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中铁武汉电气化局集团有限公司 湖北武汉 430070
摘要：近年来，随着我国城市人口的日益增多，私家车的数量也不断增多，城市交通问题原来越严峻，交通堵塞现象时有发生，严重影响居民出行，这已成为社会各界人士关注的热点话题。因此，地铁的出现为解决这一问题指明了新方向。本文介绍和分析了地铁中压交流供电系统中母备自投启动方式，阐述了母联备自投装置的投入原理、工作原理、优点和优化方案。
关键词：地铁；中压交流；供电系统；母联备自投
1 引言
地铁作为城市轨道交通的重要组成部分，保证其用电负荷持续供电是电力部门的首要任务。地铁供电一旦出现问题，将会造成地铁运输瘫痪。通常城市轨道交通交流电网多采用备用电源自动投入装置，即备自投，这种装置在地铁电力系统出现故障时，能自动将用户切换到备用电源上去，实现持续供电。它对提高多电源供电负荷的供电可靠性、安全性，保证供电连续性具有重要意义，对于促进地铁行业发展起着极为关键作用。
2 地铁供电系统概述
供电系统是利用各种系统原理和工作方案构成的一种综合性管理模式，包括外部电源、主变电所和监控系统等设备构成。地铁供电系统针对列车工作中存在的问题利用电源系统进行综合控制和管理，科学高效地保证地铁运行的安全、稳定和可靠，大大提高地铁的经济性和节能性。
3 备自投条件
3.1 备用电源应满足电压条件
备自投装置只有在失去工作电源并且备用电源处于正常备自投功能投入状态下才能保证备自投的可靠动作。若备用电源不符合电压条件时，备自投装置可靠不动作。
3.2 断开工作电源
为了防止备用电源投入到故障元件上，加重事故或设备损坏程度，要确认进线断路器断开后，再投入备用电源使用。
3.3 投入前延时
断开工作电源的断路器必须在备自投装置自动投入之前经过延时，并且延时时间应大于外部故障排除时间的最大值，这是为了避免受到因工作母线引出线故障引起的母线电压下降的影响。
3.4 备自投装置只允许动作一次
备自投装置只允许动作一次，为避免多次投入到故障元件上造成更大冲击和事故。
4 中压交流供电系统母联备自投的工作原理和运行方式
4.1 工作原理
城市轨道交通的供电系统一般采用两级电压供电方式，且主变电所自供电局引入两路110kv独立电源，33kv则采用单母线分段接线方式。整个供电系统分成很多区域，各车站变电采用双路电源供电方式，且这两个电源分列运行，每个变电所母联开关都处于断开状态。一个供电区间供电系统结构图如图1所示。
4.2 电源所（直接与主变电所相连的所）备自投
包括母联备自投和进线备自投。电缆侧和母线均无压是其启动的前提条件，如果母线断路器检测到备自投启动信号，就会立即判断两段母线电压是否满足条件，然后经过延时跳进线断路器，当进线分闸位置返回后母联断路器延时2000ms备自投合闸。
4.5 环网所（不直接与主变电所相连的所）备自投
也包括母联备自投和进线备自投两部分。正常运行方式下，它的启动条件是进线差动保护装置发出到进线断路器综保单元，由差动保护切出故障回路，然后由进线断路器的综保单元启动备自投，其接收启动信号后经过延时后，根据运行备自投逻辑合闸以恢复非故障区域供电。
5 地铁中压供电系统母联备自投的方式比较
5.1 进线线路差动保护动作启动备自投
环网进线保护装置启动备自投逻辑如图1所示，B、C变电所区间电缆出现接地时，线路差动保护装置中有不平衡电流通过，当这种不平衡电流值增加到设计整定值，线路差动保护动作，这是B所出线、C所进线都跳开并迅速隔离故障源。此时C所进线开启备自投信号到C所母联保护装置，C所母联依据图2中备自投逻辑合闸，尽最大可能的缩小停电范围。
这种方式具有备自投动作时间短、不受站内时间配合的影响、缩小停电范围等优势，但同时也有发生动作的几率小的缺点，因为它只在区间电缆发生故障时才动作。
5.2 进线失压跳闸启动备自投
进线的其中一种备自投启动方式是失压跳闸启动备自投。下图3即为其逻辑图。
进线失压时，进线保护装置依据启动备自投逻辑原理判断，若满足条件，失压线路断路器会跳开，进线受到断路器分位信号后，立即向本所母联发出启动备自投信号，经母联确认正常后，发出合闸命令信号，母联断路器就会重新对I段母线供电
外电源进线失压跳闸启动备自投是一种在进线失压跳闸之后才启动备自投的备自投逻辑。这种进线方式需要站内时间配合，供电级数太多会影响自投动作时间，且当两段进线相继失压时需要手动恢复供电。因此这种自投方式已经很少用于现代地铁供电系统中。
5.3 进线失压合位启动备自投
进线的另一种方式是进线失压合位启动备自投，其逻辑图如下图4。
当Ⅰ段母线发生故障时，即若A所Ⅰ段进线失压，进线保护装置依据备自投逻辑判断是否满足失压条件，确认满足后发出启动备自投信号，母线立即发出跳进线命令，确认当母联确认进线分位信号后，母联自投断路器合闸，此时便恢复供电。
这种备自投方式仍需要站内时间的配合，当供电级数过多时仍会影响自投动作时间。但相比失压跳闸启动备自投，它已大有改善。进线失压备自投通过进线断路器在合位时失压启动备自投，便能够避免当遥控分闸、手动分闸进线、过流保护跳闸时引起失压而导致备自投启动。因此这种自投方式在北京上海等地铁供电系统中得到广泛应用，具有广阔的市场前景。
6 备自投体系方案优化
在地铁中压交流供电系统中母联备自投的实际运行中，仍会遇到种种问题，导致地铁供电系统出现故障。为此，我们必须从事故中总结归纳，不断优化改进备自投系统。因此我们从管理和技术两方面探讨备自投方案的优化。
6.1 管理方面
在供电网络结构管理的先进合理性方面，国内没有十分成功的经验，仍与国外发达国家有一定差距。在供电配网规划和建设中没有充分重视可靠性评估方法，对可靠性管理工作的认识不足，没有完全建立起检修施工整体规划建设意识。基于供电系统网络结构和各类设备故障导致的停电对可靠性产生的影响，从管理方面提出提高可靠性管理的建议。
首先，要建立并不断完善地铁供电系统可靠性管理网络，加强对可靠性工作管理和管理人员的技术培训，增强可靠性管理意识，提升供电系统管理人员职业素养。其次，要加强对地铁电力设施的保护，定期进行检修，以减少外部因素对供电可靠性引起的故障。
6.2 技术方面
上述阐述的三种备自投方案都有各自优缺点，为提高备自投的安全可靠性，可以将不同备自投方案结合使用取得更佳方案。比如将差动保护动作启动备自投和进线失压合位备自投这两种方式相互配合进线启动备自投的条件。当区间线路发生故障时，差动动作跳开电缆两端断路器，并立即开启母联备自投，快速恢复供电。通过备自投合闸恢复供电，可以较好的相互弥补这两种方式的缺点，充分发挥出两者的优点。改进的进线启动备自投逻辑图5。
图5 改进的进线启动备自投逻辑图
7 结束语
经过以上讨论分析，结合国内地铁对备自投的应用，我们应不断优化完善备自投启动条件，充分保证地铁各级供电负荷。在具体项目实施过程中，必须结合电源所和环网所备自投，才能尽可能减小供电系统发生故障造成的影响，才能确保地铁运营过程中各保护动作可靠发生。
参考文献：
[1]夏昌华.地铁供电33KV系统母联备自投的原理与方案优化[J].城市建设理论研究.2012（14）：65～66
[2]杨森林.母联备自投在地铁中压交流供电系统中的应用[J].技术装备.2011（5）：58～60
[3]王英楠.提高城市中压电系统供电可靠性的研究[J].科技信息.2013（76）：22
作者简介：
曹宝安 男 1975.3月生 本科学历，工程师，主要从事工程项目管理方面的工作。
摘要：近年来，随着我国城市人口的日益增多，私家车的数量也不断增多，城市交通问题原来越严峻，交通堵塞现象时有发生，严重影响居民出行，这已成为社会各界人士关注的热点话题。因此，地铁的出现为解决这一问题指明了新方向。本文介绍和分析了地铁中压交流供电系统中母备自投启动方式，阐述了母联备自投装置的投入原理、工作原理、优点和优化方案。
关键词：地铁；中压交流；供电系统；母联备自投
1 引言
地铁作为城市轨道交通的重要组成部分，保证其用电负荷持续供电是电力部门的首要任务。地铁供电一旦出现问题，将会造成地铁运输瘫痪。通常城市轨道交通交流电网多采用备用电源自动投入装置，即备自投，这种装置在地铁电力系统出现故障时，能自动将用户切换到备用电源上去，实现持续供电。它对提高多电源供电负荷的供电可靠性、安全性，保证供电连续性具有重要意义，对于促进地铁行业发展起着极为关键作用。
2 地铁供电系统概述
供电系统是利用各种系统原理和工作方案构成的一种综合性管理模式，包括外部电源、主变电所和监控系统等设备构成。地铁供电系统针对列车工作中存在的问题利用电源系统进行综合控制和管理，科学高效地保证地铁运行的安全、稳定和可靠，大大提高地铁的经济性和节能性。
3 备自投条件
3.1 备用电源应满足电压条件
备自投装置只有在失去工作电源并且备用电源处于正常备自投功能投入状态下才能保证备自投的可靠动作。若备用电源不符合电压条件时，备自投装置可靠不动作。
3.2 断开工作电源
为了防止备用电源投入到故障元件上，加重事故或设备损坏程度，要确认进线断路器断开后，再投入备用电源使用。
3.3 投入前延时
断开工作电源的断路器必须在备自投装置自动投入之前经过延时，并且延时时间应大于外部故障排除时间的最大值，这是为了避免受到因工作母线引出线故障引起的母线电压下降的影响。
3.4 备自投装置只允许动作一次
备自投装置只允许动作一次，为避免多次投入到故障元件上造成更大冲击和事故。
4 中压交流供电系统母联备自投的工作原理和运行方式
4.1 工作原理
城市轨道交通的供电系统一般采用两级电压供电方式，且主变电所自供电局引入两路110kv独立电源，33kv则采用单母线分段接线方式。整个供电系统分成很多区域，各车站变电采用双路电源供电方式，且这两个电源分列运行，每个变电所母联开关都处于断开状态。一个供电区间供电系统结构图如图1所示。
4.2 电源所（直接与主变电所相连的所）备自投
包括母联备自投和进线备自投。电缆侧和母线均无压是其启动的前提条件，如果母线断路器检测到备自投启动信号，就会立即判断两段母线电压是否满足条件，然后经过延时跳进线断路器，当进线分闸位置返回后母联断路器延时2000ms备自投合闸。
4.5 环网所（不直接与主变电所相连的所）备自投
也包括母联备自投和进线备自投两部分。正常运行方式下，它的启动条件是进线差动保护装置发出到进线断路器综保单元，由差动保护切出故障回路，然后由进线断路器的综保单元启动备自投，其接收启动信号后经过延时后，根据运行备自投逻辑合闸以恢复非故障区域供电。
5 地铁中压供电系统母联备自投的方式比较
5.1 进线线路差动保护动作启动备自投
环网进线保护装置启动备自投逻辑如图1所示，B、C变电所区间电缆出现接地时，线路差动保护装置中有不平衡电流通过，当这种不平衡电流值增加到设计整定值，线路差动保护动作，这是B所出线、C所进线都跳开并迅速隔离故障源。此时C所进线开启备自投信号到C所母联保护装置，C所母联依据图2中备自投逻辑合闸，尽最大可能的缩小停电范围。
这种方式具有备自投动作时间短、不受站内时间配合的影响、缩小停电范围等优势，但同时也有发生动作的几率小的缺点，因为它只在区间电缆发生故障时才动作。
5.2 进线失压跳闸启动备自投
进线的其中一种备自投启动方式是失压跳闸启动备自投。下图3即为其逻辑图。
进线失压时，进线保护装置依据启动备自投逻辑原理判断，若满足条件，失压线路断路器会跳开，进线受到断路器分位信号后，立即向本所母联发出启动备自投信号，经母联确认正常后，发出合闸命令信号，母联断路器就会重新对I段母线供电
外电源进线失压跳闸启动备自投是一种在进线失压跳闸之后才启动备自投的备自投逻辑。这种进线方式需要站内时间配合，供电级数太多会影响自投动作时间，且当两段进线相继失压时需要手动恢复供电。因此这种自投方式已经很少用于现代地铁供电系统中。
5.3 进线失压合位启动备自投
进线的另一种方式是进线失压合位启动备自投，其逻辑图如下图4。
当Ⅰ段母线发生故障时，即若A所Ⅰ段进线失压，进线保护装置依据备自投逻辑判断是否满足失压条件，确认满足后发出启动备自投信号，母线立即发出跳进线命令，确认当母联确认进线分位信号后，母联自投断路器合闸，此时便恢复供电。
这种备自投方式仍需要站内时间的配合，当供电级数过多时仍会影响自投动作时间。但相比失压跳闸启动备自投，它已大有改善。进线失压备自投通过进线断路器在合位时失压启动备自投，便能够避免当遥控分闸、手动分闸进线、过流保护跳闸时引起失压而导致备自投启动。因此这种自投方式在北京上海等地铁供电系统中得到广泛应用，具有广阔的市场前景。
6 备自投体系方案优化
在地铁中压交流供电系统中母联备自投的实际运行中，仍会遇到种种问题，导致地铁供电系统出现故障。为此，我们必须从事故中总结归纳，不断优化改进备自投系统。因此我们从管理和技术两方面探讨备自投方案的优化。
6.1 管理方面
在供电网络结构管理的先进合理性方面，国内没有十分成功的经验，仍与国外发达国家有一定差距。在供电配网规划和建设中没有充分重视可靠性评估方法，对可靠性管理工作的认识不足，没有完全建立起检修施工整体规划建设意识。基于供电系统网络结构和各类设备故障导致的停电对可靠性产生的影响，从管理方面提出提高可靠性管理的建议。
首先，要建立并不断完善地铁供电系统可靠性管理网络，加强对可靠性工作管理和管理人员的技术培训，增强可靠性管理意识，提升供电系统管理人员职业素养。其次，要加强对地铁电力设施的保护，定期进行检修，以减少外部因素对供电可靠性引起的故障。
6.2 技术方面
上述阐述的三种备自投方案都有各自优缺点，为提高备自投的安全可靠性，可以将不同备自投方案结合使用取得更佳方案。比如将差动保护动作启动备自投和进线失压合位备自投这两种方式相互配合进线启动备自投的条件。当区间线路发生故障时，差动动作跳开电缆两端断路器，并立即开启母联备自投，快速恢复供电。通过备自投合闸恢复供电，可以较好的相互弥补这两种方式的缺点，充分发挥出两者的优点。改进的进线启动备自投逻辑图5。
图5 改进的进线启动备自投逻辑图
7 结束语
经过以上讨论分析，结合国内地铁对备自投的应用，我们应不断优化完善备自投启动条件，充分保证地铁各级供电负荷。在具体项目实施过程中，必须结合电源所和环网所备自投，才能尽可能减小供电系统发生故障造成的影响，才能确保地铁运营过程中各保护动作可靠发生。
参考文献：
[1]夏昌华.地铁供电33KV系统母联备自投的原理与方案优化[J].城市建设理论研究.2012（14）：65～66
[2]杨森林.母联备自投在地铁中压交流供电系统中的应用[J].技术装备.2011（5）：58～60
[3]王英楠.提高城市中压电系统供电可靠性的研究[J].科技信息.2013（76）：22
作者简介：
曹宝安 男 1975.3月生 本科学历，工程师，主要从事工程项目管理方面的工作。