高速鐵路接觸網(wǎng)跳閘后故障排查優(yōu)化方案

楊國柱，劉巖，智利軍，武鑫，孔慶瑋

（1.中國國家鐵路集團(tuán)有限公司 運輸調(diào)度指揮中心，北京 100844；2.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 電子計算技術(shù)研究所，北京 100081）

1 接觸網(wǎng)跳閘影響分析

1.1 高速鐵路供電系統(tǒng)特點

高速鐵路供電系統(tǒng)與其他供電系統(tǒng)相比，在用途、可靠性及供電方式等方面有顯著特點。在用途方面，高速鐵路供電系統(tǒng)為動車組列車供電，與其他供電系統(tǒng)最大區(qū)別在于供電負(fù)荷為移動負(fù)荷；在供電可靠性方面，高速鐵路牽引供電系統(tǒng)需不間斷、無差別地為多組動車組保障可靠供電，可靠性要求極高；在供電方式方面，高速鐵路牽引供電系統(tǒng)具有獨特的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，牽引變電所為供電臂提供唯一電源，供電臂采用全并聯(lián)單邊供電［1］。

高速鐵路接觸網(wǎng)跳閘為常見故障。通常情況下，接觸網(wǎng)跳閘后供電設(shè)備有自動重合功能。高速鐵路在運營過程中遇有接觸網(wǎng)跳閘時，牽引供電系統(tǒng)可實現(xiàn)故障診斷、預(yù)警及自愈重構(gòu)等功能［2-3］，自愈控制模式分為故障預(yù)防和故障自愈［4］。在故障預(yù)防方面，牽引供電系統(tǒng)通過對牽引變壓器和高壓設(shè)備進(jìn)行智能化升級，并采用故障預(yù)測與接觸網(wǎng)6C檢測［5］等手段，實現(xiàn)變電設(shè)備和接觸網(wǎng)的故障預(yù)警、故障快速診斷。針對可恢復(fù)性故障，變電設(shè)備通過切換主備開關(guān)實現(xiàn)設(shè)備切換。牽引變壓器、自耦變壓器均采用固定冷備用方式，牽引變電所通常引入2回獨立電源進(jìn)線且采用熱備用方式，因可恢復(fù)性故障造成牽引變電所、分區(qū)所的斷路器跳閘時，通過備用進(jìn)線自動投入裝置，可實現(xiàn)快速切換至備用設(shè)備并恢復(fù)供電［6］。

1.2 接觸網(wǎng)跳閘后故障排查方案

目前條件下，在高速鐵路接觸網(wǎng)跳閘后的應(yīng)急處置中，接觸網(wǎng)端的故障基本可以快速鎖定，對于動車組端的故障排查則需要制定合理的優(yōu)化方案。

若自動重合成功，供電部門根據(jù)故障指示標(biāo)定裝置顯示的地點（簡稱故標(biāo)地點）結(jié)合接觸網(wǎng)6C等檢測手段確定跳閘影響范圍，及時將接觸網(wǎng)跳閘情況和行車限制條件通知列車調(diào)度員。列車調(diào)度員按規(guī)定告知本線及鄰線后續(xù)首列在故標(biāo)地點前后各2 km限速80 km/h運行。司機(jī)在該范圍內(nèi)注意接觸網(wǎng)狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)異常及時匯報列車調(diào)度員按規(guī)定進(jìn)行處置。該情況對動車組運行影響不大，正常情況下動車組終到晚點可控制在10 min之內(nèi)。

若自動重合失敗，需要供電部門進(jìn)行人工合閘送電，在人工送電前，組織該供電臂范圍內(nèi)動車組全部降弓。如送電失敗，重點檢查接觸網(wǎng)設(shè)備；如送電成功，故障可能發(fā)生在接觸網(wǎng)端（如雷擊、樹枝侵限等）和動車組端（車內(nèi)或高壓部位接地等）。接觸網(wǎng)自動重合失敗處置流程見圖1。

圖1 接觸網(wǎng)跳閘自動重合失敗處置流程

在接觸網(wǎng)跳閘自動重合失敗的情況下，列車調(diào)度員在應(yīng)急處置過程中排查故障時，需要通知停電范圍內(nèi)所有動車組均先降弓，并將其他動車組控制在影響范圍之外，然后按流程通過試送電進(jìn)行排查，如確定為動車組故障，在人工合閘送電成功后，需要逐列排查，影響動車組晚點時間較長。近年來在個別案例中還發(fā)生了在帶電升弓排查過程中，因動車組車內(nèi)高壓接地部位故障等原因造成接觸網(wǎng)斷線，故障影響擴(kuò)大。在調(diào)度指揮中，特別是在京廣高鐵、京滬高鐵等繁忙干線上，此類情況往往會導(dǎo)致動車組大面積晚點，增加了應(yīng)急處置和調(diào)整運行秩序的難度。

1.3 案例分析及存在不足

1.3.1 案例分析

近年來接觸網(wǎng)故障排查典型案例分析見表1。

表1 近年來接觸網(wǎng)故障排查典型案例分析

由表1中案例不難看出，調(diào)度應(yīng)急處置中遇有動車組升弓排查時，需組織跳閘供電臂內(nèi)所有動車組逐列升弓進(jìn)行排查，因設(shè)備原因，目前動車組電流互感器至受電弓間的部位不具備故障檢測功能，當(dāng)該部位發(fā)生接地故障而未采取有效措施，實際運營過程中往往與大風(fēng)、霧閃、冰雪天氣等不良天氣因素耦合，在接觸網(wǎng)有電狀態(tài)下升弓，極易導(dǎo)致接觸網(wǎng)斷線，導(dǎo)致故障影響時間長、恢復(fù)難度大。

1.3.2 存在不足及改造

（1）CRH1A-A、CRH3A/3C/5A、CRH380B/C/D、CR400AF/BF平臺動車組高壓無法自動識別高壓母線接地故障位置及所在單元，存在因未能準(zhǔn)確隔離故障單元，再次升弓后直接導(dǎo)致高壓接地造成嚴(yán)重后果。此外，受電弓至網(wǎng)側(cè)電流互感器CT1區(qū)域均無接地檢測功能。

（2）CRH2A、CRH380A、CRH6A平臺短編組動車組無法準(zhǔn)確定位高壓母線接地故障所在單元，存在因未能準(zhǔn)確隔離故障單元，再次升弓后直接導(dǎo)致高壓接地造成嚴(yán)重后果，且受電弓至網(wǎng)側(cè)電流互感器CT1區(qū)域無接地檢測功能。

（3）不同動車組平臺下高壓系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)略有不同，但受電弓至網(wǎng)側(cè)電流互感器CT1間無接地檢測（裝備車頂絕緣檢測裝置除外）是各平臺共有的缺陷，同時部分車型無法實現(xiàn)高壓母線或故障單元的識別與隔離，因而在接觸網(wǎng)發(fā)生上述幾種情況時，因動車組帶電升弓排查導(dǎo)致接觸網(wǎng)斷線，故障影響擴(kuò)大。

針對以上問題，中國國家鐵路集團(tuán)有限公司（簡稱國鐵集團(tuán)）組織各鐵路局集團(tuán)公司對現(xiàn)有動車組和新造動車組進(jìn)行設(shè)備改進(jìn)，通過在高壓部分加裝保護(hù)裝置進(jìn)行優(yōu)化。按照高壓系統(tǒng)改造方案，新造車已實施高壓保護(hù)功能，總體思路為：針對主斷路器前端高壓設(shè)備出現(xiàn)接地故障后避免熔網(wǎng)的保護(hù)邏輯，利用變電所跳閘后二次合閘間隙實現(xiàn)動車組快速降弓［7］。

以CR400BF動車組接地故障改造方案為例：在高壓隔離開關(guān)后端新增檢測非升弓單元接地故障的電流互感器CT4，通過過流繼電器、高壓控制單元和中央控制單元（CCU）實現(xiàn)網(wǎng)側(cè)過流保護(hù)、升弓單元及非升弓單元接地定位、牽引變壓器過流和接地保護(hù)。CR400BF動車組改造后拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 CR400BF動車組改造后拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2 引入冷升弓進(jìn)行應(yīng)急處置

2.1 冷升弓原理

在接觸網(wǎng)帶電情況下升弓排查故障動車組時，如動車組高壓設(shè)備故障接地，受電弓在升弓過程中，與有負(fù)載的接觸網(wǎng)導(dǎo)線接觸前瞬間會出現(xiàn)拉弧現(xiàn)象，極易誘發(fā)高溫熔網(wǎng)，導(dǎo)致接觸網(wǎng)斷線。冷升弓是指在電氣化鐵路運營中，遇有接觸網(wǎng)跳閘自動重合失敗時，供電臂內(nèi)動車組按規(guī)定全部降弓，人工試送電成功后，采用接觸網(wǎng)停電、動車組升弓、再送電的方式。采用冷升弓方式，受電弓與無負(fù)載的接觸網(wǎng)導(dǎo)線接觸后再送電，接觸網(wǎng)直接跳閘，避免拉弧的發(fā)生，可有效防止接觸網(wǎng)斷線事故發(fā)生，提高應(yīng)急處置效率［8-9］。引入冷升弓后的處置流程見圖3。

圖3 引入冷升弓后的處置流程

2.2 帶電升弓與冷升弓優(yōu)劣對比

采用冷升弓方式雖然可有效防止故障擴(kuò)大，但需要多次反復(fù)停電升弓再送電，因此該方式的缺點是處置時間較長。帶電升弓和冷升弓的優(yōu)劣對比見表2。

表2 帶電升弓和冷升弓的優(yōu)劣對比

3 分工況優(yōu)化應(yīng)急處置

3.1 明確排查場景

不同平臺的存量車需結(jié)合《鐵路動車組運用維修規(guī)程》及其版本升級逐步改造完成，部分車型不具備改造條件，只能維持現(xiàn)狀。因此，采用冷升弓方式進(jìn)行動車組故障排查或故障單元確認(rèn)仍具有現(xiàn)實意義。實際案例統(tǒng)計顯示，動車組高壓部位故障導(dǎo)致跳閘在總體跳閘中占比較小，但破壞性較大，如果與大風(fēng)、雨雪天氣等不利因素耦合，極易導(dǎo)致斷網(wǎng)事故；而完全按照冷升弓方式排查又會增加列車調(diào)度員與供電調(diào)度員作業(yè)環(huán)節(jié)，并導(dǎo)致應(yīng)急處置時間延長，不利于運行秩序的恢復(fù)。利用既有設(shè)備功能，明確排查場景對提高應(yīng)急處置的效率具有重要作用。

對接觸網(wǎng)跳閘場景進(jìn)行區(qū)分，結(jié)合動車組故障單元與高壓保護(hù)功能，通過故障代碼、受電弓視頻回放、外觀檢查、車型技術(shù)特點綜合研判，充分利用動車組冗余設(shè)備，在排查過程中，按不同場景進(jìn)行細(xì)化，一是判明是否需要冷升弓排查，二是在冷升弓排查過程中根據(jù)不同場景判明是否需要逐列冷升弓，實現(xiàn)既不放過故障又不顯著增加作業(yè)目標(biāo)，以提高應(yīng)急處置效率。

3.2 工況分析及方案選擇

接觸網(wǎng)跳閘自動重合成功時，首列限速通過后無異?；謴?fù)正常行車。具備快速降弓功能的動車組，可通過視頻或外觀檢查，不侵限時，換弓運行；不具備車頂絕緣檢測裝置的，必須使用原受電弓時，需進(jìn)行冷升弓驗證。接觸網(wǎng)跳閘自動重合失敗時，分工況排查流程見圖4。

圖4 分工況排查流程

分工況排查就是全部降弓后進(jìn)行人工試送電，如送電失敗，可確定為接觸網(wǎng)故障。如送電成功，判斷是否為過負(fù)荷、F線等原因，供電部門確定為過負(fù)荷或F線原因時組織動車組恢復(fù)正常行車；非過負(fù)荷、F線原因跳閘時，可確定為動車組故障導(dǎo)致跳閘［10］，根據(jù)動車組故障代碼、受電弓視頻回放、外觀檢查及車型特點研判，后續(xù)根據(jù)實際場景采取換弓維持運行、冷升弓排查、救援等措施，具體如下：

（1）根據(jù)故障代碼判斷動車組電流互感器至車頂間的部位接地時，不再排查其他動車組，可直接定位故障單元并對該單元進(jìn)行高壓隔離，動車組維持運行；如無法直接定位故障單元但可采取高壓隔離時，可分別隔離高壓單元進(jìn)行冷升弓排查，將動車組故障單元隔離之后維持運行。

（2）通過受電弓視頻或外觀檢查發(fā)現(xiàn)異狀時，不再排查其他動車組，如有侵限需登頂處理時，動車組高壓部位故障且可隔離的，隔離后維持運行，高壓部位故障且不可隔離的，通過冷升弓方式排查。冷升弓排查無異常時，組織動車組正常運行，冷升弓排查送電仍跳閘時，根據(jù)申請及時組織救援。

（3）無上述異常情況，但動車組報網(wǎng)壓中斷或網(wǎng)壓異常故障（網(wǎng)壓過高除外）時，對供電臂內(nèi)所有動車組（具備車頂絕緣檢測裝置可不排查）通過冷升弓方式排查。在人工試送成功后，采用接觸網(wǎng)停電、全部動車組升弓（具備高壓系統(tǒng)隔離功能的動車組可在

升弓前采取隔離措施，但未進(jìn)行排查的高壓單元在運用前需進(jìn)行冷升弓驗證）、再送電方式，再次發(fā)生跳閘的，逐列冷升弓排查，確定故障動車組，確定故障動車組后，其余動車組可不排查。故障動車組高壓設(shè)備可隔離的，分別隔離不同單元并通過冷升弓方式排查，將故障單元隔離后維持運行，高壓設(shè)備不可隔離的，根據(jù)申請及時組織救援。

4 結(jié)束語

高速鐵路動車組運行速度高、行車密度大，隨著乘客對出行正點率要求提高，遇接觸網(wǎng)跳閘自動重合失敗時，在排除供電系統(tǒng)故障后，通過冷升弓、加裝動車組高壓檢測保護(hù)裝置可有效避免因動車組高壓部位接地故障盲目升弓導(dǎo)致弓網(wǎng)間拉弧燒斷接觸網(wǎng)導(dǎo)線的發(fā)生，通過細(xì)化優(yōu)化排查方案，根據(jù)現(xiàn)場實際情況結(jié)合受電弓視頻回放等技術(shù)手段分工況進(jìn)行高效應(yīng)急處置，合理規(guī)避因冷升弓導(dǎo)致故障排查時間長的缺點，以最小代價盡快排查出故障原因，盡快恢復(fù)供電，恢復(fù)正常行車，從而降低接觸網(wǎng)跳閘對高速鐵路運行秩序的干擾，提高高速鐵路應(yīng)急處置效率和運輸效益，提升旅客的出行體驗。