軌道交通系統(tǒng)中非電量保護(hù)誤動(dòng)作的原因分析與改進(jìn)策略研究

關(guān)鍵詞：非電量保護(hù)；誤動(dòng)作；軌道交通；供電系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：U231.8 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1671-0797（2025）13-0067-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.13.017

0 引言

軌道交通因其高效、準(zhǔn)時(shí)的優(yōu)點(diǎn)在市民出行過程中扮演著非常重要的角色，作為現(xiàn)代城市發(fā)展的動(dòng)脈系統(tǒng)，軌道交通的安全運(yùn)營(yíng)直接關(guān)乎市民的出行安全，因此其供電系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行越來越受到公司的關(guān)注。軌道交通供電系統(tǒng)不僅要為電客車提供源源不斷的牽引電源，還要兼顧車站正常運(yùn)轉(zhuǎn)的低壓供電需求。

供電設(shè)備保護(hù)裝置是供電系統(tǒng)的24h衛(wèi)士，它時(shí)刻監(jiān)測(cè)著供電系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。在眾多供電保護(hù)機(jī)制中，非電量保護(hù)系統(tǒng)因其獨(dú)特的預(yù)警功能，正逐漸成為保障運(yùn)營(yíng)安全的關(guān)鍵防線。非電量保護(hù)主要負(fù)責(zé)監(jiān)控供電系統(tǒng)中的溫度、壓力、距離等非電參數(shù)，這些數(shù)據(jù)的變化一旦超出保護(hù)定值，非電量保護(hù)便會(huì)觸發(fā)報(bào)警或跳閘，因此非電量保護(hù)的準(zhǔn)確性和可靠性對(duì)軌道交通供電系統(tǒng)來說非常重要。

近幾年，非電量保護(hù)系統(tǒng)出現(xiàn)了不少誤動(dòng)作的問題，比如變壓器的SF6低氣壓跳閘、瓦斯保護(hù)跳閘[1]和超溫跳閘誤動(dòng)，這些問題導(dǎo)致了不必要的停電或列車停運(yùn)，不僅增加了維護(hù)成本，還會(huì)導(dǎo)致乘客滯留和運(yùn)輸效率下降。因此，深入研究非電量保護(hù)誤動(dòng)作的原因，并提出有效的改進(jìn)措施變得非常重要，其能夠提升軌道交通供電系統(tǒng)的安全性和可靠性，從而保障軌道運(yùn)輸?shù)母咝Ш桶踩\(yùn)行。

1 案例概述

近年來頻發(fā)的誤動(dòng)作現(xiàn)象嚴(yán)重威脅了非電量保護(hù)機(jī)制的可信度。針對(duì)行業(yè)內(nèi)非電量保護(hù)誤動(dòng)作的情況展開調(diào)研，發(fā)現(xiàn)幾起典型的設(shè)備誤動(dòng)作，具體如下：

1）常州地鐵2019年6月29日至9月8日期間，因SF6低氣壓表計(jì)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)問題造成 35kV 開關(guān)柜SF低氣壓誤報(bào)警14次，低氣壓誤跳閘6次， 35kV 進(jìn)出線開關(guān)柜跳閘影響范圍較廣。

2）蘇州地鐵新家橋站1#整流變溫控儀因凝露造 成溫控器內(nèi)超溫跳閘硬接點(diǎn)短接，觸發(fā)超溫跳閘誤 動(dòng)作。

3）武漢地鐵某站因鉑熱電阻故障，導(dǎo)致溫度測(cè)量錯(cuò)誤，進(jìn)而觸發(fā)超溫跳閘誤動(dòng)作。

4）廣州地鐵四號(hào)線因溫控器內(nèi)部節(jié)點(diǎn)松動(dòng)，在振動(dòng)的作用下接觸電阻增大，導(dǎo)致測(cè)量誤差增大，進(jìn)而引起超溫跳閘誤動(dòng)作。

5）南通地鐵2023年8月20日振興路站212斷路器小車跳閘，1A15供電分區(qū)單邊供電，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)搶修人員檢查，故障原因?yàn)镈IO模塊X-101/J3模塊故障，導(dǎo)致在運(yùn)行過程中小車位置信號(hào)丟失，觸發(fā)斷路器跳閘。

2 理論基礎(chǔ)

2.1非電量保護(hù)的基本原理

供電系統(tǒng)非電量保護(hù)主要是用來監(jiān)測(cè)一些非電信號(hào)，比如溫度、壓力、距離等非電參數(shù)，然后把這些信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)進(jìn)行處理。這些信號(hào)經(jīng)過放大、過濾和對(duì)比后，會(huì)和預(yù)設(shè)的保護(hù)定值做比較。如果某個(gè)信號(hào)超出保護(hù)定值，保護(hù)系統(tǒng)就會(huì)啟動(dòng)，通過輔助觸點(diǎn)觸發(fā)保護(hù)報(bào)警或跳閘。從技術(shù)原理層面分析，非電量保護(hù)系統(tǒng)的工作流程可分為三個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)：

1）通過鉑熱電阻、壓力變送器等裝置實(shí)現(xiàn)物理信號(hào)轉(zhuǎn)換；

2）對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行噪聲過濾、信號(hào)放大、閾值比對(duì)等數(shù)字化處理；

3）通過硬接點(diǎn)觸發(fā)保護(hù)動(dòng)作，具體回路如圖1所示。

是，這些數(shù)據(jù)并非單純來自既有的運(yùn)行日志，還有故障分析報(bào)告，其包含誤動(dòng)作發(fā)生的時(shí)間點(diǎn)、頻率分布以及環(huán)境條件（比如溫度、濕度、電磁干擾）和設(shè)備狀態(tài)（比如老化程度、運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)）等相關(guān)信息，本項(xiàng)目組重點(diǎn)提取了以下特征維度：

1）季節(jié)性特征：分析歷年換季時(shí)段（溫度驟變期）設(shè)備出現(xiàn)異常峰值；2）環(huán)境特征：分析同一設(shè)備在雨季及干燥期不同設(shè)備房濕度情況下的設(shè)備故障率；3）設(shè)備衰退特征：分析設(shè)備自投運(yùn)以來的故障率，更精準(zhǔn)反映設(shè)備老化時(shí)的故障率。

上述三個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)中每個(gè)環(huán)節(jié)都存在引發(fā)誤動(dòng)作的潛在風(fēng)險(xiǎn)，以廣州地鐵四號(hào)線溫控器節(jié)點(diǎn)松動(dòng)為例，機(jī)械振動(dòng)導(dǎo)致接觸電阻變大，經(jīng)過信號(hào)放大后產(chǎn)生超過設(shè)定閾值的測(cè)量偏差，進(jìn)而引發(fā)設(shè)備跳閘。

2.2供電系統(tǒng)非電量保護(hù)配置情況

供電系統(tǒng)保護(hù)分為電量保護(hù)和非電量保護(hù)，電量保護(hù)為電流型保護(hù)，如過流、零序、過負(fù)荷，非電量保護(hù)包括瓦斯保護(hù)、超溫報(bào)警及跳閘、變壓器開門跳閘、低氣壓報(bào)警及跳閘、1500V手車位置故障跳閘等。以非電量保護(hù)中的 SF₆ 低氣壓跳閘誤動(dòng)作為例，具體非電量保護(hù)回路如圖1所示。 35kV 開關(guān)柜SF低氣壓跳閘期間會(huì)造成單站或多站 400V 一、二級(jí)負(fù)荷電源短時(shí)切換，三級(jí)負(fù)荷電源停電，車站會(huì)出現(xiàn)不同程度的電扶梯停梯、廣告照明停電、冷水機(jī)組停機(jī)現(xiàn)象，其中電扶梯停梯會(huì)對(duì)運(yùn)營(yíng)安全造成一定的影響。

3 研究方法

作為長(zhǎng)期扎根軌道交通一線的研究者，筆者發(fā)現(xiàn)非電量保護(hù)系統(tǒng)的誤動(dòng)作問題存在顯著的“灰箱效應(yīng)”。在近兩年的實(shí)地跟蹤中，研究團(tuán)隊(duì)采用動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)捕獲技術(shù)，創(chuàng)新性地構(gòu)建了多維分析框架。需要特別指出的是，在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試經(jīng)歷中，筆者深刻體會(huì)到設(shè)備離散性對(duì)系統(tǒng)可靠性的影響遠(yuǎn)超理論預(yù)期，這個(gè)發(fā)現(xiàn)促使本項(xiàng)目組重新審視傳統(tǒng)分析方法。

3.1 數(shù)據(jù)采集與特征提取

研究團(tuán)隊(duì)通過三個(gè)季度的時(shí)間，整合了國(guó)內(nèi)六個(gè)城市軌道交通供電系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)。值得注意的

3.2 分析方法的革新實(shí)踐

在數(shù)據(jù)處理階段，本項(xiàng)目組突破傳統(tǒng)單維度分析范式，構(gòu)建了混合分析模型：

1）基于Spearman等級(jí)相關(guān)性的非線性分析顯示，電磁干擾強(qiáng)度與誤動(dòng)率存在顯著正相關(guān) （ρ=0.82） ·2）改進(jìn)型故障樹分析引入模糊邏輯算法，成功量化了多重因素耦合作用下的風(fēng)險(xiǎn)概率；3）根本原因追溯過程中，本項(xiàng)目組意外發(fā)現(xiàn)約15% 的誤動(dòng)作案例存在設(shè)計(jì)參數(shù)與實(shí)際工況不匹配問題，這一發(fā)現(xiàn)對(duì)后續(xù)改進(jìn)具有重要啟示。

3.3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

考慮到實(shí)驗(yàn)室模擬的局限性，本項(xiàng)目組特別設(shè)計(jì)了漸進(jìn)式驗(yàn)證方案：

1）環(huán)境模擬子系統(tǒng)：采用PID溫控裝置實(shí)現(xiàn)±0.5°C 波動(dòng)精度，電磁干擾源嚴(yán)格參照IEC61000-4標(biāo)準(zhǔn)；2）設(shè)備老化模擬：通過加速老化試驗(yàn)（ASTMF1980）構(gòu)建三類樣本，其中重度老化組引入可控?fù)p傷機(jī)制；3）改進(jìn)措施驗(yàn)證：采取雙盲測(cè)試設(shè)計(jì)，在三個(gè)改進(jìn)周期內(nèi)逐步引入抗干擾算法優(yōu)化方案。

值得關(guān)注的是，實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)冗余檢測(cè)通道的增設(shè)并非線性提升可靠性，當(dāng)冗余度超過三通道時(shí)反而會(huì)引發(fā)信號(hào)競(jìng)爭(zhēng)問題。

3.4 研究局限與改進(jìn)方向

盡管研究取得階段性成果，仍存在以下三個(gè)亟待突破的瓶頸：

1）數(shù)據(jù)時(shí)效性問題：既有故障案例庫更新周期

較長(zhǎng)，難以捕捉最新型保護(hù)裝置的異常模式；

2）環(huán)境模擬偏差：實(shí)驗(yàn)室難以完全復(fù)現(xiàn)道岔區(qū)段的復(fù)合振動(dòng)譜特性；

3）經(jīng)濟(jì)性評(píng)估缺失：改進(jìn)方案的成本效益分析尚未形成完整模型。

4結(jié)果分析

從多個(gè)角度對(duì)80起設(shè)備故障現(xiàn)象進(jìn)行詳細(xì)分析，發(fā)現(xiàn)非電量保護(hù)系統(tǒng)發(fā)生誤動(dòng)作主要有四個(gè)原因：設(shè)備老化、外部環(huán)境干擾、設(shè)計(jì)缺陷和維護(hù)不足，具體故障占比如圖2所示。針對(duì)這些問題，下文提出了改進(jìn)方法。

4.1 設(shè)備老化

長(zhǎng)期服役設(shè)備（特別是超過設(shè)計(jì)壽命的器件）呈現(xiàn)出典型的失效特征：傳感器非線性誤差累積導(dǎo)致特征曲線畸變、接觸界面電化學(xué)腐蝕引發(fā)阻抗突變現(xiàn)象。例如傳感器會(huì)因?yàn)殚L(zhǎng)期使用出現(xiàn)測(cè)量不準(zhǔn)的情況，比如零點(diǎn)漂移；溫度補(bǔ)償曲線也會(huì)失效，無法準(zhǔn)確反映溫度變化，還會(huì)引發(fā)接觸不良或線路腐蝕等問題[3]，這類故障會(huì)導(dǎo)致電路異常，進(jìn)而引發(fā)誤跳閘。

4.2 外部環(huán)境干擾

供電系統(tǒng)通常處于復(fù)雜的運(yùn)行環(huán)境中，高溫高濕的環(huán)境會(huì)讓設(shè)備元件加速老化，誤動(dòng)率比正常條件下會(huì)有所增加。具體表現(xiàn)為：

1）極端的溫度會(huì)導(dǎo)致傳感器靈敏度下降，或者讓材料發(fā)生形變；

2）過高的濕度會(huì)導(dǎo)致設(shè)備絕緣性能下降，甚至影響硬接點(diǎn)的開路狀態(tài)[4]；

3）軌道交通中設(shè)備產(chǎn)生的強(qiáng)電磁場(chǎng)會(huì)導(dǎo)致保護(hù)系統(tǒng)錯(cuò)誤觸發(fā)故障[5]。

在變電所設(shè)備數(shù)據(jù)分析中，本項(xiàng)目組發(fā)現(xiàn)環(huán)境濕度對(duì)保護(hù)裝置的影響被嚴(yán)重低估。變電所設(shè)備房因環(huán)境濕度問題造成的誤動(dòng)作情況涉及多個(gè)重點(diǎn)設(shè)備，比如變壓器溫控器、SVG模塊、直流開關(guān)柜等，甚至有的柜內(nèi)出現(xiàn)了凝露現(xiàn)象。這些問題不僅會(huì)單獨(dú)影響供電系統(tǒng)的可靠性，還會(huì)因?yàn)槎喾N因素疊加（比如溫度和濕度變化同時(shí)發(fā)生）而導(dǎo)致誤動(dòng)作風(fēng)險(xiǎn)顯著增加。因此，在設(shè)計(jì)非電量保護(hù)系統(tǒng)時(shí)需要考慮環(huán)境因素，并采取相應(yīng)的抗干擾措施，比如設(shè)置冗余檢測(cè)通道、增加柜內(nèi)干燥措施等。

4.3 設(shè)計(jì)缺陷

一些裝置的非電量保護(hù)在設(shè)計(jì)上不夠完善，比如通過行程開關(guān)判斷1500V手車位置故障，回路接點(diǎn)較多，誤動(dòng)作的可能性非常大，這些設(shè)計(jì)問題會(huì)導(dǎo)致保護(hù)裝置無法正確識(shí)別故障狀態(tài)，從而引發(fā)誤動(dòng)作。

4.4 維護(hù)不足

除上述因素外，操作人員的認(rèn)知偏差同樣不容忽視。多數(shù)維護(hù)人員仍將非電量保護(hù)視為“黑箱系統(tǒng)”，這種認(rèn)知也導(dǎo)致日常巡檢流于形式。另外，維護(hù)不足和設(shè)計(jì)缺陷之間還會(huì)產(chǎn)生疊加效應(yīng)，比如說，如果設(shè)計(jì)本身就有缺陷（比如傳感器布局不合理），而維護(hù)又不到位（比如校準(zhǔn)周期延長(zhǎng)、檢查力度減弱），問題就會(huì)被進(jìn)一步放大，造成不必要的設(shè)備誤動(dòng)作。

5 改進(jìn)策略

針對(duì)上述問題造成的非電量保護(hù)誤動(dòng)作問題，可以從以下三個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化：

1）可以采用優(yōu)化設(shè)計(jì)、提高抗干擾能力、增加備用措施以及加強(qiáng)日常維護(hù)等方法，這些改進(jìn)措施能大幅減少誤動(dòng)作的發(fā)生。比如在優(yōu)化保護(hù)邏輯設(shè)計(jì)的措施方面，部分地鐵先后取消了 35kV 開關(guān)柜SF6低氣壓跳閘功能，保留報(bào)警功能，部分地鐵變壓器溫控器增加了超溫的判據(jù)，部分地鐵1500V手車位置故障跳閘改為報(bào)警等等。

2）另外，還要加強(qiáng)維修人員的培訓(xùn)和教育，提高其對(duì)于設(shè)備結(jié)構(gòu)和故障診斷的熟悉程度。通過模擬故障演練和實(shí)際操作培訓(xùn)，提升維修人員的故障處理能力和維修效率。

3）結(jié)合設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)和歷史故障記錄，定期對(duì)設(shè)備進(jìn)行全面的檢查和維護(hù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理潛在的故障隱患。

4）關(guān)注設(shè)備房的溫濕度狀態(tài)，必要時(shí)增加一些開關(guān)柜的防潮措施，對(duì)濕度較大的設(shè)備房需重點(diǎn)關(guān)注其設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，必要時(shí)可縮短檢修周期。

6 結(jié)束語

本文通過深入研究軌道交通供電系統(tǒng)中非電量保護(hù)誤動(dòng)作的材料，整理了很多導(dǎo)致這種問題的關(guān)鍵原因，并提出了相應(yīng)的改進(jìn)策略。這些解決方法不僅在理論上站得住腳，在實(shí)際操作中也很實(shí)用。如果能落實(shí)這些改進(jìn)措施，可以有效減少誤動(dòng)作的發(fā)生，讓整個(gè)軌道交通系統(tǒng)的運(yùn)行更加安全和可靠。

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