地鐵直流1500V網(wǎng)壓越上限報(bào)警問題研究與分析

曹雙勝 李瑜龍

摘 要：本文首先從供電、車輛角度出發(fā)，對(duì)西安地鐵三號(hào)線直流1500V網(wǎng)壓上升進(jìn)行理論研究和計(jì)算，同時(shí)結(jié)合實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)，對(duì)理論研究結(jié)果進(jìn)行反向驗(yàn)證，最終分析供電、車輛系統(tǒng)與網(wǎng)壓上升的關(guān)系，查找三號(hào)線直流1500V網(wǎng)壓越上限頻繁報(bào)警問題根源并提出整改方案，徹底消除頻繁報(bào)警對(duì)于電力調(diào)度監(jiān)控所造成的干擾。

關(guān)鍵詞：地鐵 直流網(wǎng)壓 越上限報(bào)警

Abstract： This paper firstly starts from the Angle of power supply and vehicle， and makes theoretical study and calculation on the rising pressure of the subway no.3 dc 1500V， and combination with the actual test data， the theoretical study results are reverse verified， the final analysis power supply， the relationship between vehicle system and the network voltage rise， find subway no.3 dc 1500V network voltage upper limit of the frequent alarm root causes and put forward the improvement scheme， eliminate frequent alarm for electric power dispatching control caused by the interference.

Key words： subway Dc network voltage upper limit alarm

供電系統(tǒng)是地鐵重要系統(tǒng)之一，供電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)是否良好直接關(guān)系運(yùn)營安全和服務(wù)質(zhì)量，隨著變電所綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的不斷發(fā)展，供電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息不斷上傳至控制中心電力調(diào)度監(jiān)控工作站，實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)控，對(duì)于及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常作用明顯，但從實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)來看，并不是所有的上傳信息均能起到積極作用，相反可能對(duì)正常監(jiān)控產(chǎn)生干擾影響。本文通過系統(tǒng)性分析，查找西安地鐵三號(hào)線直流1500V網(wǎng)壓越上限頻繁報(bào)警問題根源，并提出問題解決措施。

1 問題現(xiàn)象

西安地鐵三號(hào)線通過綜合監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)置直流1500V網(wǎng)壓越上限報(bào)警功能，現(xiàn)場采集各牽混所直流1500V母線電壓，當(dāng)母線電壓值大于設(shè)定報(bào)警值（DC1750V）時(shí)，電力調(diào)度監(jiān)控工作站上出現(xiàn)直流1500V網(wǎng)壓越上限報(bào)警信息，提示工作人員加強(qiáng)設(shè)備巡查。

三號(hào)線自開通初期以來，白天運(yùn)營期間電力調(diào)度監(jiān)控站頻繁出現(xiàn)直流1500V網(wǎng)壓越上限報(bào)警問題，部分報(bào)警信息見圖1，報(bào)警頻率約為30條/分鐘，最高每日可達(dá)到3萬余條，報(bào)警信息量巨大，對(duì)電力調(diào)度正常監(jiān)控造成嚴(yán)重干擾，期間也曾發(fā)生過因電力調(diào)度監(jiān)控站信息量大而導(dǎo)致人員遺漏重要開關(guān)跳閘報(bào)文，延誤故障處置時(shí)間。

2 初期對(duì)策和效果

西安地鐵一、二號(hào)線開通初期也存在同類問題，經(jīng)對(duì)網(wǎng)壓越上限報(bào)警設(shè)定值適當(dāng)調(diào)高后，報(bào)警信息量減少，因此三號(hào)線初期采取一、二號(hào)線相同的處理方式，將綜合監(jiān)控系統(tǒng)直流網(wǎng)壓越上限報(bào)警設(shè)定值由1750V提高至1785V。

報(bào)警值調(diào)整后，經(jīng)過一段時(shí)間運(yùn)行觀察，報(bào)警信息量并未下降，每日仍在3萬余條左右，直流1500V最高網(wǎng)壓達(dá)到1819V，已超過直流1500V供電系統(tǒng)電壓正常范圍（1000V-1800V），報(bào)警問題并未徹底消除。

3 直流網(wǎng)壓上升分析

3.1 供電系統(tǒng)分析（正向網(wǎng)壓上升）

西安地鐵牽引變電所高壓側(cè)電壓為AC35kV，通過24脈波整流機(jī)組（整流變壓器和整流器）的降壓、整流作用，將AC35kV電壓轉(zhuǎn)化為DC1500V電壓供給地鐵接觸網(wǎng)，為電客車提供直流牽引用電，牽引供電主電路見圖2。該供電方式直流側(cè)空載情況下，整流變壓器高壓側(cè)施加35×（1+0.05）kV的交流電壓時(shí)，直流側(cè)輸出電壓不應(yīng)超過1800V。

3.1.1 直流網(wǎng)壓理論計(jì)算

（1）整流變壓器參數(shù)

采用無勵(lì)磁分級(jí)調(diào)壓；原邊額定電壓35kV；次邊額定電壓1180V；原邊分接抽頭的分接范圍±2?2.5%。

（2）最大網(wǎng)壓計(jì)算值

晚間運(yùn)營線路停運(yùn)后，在無車狀態(tài)下（模擬直流側(cè)空載）對(duì)三號(hào)線全線35kV電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，其最大電壓值=36.5kV；

根據(jù)以上理論計(jì)算，在供電系統(tǒng)正向電源注入下，目前西安地鐵三號(hào)線直流1500V最大網(wǎng)壓值應(yīng)為1738V。

3.1.2 直流網(wǎng)壓實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

考慮夜間運(yùn)營停運(yùn)，線路無車狀態(tài)下，直流負(fù)載最小，末端1500V網(wǎng)壓最高。在此期間對(duì)三號(hào)線直流1500V實(shí)時(shí)網(wǎng)壓數(shù)據(jù)進(jìn)行分時(shí)段監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，三號(hào)線直流1500V網(wǎng)壓最高值為1741V，與3.1.1中理論計(jì)算的最大網(wǎng)壓值基本吻合。

3.1.3 供電系統(tǒng)分析結(jié)論

（1）地鐵三號(hào)線直流1500V實(shí)際網(wǎng)壓大小在既有供電設(shè)備的工況下，與理論計(jì)算結(jié)果基本吻合，網(wǎng)壓處于正常水平。

（2）目前三號(hào)線直流1500V網(wǎng)壓最高為1741V，遠(yuǎn)低于直流越上限1785V報(bào)警設(shè)定值，供電系統(tǒng)電源電壓非直流越上限報(bào)警問題的主因。

3.2 車輛系統(tǒng)分析（反向網(wǎng)壓上升）

列車制動(dòng)分為機(jī)械制動(dòng)和電氣制動(dòng)，其中電氣制動(dòng)又分為再生制動(dòng)和電阻制動(dòng)，再生制動(dòng)是在列車制動(dòng)時(shí)把車輛的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能并反饋至供電電網(wǎng)，多余的電能將通過制動(dòng)電阻以熱量形式消耗。

3.2.1 再生制動(dòng)工作原理

列車制動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)的工作方式從原來的受電轉(zhuǎn)動(dòng)改變?yōu)檩唽?duì)帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)而發(fā)電，此時(shí)電動(dòng)機(jī)等效于發(fā)電機(jī)使用，此過程把列車的動(dòng)能轉(zhuǎn)成電能通過供電電網(wǎng)饋送出去進(jìn)行儲(chǔ)存或供后續(xù)列車使用，實(shí)現(xiàn)電能的再生循環(huán)使用，再生制動(dòng)電流流向如圖3所示。

列車再生制動(dòng)產(chǎn)生的電能不斷的累加，從而造成電網(wǎng)電壓抬高，當(dāng)網(wǎng)壓超出一定的范圍時(shí)，為了保證設(shè)備安全運(yùn)行及列車正常制動(dòng)，此時(shí)制動(dòng)電阻投入工作，將多余的電能通過熱量形式消耗，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)制降壓，電阻制動(dòng)電流流向如圖4所示。

3.2.2 列車制動(dòng)過程中網(wǎng)壓變化趨勢(shì)分析

三號(hào)線列車采用阿爾斯通牽引系統(tǒng)，電阻制動(dòng)啟動(dòng)閾值為DC1800V（打開常數(shù)為8%），全功率投入閾值為DC1850V（打開常數(shù)為100%）。由此可見，該牽引系統(tǒng)下列車制動(dòng)過程中向電網(wǎng)反饋電能，促使供電系統(tǒng)直流1500V網(wǎng)壓反向上升，該過程中列車電制動(dòng)可分為三個(gè)階段：

（1）第一階段：網(wǎng)壓升高至DC1800V之前

再生制動(dòng)完全工作，轉(zhuǎn)化的電能全部反饋至電網(wǎng)被相鄰列車吸收，此階段網(wǎng)壓上升率最高。

（2）第二階段：網(wǎng)壓升高至DC1800V-DC1850V之間

再生制動(dòng)逐漸削弱，電阻制動(dòng)啟動(dòng)并逐步投入工作，轉(zhuǎn)化的電能一部分反饋至電網(wǎng)被相鄰列車吸收，另一部分被車載制動(dòng)電阻消耗，此階段網(wǎng)壓上升率逐步下降。

（3）第三階段：網(wǎng)壓升高至DC1850V之后

再生制動(dòng)停止工作，電阻制動(dòng)全功率投入工作，轉(zhuǎn)化的電能全部被車載制動(dòng)電阻消耗，此階段制動(dòng)列車停止向電網(wǎng)反饋電能，網(wǎng)壓因其它啟動(dòng)列車取流開始逐步下降。

3.2.3 列車制動(dòng)實(shí)際網(wǎng)壓值

運(yùn)營高峰時(shí)段選取一列運(yùn)營列車，統(tǒng)計(jì)列車啟、停循環(huán)過程中的牽引-制動(dòng)實(shí)際網(wǎng)壓值，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2。根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以看出：

（1）列車正常運(yùn)行階段，網(wǎng)壓維持在DC1580V-DC1620V之間；

（2）列車再生制動(dòng)階段，網(wǎng)壓在22s內(nèi)由DC1621V上升至DC1793V，上升率約為8V/s。

（3）列車再生制動(dòng)+電阻制動(dòng)階段，網(wǎng)壓在31s內(nèi)由DC1803V上升至DC1820V，上升率約為0.5V/s。

以上網(wǎng)壓大小實(shí)際統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)與3.2.2中分析的網(wǎng)壓變化趨勢(shì)情況基本相符，并且列車在制動(dòng)過程中對(duì)網(wǎng)壓的抬升已超過1500V直流網(wǎng)壓越上限報(bào)警設(shè)定值（DC1785V）。

3.2.4 車輛系統(tǒng)分析結(jié)論

與一、二號(hào)線日立牽引系統(tǒng)相比，三號(hào)線電阻制動(dòng)啟動(dòng)電壓變高（一、二號(hào)線為DC1720V啟動(dòng)，DC1800V再生制動(dòng)完全停止，電阻制動(dòng)全功率投入），反饋到直流1500V供電電網(wǎng)中的再生能量較一、二號(hào)線增多，由此導(dǎo)致網(wǎng)壓抬升也相對(duì)較大。此結(jié)論與一、二號(hào)線直流網(wǎng)壓越上限報(bào)警信息量、網(wǎng)壓抬升量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于三號(hào)線的實(shí)際表象相符。

4 直流網(wǎng)壓越上限報(bào)警問題根源

根據(jù)供電系統(tǒng)、車輛系統(tǒng)對(duì)于直流1500V網(wǎng)壓上升影響的分析，可以得出三號(hào)線出現(xiàn)直流1500V網(wǎng)壓升高、直流越上限頻繁報(bào)警問題的主要原因?yàn)榱熊囯娭苿?dòng)過程中，電阻制動(dòng)的啟動(dòng)電壓設(shè)定值較高，達(dá)到直流1500V供電系統(tǒng)網(wǎng)壓上限值1800V，全功率投入工作電壓設(shè)定值更是達(dá)到了1850V，此參數(shù)設(shè)置下列車再生制動(dòng)的能量更多的傳遞至供電直流電網(wǎng)，促使網(wǎng)壓抬升較大，遠(yuǎn)超出直流網(wǎng)壓越上限報(bào)警值（DC1785V）。

5 問題解決方案

5.1 方案制定

根據(jù)系統(tǒng)性分析結(jié)論，提出兩種解決方案：

方案一：調(diào)整三號(hào)線車輛牽引配置標(biāo)準(zhǔn)，將制動(dòng)電阻啟動(dòng)電壓（即網(wǎng)壓上限值）由DC1800V降低為DC1720V。

方案二：屏蔽三號(hào)線電力調(diào)度監(jiān)控工作站直流1500V網(wǎng)壓越上限報(bào)警功能。

5.2 方案分析

5.2.1 方案一

制動(dòng)電阻啟動(dòng)電壓參數(shù)調(diào)整技術(shù)可行，但降低制動(dòng)電阻啟動(dòng)電壓值后，主要存在以下不利影響：

（1）延長制動(dòng)電阻的投切時(shí)間，增大制動(dòng)電阻耗散功率，增加制動(dòng)電阻發(fā)熱量，產(chǎn)生的高溫可能會(huì)造成列車其他設(shè)備或電纜的損壞，同時(shí)也可能對(duì)制動(dòng)電阻的工作壽命產(chǎn)生不利影響，對(duì)于有強(qiáng)迫風(fēng)冷的制動(dòng)電阻，列車必須提供強(qiáng)迫風(fēng)，此過程也會(huì)造成一定的電能浪費(fèi)。

（2）縮短列車再生制動(dòng)工作時(shí)間，減少再生制動(dòng)反饋的電能，再生電能被其他列車的吸收量大大下降，從而加大直流牽引供電系統(tǒng)的輸出功率，不利于系統(tǒng)節(jié)能。據(jù)國內(nèi)相關(guān)研究結(jié)果表明，車載制動(dòng)電阻啟動(dòng)電壓值由1800V下調(diào)至1750V，列車再生制動(dòng)能量利用率下降約3%，牽引供電系統(tǒng)能耗增漲約1.4%。

5.2.2 方案二

屏蔽直流網(wǎng)壓越上限報(bào)警功能技術(shù)可行、修改過程簡單。

（1）必要性方面，目前報(bào)警信息過多已對(duì)電力調(diào)度正常監(jiān)控產(chǎn)生干擾，同時(shí)報(bào)警均為瞬間恢復(fù)，無法制定有效的人員現(xiàn)場應(yīng)對(duì)措施，報(bào)警作用體現(xiàn)不明顯，必要性不強(qiáng)。

（2）安全性方面，該報(bào)警功能為綜合監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)置，與車輛和供電專業(yè)設(shè)備功能無直接關(guān)聯(lián)。在網(wǎng)壓升高的情況下，車輛高速斷路器分閘并牽引封鎖，能夠安全保護(hù)車輛設(shè)備；供電牽引整流機(jī)組的逆流保護(hù)能夠有效防止整流二極管反向擊穿問題。因此，屏蔽報(bào)警功能后，車輛、供電設(shè)備的運(yùn)行安全不會(huì)受到任何影響。

5.3 方案選取

在技術(shù)可行的情況下，方案一提出的降低車載制動(dòng)電阻啟動(dòng)電壓值，會(huì)對(duì)電阻自身壽命產(chǎn)生不確定影響，同時(shí)不利于系統(tǒng)性節(jié)能；方案二無論從必要性或是安全性上，均不會(huì)對(duì)地鐵設(shè)備的正常運(yùn)行產(chǎn)生影響，另據(jù)了解國內(nèi)多數(shù)地鐵線路中并未設(shè)置直流網(wǎng)壓越上限報(bào)警功能。

綜合以上對(duì)比分析及多方論證，西安地鐵最終選擇方案二，將三號(hào)線綜合監(jiān)控電力調(diào)度工作站中直流1500V網(wǎng)壓越上限報(bào)警功能屏蔽，以達(dá)到徹底解決網(wǎng)壓越上限頻繁報(bào)警問題的目的。

6 結(jié)語

屏蔽直流1500V網(wǎng)壓越上限報(bào)警功能后，電力調(diào)度工作站有效報(bào)文信息量得到很好的控制，對(duì)于電力調(diào)度的日常設(shè)備狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)控起到了積極作用，同時(shí)供電、車輛設(shè)備運(yùn)行正常未受影響，報(bào)警問題處理效果顯著。

通過系統(tǒng)性分析，同時(shí)也對(duì)后續(xù)地鐵線路綜合監(jiān)控中設(shè)置直流網(wǎng)壓越上限報(bào)警值提出要求，即要求系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中應(yīng)充分考慮供電系統(tǒng)、車輛系統(tǒng)電制動(dòng)對(duì)于直流1500V網(wǎng)壓大小的相互影響，避免出現(xiàn)關(guān)聯(lián)系統(tǒng)之間的參數(shù)設(shè)定出現(xiàn)不匹配現(xiàn)象。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡介：曹雙勝（1971.6-）男，陜西蒲城，大學(xué)本科，工程師，地鐵運(yùn)營管理.設(shè)備維保。單位：西安市地下鐵道有限責(zé)任

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