鐵路10 kV 配電所改造設計若干問題探討

馮 寧

0 引言

鐵路配電所是鐵路電力供電系統的主要組成部分，是鐵路運輸組織中的重要技術裝備，是維持鐵路運輸正常秩序的電力供應中樞，具有設備多而集中、技術復雜的特點。隨著國民經濟的飛速發展，國家對鐵路運輸業基本建設和改造工程的投資不斷加大，一些高科技產品和技術在鐵路電力設備中得到推廣和應用，鐵路配電所的改造設計項目也越來越多。既有配電所改造設計與新建配電所設計有著明顯的不同，其主要表現在：運行中的既有配電所改造必須結合既有情況考慮設備選型及配置，需要既滿足技術先進性又兼顧經濟性，而且還要解決現有設備在運行過程中的問題，要考慮的問題遠比新建配電所復雜。根據筆者幾年來在新菏兗日、濱綏、豐沙大等數條長大干線設計實踐，就配電所改造設計的若干問題進行初步探討。

1 一次設備選擇

鐵路配電所改造過程中，大多遇到的是20 世紀90 年代初之前建設的配電所，在改造過程中，尤其是利舊改造，應充分利用既有空間進行設備選擇，筆者就遇到的若干問題進行初步探討。

1.1 有載調壓器是否必要

在標準鐵路配電所設計中，有載調壓器以及調壓器柜是配電所主接線的標準配置。在配電所改造過程中，可能由于投資或者面積的限制，有運營單位提出，可以取消調壓器和調壓器柜。理由是當前電力系統供電電壓穩定，不需要調壓。

筆者認為，這種考慮是不夠全面的。設置有載調壓器的用途有2 點：一是鐵路供電系統中，給自動閉塞及電力貫通線路供電的變、配電所設有有載調壓器，通過調壓器調整自閉（貫通）母線段的電壓，保障自閉（貫通）母線段的供電質量，從而保證自閉（貫通）線路的穩定運行；二是出于鐵路電力自閉（貫通）線系統供電連續可靠性的考慮。因為鐵路電力自閉（貫通）線系統容量不大但可靠性要求高，所以目前在鐵路10 kV 配電系統采用的是中性點不接地運行方式。該方式的優點是：當系統發生單相接地故障時，系統仍可在故障狀態下繼續運行一段時間，有供電連續性高的優點。由于鐵路10 kV 自閉（貫通）線路通過10/10 kV 調壓器饋出，有載調壓器可以起到隔離其他段母線和自閉（貫通）母線的作用，這樣其他段母線出現單相接地故障不致影響到自閉（貫通）線路的正常工作，從而保證10 kV 自閉（貫通）線路供電的連續、可靠。

由此可以看出，調壓器的設置并非可有可無，不能因為其他條件的限制在改造設計過程中就將其棄之不用。

1.2 永磁操作機構的應用

傳統的操作機構有彈簧操作機構和電磁操作機構。彈簧操作機構由彈簧儲能、合閘、保持合閘和分閘幾個部分組成。優點是不需要大功率的電源，缺點是結構復雜，制造工藝復雜，成本高，可靠性較難保證。電磁操作機構結構較簡單，但結構笨重，合閘線圈消耗功率很大。在借鑒了以上2 種操作機構優缺點的基礎上，對永磁操作機構進行了改進設計。它由永久磁鐵、合閘線圈和分閘線圈組成，永磁操作機構是一種新設備、新技術、新課題，它有結構簡單、可靠性高、維護量少、體積小、重量輕的特點。但在運營過程中也被反映有以下問題：一是分合閘控制系統出現故障不能分合閘操作；二是不適用于交流操作。當然該問題也引起生產廠家的重視并進行了相應的改造嘗試。

在鐵路配電所改造過程中，筆者曾經和不同的運營單位進行過多次接觸和溝通，大家對永磁操作機構表現了不同的態度。筆者認為對于新技術的使用應該采用積極謹慎的態度，首先要保證鐵路供電的可靠性，其次在可以充分發揮永磁機構優點的設計方案中考慮選擇永磁操作機構。例如在那些面積約束比較大，能夠較方便實現跨所供電的配電所，在選用永磁操作機構的同時，要考慮到其分合閘控制系統出現故障不能手動分合閘操作的缺陷，做好補救措施。

2 配電所綜合自動化改造

2.1 保護裝置分散式布置

鐵路配電所二次設備改造中，目前的主流做法是進行微機保護改造，從而實現繼電保護綜合自動化。所謂綜合自動化，就是廣泛采用微機保護和微機遠動技術，分別采集配電所的模擬量、脈沖量、開關狀態量及一些非電量信號，經過功能的重新組合，按照預定的程序和要求實現配電所監視、測量、協調和控制自動化的集合體和全過程，從而實現數據和資源共享，提高配電所綜合自動化的整體效益。

由于受到配電所現場實際運行設備的限制，一般觀點是在原來設備配置的基礎上，增加計算機管理功能，按配電所的規模配置相應容量、功能的微機保護裝置和微機遠動裝置，安裝在控制室內；電源、各進出線路及站內設備的運行狀態通過電流互感器、電壓互感器或相應變送器，經電纜傳送到主控制室的微機保護裝置和微機遠動裝置，經初步處理后送到前置機預處理，并與調度端的主計算機進行數據通信。上位計算機完成當地顯示、控制和制表打印功能，這樣就構成了配電所綜合自動化系統。

現階段，在配電所二次改造設計中持上述觀點的還不少，但配電所綜合自動化系統的目標是根據鐵路配電運行的特點實現其無人值班高可靠性、配置靈活、自動化程度高；網絡功能強等。上述集中式控制系統的諸多不足已顯現，如：系統信息過于集中處理問題；中央控制計算機故障，整個二次系統癱瘓問題；需要敷設大量電纜問題；投資和工程量大問題；系統內信號采集后以模擬量傳輸為主，系統精度低，易受干擾信號的影響問題；集中式裝置系統調試麻煩，維護工作量大問題；擴容靈敏性差且信息傳輸速度低等問題。

所以，筆者建議盡量實現保護裝置分散式布置。《鐵路電力設計規范》中第5.4.2 條“10 kV 變電所、10 kV 配電所、35 kV 及以上變電所控制保護設備可采用就地分散布置。”在相應的條文說明里，解釋如下：傳統的控制保護設備由于受高壓開關設備震動影響，一般不設在高壓柜上。隨著高壓電器技術的發展，高壓開關一般采用了真空斷路器等無油化設備，分合閘不會造成控制保護設備的誤動，因此可采用就地分散布置在高壓開關柜上，以減少占地面積和節約控制電纜。

2.2 組網方式選擇

分散分層分布式是配電所綜合自動化系統的發展方向，這就對通信的可靠性提出了更高的要求，選擇一個可靠、高效的網絡結構是解決問題關鍵。

目前，綜合自動化系統通信網絡主要有485 總線網、現場總線網和工業以太網3 種，各種網絡在現場運行中各有特點：485 總線在現場設備間距離遠，信息量小，可靠程度相對較低的場合應用廣泛；現場總線在目前配電所綜合自動化領域應用廣泛，其較高的傳輸速率，可靠的通信連接得到用戶的肯定。20 世紀90 年代中期，國內外曾掀起一場“現場總線熱”，但是由于技術上的原因以及采用設備總線時信息量大且傳輸較慢的特點，造成了現場總線存在多種標準，阻礙了其發展。但隨著現場對故障錄波、負荷監測等大數據量需求的提高，以及隨著新技術在綜合自動化系統中的廣泛應用以及嵌入式以太網微處理器的發展，以太網已十分便利地應用于變電所綜合自動化系統，以太網技術成為綜合自動化系統組網的主流趨勢，它具有高可靠、高速率的傳輸特性，而規約的標準化及開放性使其優勢更加明顯，大數據量傳輸無任何瓶頸，因此建議在設計中采用以太網結構進行組網。

從以上分析也可以看出隨著計算機技術、網絡技術和通信技術等高科技在配電所領域的綜合應用，配電所綜合自動化技術得到了迅速發展，并得到了廣泛應用。電力專業不再是單一行業，因此，設計人員要學習掌握各種技術才能為鐵路事業的發展作出自己的貢獻。

2.3 相關消防問題探討

采用保護裝置分散式布置，微機保護設備安裝在高壓開關柜上，布置于高壓室，而有電子設備的高壓室的消防要求則未見明確規范。在《鐵路電力設計規范》中第5.4.2 條關于控制保護設備可采用就地分散布置的條文為新增條文，同書中僅在5.5.10 中要求“變配電所的火災報警及滅火裝置應滿足現行消防規范”。故保護裝置分散布置后的高壓室的消防要求成為空白。

結合工程實際，筆者認為有條件的情況下，還是應該考慮在保護控制設備分散布置的高壓室設置氣體滅火系統，在相關規定暫時未明確的情況下，建議先在高壓室設置火災報警系統，布置相應感溫感煙探測器，以便在出現狀況時能夠報警。

3 結束語

隨著國家對基本建設和改造工程投資的不斷加大，鐵路變配電所的改擴建項目也越來越多，如何謹慎積極地采用新技術、如何實現優化設計、如何全面提高鐵路變配電所的技術水平和運營維護水平，提高供電質量和經濟效益是設計者關注的重點。上述是在數條長大干線設計過程中遇到的相關問題的思考以及解決辦法的探討，筆者從設計及運行的角度提出上述看法，歡迎指正。

[1] TB10008-2006 鐵路電力設計規范[S].北京：中國鐵道出版社.

[2] TB10063-2007 鐵路工程設計防火規范[S].北京：中國鐵道出版社.