從直流網(wǎng)壓越上限問(wèn)題引發(fā)的地鐵節(jié)能思考

李瑜龍

摘 要：根據(jù)西安地鐵三號(hào)線(xiàn)發(fā)生的直流1 500 V網(wǎng)壓越上限頻繁報(bào)警問(wèn)題，本文通過(guò)系統(tǒng)性分析，查找出問(wèn)題的根源，并由此引發(fā)制動(dòng)電阻啟動(dòng)電壓對(duì)于地鐵節(jié)能影響的思考，綜合論證后最終提出問(wèn)題的最優(yōu)解決方案，同時(shí)對(duì)城市軌道交通項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段關(guān)于制動(dòng)電阻啟動(dòng)電壓提出相應(yīng)的工作建議。

關(guān)鍵詞：地鐵;直流網(wǎng)壓;節(jié)能;制動(dòng)電阻

電力調(diào)度作為電力設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控、調(diào)管人員，需通過(guò)監(jiān)控工作站隨時(shí)掌握電力設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，現(xiàn)場(chǎng)電力設(shè)備信息主要通過(guò)綜合監(jiān)控系統(tǒng)上傳后中央，西安地鐵三號(hào)線(xiàn)開(kāi)通初期出現(xiàn)了牽引直流網(wǎng)壓越上限頻繁報(bào)警的典型問(wèn)題，本文通過(guò)研究分析，查找出問(wèn)題根源與列車(chē)制動(dòng)電阻啟動(dòng)電壓值的設(shè)置大小關(guān)系密切，同時(shí)因制動(dòng)電阻啟動(dòng)電壓關(guān)系到地鐵節(jié)能問(wèn)題，繼而進(jìn)行綜合論證，最終提出問(wèn)題的最優(yōu)解決方案，并對(duì)城市軌道交通項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段關(guān)于制動(dòng)電阻啟動(dòng)電壓提出相關(guān)工作建議。

1 故障描述

西安地鐵三號(hào)線(xiàn)設(shè)置直流1 500 V網(wǎng)壓越上限報(bào)警功能，當(dāng)綜合監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)采集變電所直流1 500 V母線(xiàn)電壓大于設(shè)定報(bào)警值（DC1 750 V）時(shí)，中央電調(diào)工作站發(fā)出直流1 500 V網(wǎng)壓越上限報(bào)警信息。自該條線(xiàn)路開(kāi)通運(yùn)營(yíng)以來(lái)，電調(diào)工作站頻繁出現(xiàn)直流1 500 V網(wǎng)壓越上限報(bào)警問(wèn)題，報(bào)警頻率約為35條/分鐘，最高每日可達(dá)到3萬(wàn)余條，嚴(yán)重干擾電力調(diào)度對(duì)電力設(shè)備的正常監(jiān)控，期間發(fā)生了因電調(diào)工作站信息量過(guò)大，導(dǎo)致人員遺漏重要開(kāi)關(guān)跳閘信息，影響故障處置效率。

2 臨時(shí)措施

鑒于西安地鐵前期開(kāi)通線(xiàn)路運(yùn)營(yíng)初期也存在同類(lèi)問(wèn)題，將網(wǎng)壓越上限報(bào)警設(shè)定值調(diào)高后，報(bào)警信息量減少，因此三號(hào)線(xiàn)采取相同的處理方式，將越上限報(bào)警值由1 750 V提高至1 785 V。經(jīng)運(yùn)行觀(guān)察，報(bào)警信息量未減少，問(wèn)題并未徹底消除。

3 直流牽引網(wǎng)壓分析

3.1 供電系統(tǒng)分析

供電系統(tǒng)采用中壓環(huán)網(wǎng)AC35 kV向直流牽引變電所供電，直流側(cè)通過(guò)24脈波整流機(jī)組將AC35 kV轉(zhuǎn)化為DC1 500 V，為車(chē)輛提供直流電源，牽引供電主電路見(jiàn)圖1。按照設(shè)計(jì)要求，直流側(cè)空載情況下，當(dāng)整流變壓器高壓側(cè)為35×（1+5%）kV時(shí)，直流輸出電壓不應(yīng)超過(guò)1 800 V。

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(wú)勵(lì)磁分級(jí)調(diào)壓;原邊額定電壓35 kV;次邊額定電壓1 180 V;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(yíng)線(xiàn)路停運(yùn)后，在無(wú)車(chē)狀態(tài)下（模擬直流側(cè)空載）對(duì)三號(hào)線(xiàn)全線(xiàn)35 kV電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，其最大電壓值=36.5 kV;

三號(hào)線(xiàn)全線(xiàn)整流變壓器均設(shè)置在中間檔位，變比==29.7;

整流變壓器次邊輸出最大交流電壓==1.229 kV;

雙臺(tái)整流機(jī)組24脈波直流側(cè)空載輸出電壓=1.738 kV。

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(xiàn)直流1 500 V最大網(wǎng)壓值應(yīng)為1 738 V。

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

考慮夜間運(yùn)營(yíng)停運(yùn)，線(xiàn)路無(wú)車(chē)狀態(tài)下，直流負(fù)載最小，末端1 500 V網(wǎng)壓最高。在此期間對(duì)三號(hào)線(xiàn)直流1 500 V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(jiàn)表1。根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，三號(hào)線(xiàn)直流1 500 V網(wǎng)壓最高值為1 741 V，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(xiàn)直流1 500 V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(xiàn)直流1 500 V網(wǎng)壓最高為1 741 V，遠(yuǎn)低于直流越上限1 785 V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(wèn)題的主因。

3.2 車(chē)輛系統(tǒng)分析

列車(chē)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(chē)制動(dòng)時(shí)把車(chē)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(guò)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(chē)制動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)的工作方式從原來(lái)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(guò)程把列車(chē)的動(dòng)能轉(zhuǎn)成電能通過(guò)供電電網(wǎng)饋送出去進(jìn)行儲(chǔ)存或供后續(xù)列車(chē)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2所示。

列車(chē)再生制動(dòng)產(chǎn)生的電能不斷的累加，相鄰列車(chē)無(wú)法完全吸收時(shí)，會(huì)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(chē)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(guò)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3所示。

3.2.2 列車(chē)制動(dòng)過(guò)程中網(wǎng)壓變化趨勢(shì)分析

三號(hào)線(xiàn)列車(chē)采用阿爾斯通牽引系統(tǒng)，電阻制動(dòng)啟動(dòng)閾值為DC1 800 V（打開(kāi)常數(shù)為8%），全功率投入閾值為DC1 850 V（打開(kāi)常數(shù)為100%）。由此可見(jiàn)，該牽引系統(tǒng)下列車(chē)制動(dòng)過(guò)程中向電網(wǎng)反饋電能，促使供電系統(tǒng)直流1 500 V網(wǎng)壓反向上升，該過(guò)程中列車(chē)電制動(dòng)可分為三個(gè)階段：

（1）第一階段：網(wǎng)壓升高至DC1 800 V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(chē)吸收，此階段網(wǎng)壓上升率最高。

（2）第二階段：網(wǎng)壓升高至DC1 800 V～DC1 850 V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(chē)吸收，另一部分被車(chē)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DC1 850 V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(chē)載制動(dòng)電阻消耗，此階段制動(dòng)列車(chē)停止向電網(wǎng)反饋電能，網(wǎng)壓因其它啟動(dòng)列車(chē)取流開(kāi)始逐步下降。

列車(chē)電制動(dòng)過(guò)程中對(duì)直流網(wǎng)壓變化趨勢(shì)的影響如圖4所示：

3.2.3 列車(chē)制動(dòng)實(shí)際網(wǎng)壓值

運(yùn)營(yíng)高峰時(shí)段選取一列運(yùn)營(yíng)列車(chē)，統(tǒng)計(jì)列車(chē)啟、停循環(huán)過(guò)程中的牽引-制動(dòng)實(shí)際網(wǎng)壓值，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表2。根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以看出：

（1）列車(chē)正常運(yùn)行階段，網(wǎng)壓維持在DC1 580 V～DC1 620 V之間。

（2）列車(chē)再生制動(dòng)階段，網(wǎng)壓在22 s內(nèi)由DC1 621 V上升至DC1 793 V，上升率約為8 V/s。

（3）列車(chē)再生制動(dòng)+電阻制動(dòng)階段，網(wǎng)壓在31 s內(nèi)由DC1 803 V上升至DC1 820 V，上升率約為0.5 V/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(chē)在制動(dòng)過(guò)程中對(duì)網(wǎng)壓的抬升已超過(guò)1 500 V直流網(wǎng)壓越上限報(bào)警設(shè)定值DC1 785 V。

3.2.4 車(chē)輛系統(tǒng)分析結(jié)論

與一、二號(hào)線(xiàn)日立牽引系統(tǒng)相比，三號(hào)線(xiàn)電阻制動(dòng)啟動(dòng)電壓變高（一、二號(hào)線(xiàn)為DC1 720 V啟動(dòng)，DC1 800 V再生制動(dòng)完全停止，電阻制動(dòng)全功率投入），反饋到直流1 500 V供電電網(wǎng)中的再生能量較一、二號(hào)線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)的實(shí)際表象相符。

4 直流網(wǎng)壓越上限報(bào)警問(wèn)題根源

根據(jù)供電系統(tǒng)、車(chē)輛系統(tǒng)對(duì)于直流1 500 V網(wǎng)壓上升影響的分析，發(fā)現(xiàn)三號(hào)線(xiàn)出現(xiàn)直流1 500 V網(wǎng)壓升高、直流越上限頻繁報(bào)警問(wèn)題的主要原因?yàn)榱熊?chē)電制動(dòng)過(guò)程中，電阻制動(dòng)的啟動(dòng)電壓設(shè)定值較高，達(dá)到直流1 500 V供電系統(tǒng)網(wǎng)壓上限值1 800 V，全功率投入工作電壓設(shè)定值更是達(dá)到了1 850 V，此參數(shù)設(shè)置下列車(chē)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（DC1 785 V）。

5 電阻制動(dòng)啟動(dòng)電壓對(duì)于地鐵節(jié)能的影響

列車(chē)電阻制動(dòng)啟動(dòng)電壓設(shè)置過(guò)高，是引發(fā)直流網(wǎng)壓越上限報(bào)警問(wèn)題的根源所在，調(diào)低啟動(dòng)電壓值是否為最理想的解決報(bào)警問(wèn)題的方案？以下重點(diǎn)從電阻制動(dòng)啟動(dòng)電壓對(duì)于地鐵節(jié)能的影響方面做進(jìn)一步分析。

5.1 電阻制動(dòng)啟動(dòng)電壓對(duì)于列車(chē)再生制動(dòng)能量大小的影響

電阻制動(dòng)啟動(dòng)電壓越高，列車(chē)電制動(dòng)反饋電網(wǎng)的能量就越大，對(duì)于廣泛采用再生制動(dòng)功能的列車(chē)來(lái)說(shuō)，越有利于吸收此部分能量，達(dá)到牽引節(jié)能的效果，此結(jié)論的提出，主要基于以下兩方面考慮：

（1）電位差的存在更有利于電能的傳導(dǎo)。電阻制動(dòng)啟動(dòng)電壓越高，列車(chē)再生制動(dòng)過(guò)程中，促使網(wǎng)壓抬升越高，此時(shí)再生制動(dòng)列車(chē)電能輸出點(diǎn)的網(wǎng)壓高于臨近牽引列車(chē)取流點(diǎn)的網(wǎng)壓，兩者之間形成的電位差，更加有利于電能的傳導(dǎo)，提高了再生制動(dòng)能量被臨近列車(chē)吸收的概率。

（2）電阻制動(dòng)工作時(shí)間越長(zhǎng)再生制動(dòng)能量吸收量越小。降低電阻制動(dòng)的啟動(dòng)電壓，無(wú)形中延長(zhǎng)了電阻制動(dòng)的工作時(shí)間，此時(shí)列車(chē)再生制動(dòng)的能量將更多地被電阻消耗，大大降低了被臨近牽引列車(chē)的吸收量，從而加大直流牽引供電系統(tǒng)的輸出功率，不利于牽引節(jié)能。

國(guó)內(nèi)相關(guān)研究結(jié)果表明，車(chē)載制動(dòng)電阻啟動(dòng)電壓值由1 800 V下調(diào)至1 750 V，列車(chē)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%。根據(jù)西安地鐵實(shí)際數(shù)據(jù)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)三號(hào)線(xiàn)在高架線(xiàn)路爬坡較多、列車(chē)采用四動(dòng)兩拖的運(yùn)行工況下，其平均每列公里牽引能耗比一、二號(hào)線(xiàn)全地下站、列車(chē)采用三動(dòng)三拖的平均牽引能耗低1.1%，每年節(jié)省的牽引用電量可達(dá)到60萬(wàn)度左右。

5.2 電阻制動(dòng)啟動(dòng)電壓對(duì)于地鐵隧道溫度的影響

電阻制動(dòng)啟動(dòng)電壓越低，制動(dòng)電阻的投切時(shí)間越長(zhǎng)，電阻發(fā)熱量越大，產(chǎn)生的高溫會(huì)進(jìn)一步加大隧道及站臺(tái)的環(huán)境溫度，車(chē)站通風(fēng)空調(diào)設(shè)備的工作功率將隨之增加，由此可加大車(chē)站的動(dòng)力能耗，造成一定的電能浪費(fèi)。

6 問(wèn)題解決方案

降低列車(chē)電阻制動(dòng)的啟動(dòng)電壓值，可以有效緩解直流網(wǎng)壓越上限頻繁報(bào)警問(wèn)題，但是由此所犧牲的巨大節(jié)能潛力，在目前行業(yè)能源消耗不斷加劇，節(jié)能降耗工作現(xiàn)狀不容樂(lè)觀(guān)的客觀(guān)現(xiàn)實(shí)下，是不應(yīng)被忽視的。相反，系統(tǒng)中設(shè)置的直流網(wǎng)壓越上限報(bào)警功能，僅為綜合監(jiān)控系統(tǒng)自身配備的一種輔助預(yù)警功能，非列車(chē)和供電設(shè)備的主保護(hù)，一旦網(wǎng)壓抬升，列車(chē)高速斷路器分閘并牽引封鎖，能夠安全保護(hù)車(chē)輛設(shè)備，供電牽引整流機(jī)組的逆流保護(hù)同樣能夠有效防止整流器二極管反向擊穿。同時(shí)過(guò)多的報(bào)警信息對(duì)于電力調(diào)度正常監(jiān)控干擾較大，且報(bào)警均為瞬間恢復(fù)，無(wú)法制定有效的人員現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)對(duì)措施，報(bào)警作用體現(xiàn)不明顯，必要性不強(qiáng)，據(jù)了解，目前國(guó)內(nèi)多數(shù)地鐵線(xiàn)路中也并未設(shè)置該報(bào)警功能。因此，直流網(wǎng)壓越上限報(bào)警功能無(wú)論從必要性或是安全性上，對(duì)于保障地鐵設(shè)備的正常運(yùn)行意義不大，在充分考慮地鐵節(jié)能的前提下，取消該報(bào)警功能不失為一種簡(jiǎn)單有效的問(wèn)題解決方案。

7 結(jié)語(yǔ)

本文在分析西安地鐵三號(hào)線(xiàn)直流網(wǎng)壓越上限頻繁報(bào)警問(wèn)題的過(guò)程中，引發(fā)了電阻制動(dòng)啟動(dòng)電壓對(duì)于地鐵節(jié)能影響的思考并加以論證，最終在不影響設(shè)備安全運(yùn)行且有利于地鐵節(jié)能的前提下，提出了網(wǎng)壓越上限報(bào)警問(wèn)題的最優(yōu)解決方案，同時(shí)也對(duì)城市軌道交通設(shè)計(jì)過(guò)程中提出了以下建議：

（1）電阻制動(dòng)啟動(dòng)電壓的高低，對(duì)于地鐵節(jié)能影響較大，具體設(shè)置的閾值，需車(chē)輛、供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)共同研究確認(rèn)，避免出現(xiàn)關(guān)聯(lián)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定不匹配問(wèn)題。

（2）隧道風(fēng)機(jī)、車(chē)站通風(fēng)空調(diào)設(shè)備容量設(shè)計(jì)過(guò)程中，需將列車(chē)電阻制動(dòng)啟動(dòng)電壓對(duì)于車(chē)站及隧道環(huán)境溫度的影響考慮在內(nèi)。

（3）電阻制動(dòng)啟動(dòng)電壓、行車(chē)間隔以及列車(chē)再生制動(dòng)能量吸收效率三者之間的關(guān)系研究，對(duì)于列車(chē)牽引節(jié)能意義重大，建議城市軌道交通項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段進(jìn)行重點(diǎn)研究。

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