无线监控器实现的主要功能和技术特点为:

(1)快速诊断专用线接触网故障，对永久性故障自动切除和隔离。

(2)识别和区分专用线的临时性故障，自动重合闸，保证供电可靠。

(3)识别专用线负荷的短时性超载，按照用户允许的持续超载时间，自动切除持续超载负荷。

(4)自带超级储能模块电池，不需要外部提供操作电源，可以使开关站位置的选择非常灵活。

(5)开关站无人值班，状态信息可以定时上传，采用光电形式实时显示或查询开关站工作状态，实现1000km遥控开关站断路器、隔离开关的分合闸，并自动保证隔离开关与断路器的操作程序，避免了误操作事件。

(6)计量专用线负荷的用电量，开关站内部温度自动调节，设有防误入带电区报警装置。

(7)预留有远动装置接口。

3.2新型开关站技术优势

新型开关站相比国内其他箱式开关站有如下优势:①是专门针对专用接触网设计的开关站，内置程序具有识别专用线接触网的临时性故障和永久故障的专业算法。②新型开关站不需要像其他箱式开关站那样新设供电线路为其提供工作电源，本身具有独立的超级储能模块，自带2路电源保障了工作电源的可靠性。③新型开关站的无线通信技术是基于GSM公共网络，不受国家无线电管制，不占用铁路现有的通信资源;信息传输设计有多重编码、信号识别和开关动作检测的程序，能够保障发送和接受的通讯信号可靠、断路器状态有效上传，相比其他远程控制箱式开关站节省了远动系统的巨大成本。④新型开关站具有温度实时监控装置，保证开关站设备始终工作在良好的温度环境中。⑤开关站占地面积小、维护成本低、安装方便。由上述特点可见，新型开关站运行可靠，完全可以胜任无人值守的专用线接触网控制和故障快速处理。

3.3新型开关站的应用

图5、图6所示为运行在榆中专用线上的开关站及其无线监控器。运行效果表明:开关站实现了上述功能，自动化程度高，性能稳定，无线遥控方便可靠。采用新型开关站控制专用线接触网，不仅能够快速自动切除专用线故障，保障干线铁路的供电，而且与修建开闭所、架设10kV电源线的方案比较，可以一次性节省投资至少400万元，施工简单，运行无人值班，遥控操作和管理也很方便。

参考文献

[1]TB10009-2005中华人民共和国行业标准铁路电力牵引供电设计规范[S].北京:中国铁道出版社，2005.

[2]中华人民共和国铁道部.牵引变电所运行检修规程[S].北京:中国铁道出版社，2007.