不停電倒閘縱聯有載裝置在地鐵供電系統的試運行分析

劉 輝 劉 哲

不停電倒閘縱聯有載裝置在地鐵供電系統的試運行分析

劉 輝 劉 哲

摘 要：為滿足地鐵直流牽引雙邊供電不停電檢修的要求，針對新研制的不停電倒閘縱聯有載裝置在北京地鐵昌平線沙河站掛網試運行進行詳細描述，考核了不停電倒閘縱聯有載裝置的各項性能指標。試運行結果表明，不停電倒閘縱聯開關裝置各項性能指標符合國家相關標準及軌道交通供電行業標準要求，完全滿足地鐵運營使用需要。

關鍵詞：直流牽引；地鐵供電；縱聯有載裝置；試運行；測試

劉 輝：北京市地鐵運營有限公司地鐵運營技術研發中心，高級工程師，北京 102208

0　引言

為了保障地鐵安全可靠的運行，在其直流牽引系統中采用雙邊供電的方式，由1個變電所向兩邊的線路供電，在相鄰兩牽引變電所之間的接觸網用分區亭中的開關連接，由兩變電所同時供電，即為單線雙邊供電[1～2]。采用雙邊供電的方式能縮小接觸網故障停電范圍和檢修停電范圍。目前國內地鐵多在牽引網電分段處設縱聯電動隔離開關，以保證在牽引變電所解列時實行大雙邊供電。

為保證設備和人身安全，對縱聯電動隔離開關都設置了必要的操作聯鎖。因閉鎖邏輯復雜需要大量的硬接線和繼電器，對于工程實施以及運行維護都會帶來很多的不便。同時，由于要依賴大量長距離的硬接線和繼電器節點來構成電氣聯鎖回路，其可靠性也必然會受到影響，很可能因某個環節出現問題而影響地鐵的實際運營。

更重要的是，利用縱聯電動隔離開關實現大雙邊供電的過程中必須先切斷對應區段的供電，會造成列車長時間暫停營運。實現大雙邊供電的具體操作程序為，首先分斷故障變電站的直流饋出開關和上網柜開關，再分斷相鄰變電站給故障站供電分區供電的直流饋出開關，然后閉合故障變電站的縱聯電動隔離開關，最后閉合相鄰變電站給故障站供電分區供電的直流饋出開關，故障變電站解列，從而實現大雙邊供電。由于縱聯電動隔離開關不能實現帶載分合操作，故操作過程中必須停止對應區段的供電，并且需要調度協調3個站的倒閘秩序，從而導致列車較長時間暫停運營，影響列車運行圖的正常運行。

因此，地鐵建設迫切需求簡便可靠的以縱聯有載開關為核心元件的不停電倒閘縱聯開關裝置產品。

1　國內外現狀

國內目前還沒有可作為軌道交通的有載負荷開關產品。一些國內廠家正在研制此類開關產品。

國內軌道交通行業也有將縱聯電動隔離開關換成直流快速斷路器實現無聯鎖倒閘作業的方式，但其體積大，安裝復雜，成本較高，同時直流快速斷路器存在隔離開距小、無應急手動操作等缺點，因此，并未得到廣泛應用。

國外主要從事有色金屬冶煉行業的德國RITTER公司有結合銅電解滅弧系統衍生出可作為軌道交通有載負荷的開關產品。但其價格昂貴，成本很高，不適宜在國內應用。因此，開發研制具有國產自主知識產權的新型直流牽引開關電器是一件非常必要且具有現實意義的工作。

2　不停電倒閘縱聯有載裝置

我們研制了一種以可分斷額定電流、關合短路電流的縱聯有載開關為主的成套不停電倒閘縱聯開關裝置來替代現有的縱聯電動隔離開關柜，調度人員可以根據需要隨時操作縱聯有載開關。任何1路饋出開關故障退出或牽引變電所檢修解列，都可以快速閉合縱聯有載開關，實現大雙邊供電，為運行中電力調度操作帶來極大的便利和快捷，從根本上解決因停電倒閘作業帶來列車暫停運營的問題。

根據國家相關標準及軌道交通行業標準制定了型式試驗大綱，不停電倒閘縱聯開關裝置順利完成檢試大綱所規定的全部型式試驗。為進一步驗證不停電倒閘縱聯開關裝置的各項性能指標及在地鐵供電系統內的適用性，將其在北京地鐵昌平線沙河站開展了掛網試運行工作。

3　試運行方案

不停電倒閘縱聯開關裝置一次主回路接口與站內原縱聯用斷路器柜主回路接口并聯，二次電氣控制回路與端子柜相應端子連接，以實現不停電倒閘縱聯開關裝置的合、分閘操作和開關狀態信號上傳、與本站斷路器聯鎖功能以及實現與相鄰變電站斷路器的大雙邊聯跳功能。

在試運行中，不停電倒閘縱聯開關裝置在地鐵列車運行的各種工況下進行倒閘投切操作，記錄分斷波形及試驗數據，考核縱聯有載裝置分斷能力及設計余量，并進行全工作周期掛網運行，記錄電流值及溫度值，以考核縱聯有載裝置載流能力及設計余量。

2014年11月，在北京地鐵昌平線沙河站牽引變電站做掛網試運行，涉及鞏華城、沙河高教園相鄰2個牽引變電站。圖1中B站為沙河站，813是原縱聯柜，試驗柜是不停電倒閘縱聯有載裝置。

圖1　試運行供電線路示意圖

4　測試項目

4.1空載大雙邊倒切

夜間線路停運后，線上無列車，昌平線鞏華城、沙河、沙河高教園750 V送電，此時，進行空載大雙邊倒切。斷開沙河（B）站相應的饋線柜斷路器10、30和隔離開關16、36，不停電倒閘縱聯有載裝置執行合閘動作，動作正常，B站解列；不停電倒閘縱聯有載裝置執行分閘動作。每次倒閘，裝置應動作正常，記錄不停電倒閘縱聯有載裝置分斷波形，測量不停電倒閘縱聯有載裝置斷口最大電流值、過電壓值、全分斷時間、燃弧時間，其中燃弧時間不超過200 ms。

4.2載流能力試驗（溫升測試）

斷開B站相應的饋線柜斷路器10、30和隔離開關16、36，不停電倒閘縱聯有載裝置執行合閘動作，B站解列，對應區域投入大雙邊供電。大雙邊供電運行1個工作日，每隔1 h用無線測溫儀測試開關規定測試點的溫升，記錄對應電流值，測試點溫升不超過60 K，該項試驗需在早上4：30地鐵送電至晚上12：00停電的全天工作周期內完成。

4.3帶載大雙邊倒切

進行載流能力試驗時，選取時間段，不停電倒閘縱聯有載裝置進行帶載大雙邊倒切。不停電倒閘縱聯有載裝置執行合閘動作，動作正常，B站解列；不停電倒閘縱聯有載裝置執行分閘動作。完成后，閉合不停電倒閘縱聯有載裝置，繼續載流能力試驗。每次倒閘，裝置應動作正常，記錄不停電倒閘縱聯有載裝置分斷波形，測量不停電倒閘縱聯有載裝置斷口最大電流值、過電壓值、全分斷時間、燃弧時間，其中燃弧時間不超過200 ms。帶載大雙邊倒閘試驗應選取客流高峰時段時地鐵列車處于不同工況下進行。

5　試運行測試回路

5.1測試設備

1套不停電倒閘縱聯有載裝置。

數據采集儀：用于記錄縱聯開關的分、合閘波形，不參與系統控制。

無線測溫儀：監控縱聯有載開關的載流溫升，超溫報警。

隔離放大器：隔離試品方向過來的可能存在的高電壓信號，匹配測量信號以便數據采集儀采集波形。

分壓電阻器：使較低量程的測量設備可以測量較高電壓等級的電壓。

5.2測試回路

北京地鐵現場試驗線測量回路接線示意圖見圖2。

圖2　試驗測試回路示意圖

6　試運行測試內容

最大電流：不停電倒閘縱聯開關裝置分閘操作過程中，進出線母排間出現的最大電流。

過電壓：不停電倒閘縱聯開關裝置分閘操作過程中，進出線母排間出現的最大電壓。

全分斷時間：從不停電倒閘縱聯開關裝置分閘線圈得電到不停電倒閘縱聯有載裝置進出線母排間電流為零的時間。

燃弧時間：不停電倒閘縱聯開關裝置縱聯有載開關觸頭之間從拉弧到電弧完全熄滅的時間。

電流：載流能力試驗時，不停電倒閘縱聯開關裝置進出線母排間實時電流值。

溫度：載流能力試驗時，不停電倒閘縱聯開關裝置進出線母排間實時溫度值。

7　試運行測試數據采集方法

7.1斷口電壓的測量

確認系統停電后，用2根高壓導線（導線用圓形線鼻子固定在母排上）從縱聯有載裝置進出線母排分別接入測量板上的直流斷路器（型號GM5-63 C20A OF DC1000V/4P），測量板分壓電阻器（電阻值5 MΩ）的輸入端也接入該斷路器，在斷路器10或斷路器30線路測試通過并合閘送電后，合上該斷路器即可實現測量回路的投入，在需要切除測量回路時，斷開該斷路器即可。斷口電壓的測量需要帶電操作完成。

直流斷路器、測量板和控制箱的實物圖見圖3。

7.2主回路電流的測量

從縱聯有載裝置的霍爾電流傳感器取得電壓信號，然后經試驗柜電壓跟隨器后再次進入外設的隔離放大器，最后進入數據采集儀。此通道可以直接測量出試驗電流波形，并與斷口電壓波形配合測量出燃弧時間。

7.3線圈電壓的測量

從縱聯有載裝置分閘線圈兩端并聯接入分壓電阻，從分壓電阻信號端接入隔離放大器輸入端，從輸出端接入數據采集儀。此通道采集的波形可以和主回路電流波形通道配合測量出全分斷時間。

圖3　直流斷路器、測量板和控制箱

8　試運行測試記錄

8.1載流能力測試記錄

載流能力試驗數據見表1。

表1　載流能力試驗數據記錄

從表1記錄的溫度值可以看出，在整個工作周期內，不停電倒閘縱聯有載裝置進出線母排并無明顯溫升，可見載流能力具有較大設計余量，完全具備長期運行的能力。

8.2試驗相關波形記錄

測試記錄了地鐵列車各種工況下縱聯有載裝置分合閘斷口電流及電壓波形。以啟動時縱聯有載裝置分閘斷口電流及電壓波形（圖4）及試驗數據（表2）為例，其中，U為不停電倒閘縱聯有載裝置斷口兩端電壓；I 為不停電倒閘縱聯有載裝置分閘斷口電流值；Uxq為不停電倒閘縱聯有載裝置分閘線圈電壓。

圖4　列車啟動時縱聯有載裝置分閘斷口電流及電壓波形

表2　列車啟動時縱聯有載裝置分閘斷口試驗數據

還分別測試了地鐵列車惰行時、進站制動時、加速運行時縱聯有載裝置分閘斷口電流、電壓波形及試驗數據，燃弧時間均不超過200 ms，過電壓均不超過2倍的最高工作電壓，即1 800 V，全分斷時間均不超過240 ms，達到國際電工委員會標準（IEC）對鐵路應用直流開關設備的要求。

根據試運行試驗波形及相關試驗數據，大雙邊供電不停電倒閘縱聯開關裝置各項性能指標符合國家相關標準及軌道交通供電行業標準要求，完全滿足地鐵運營使用需要，試運行圓滿成功。

9　結束語

本裝置在保證實現性能指標的前提下，采用成熟技術進行設計；開關組件中各部件相對對立，弧室和弧觸頭為組件形式，便于維護和更換；電磁鐵和彈簧機構動作可靠性高。完全滿足城市軌道交通環境使用條件，達到城市軌道交通直流供電牽引系統要求。

下一步計劃在運力更大的地鐵線路上進行長期掛網試運行，以進一步全面考核不停電倒閘縱聯有載裝置的各項性能指標。

參考文獻

[1] 鄭瞳熾，張明銳. 城市軌道交通牽引供電系統[M]. 北京：中國鐵道出版社，2004.

[2] 董曉冬，趙國偉，袁志宏. 直流牽引供電系統橫聯雙邊運行方式分析[J]. 都市快軌交通，2012，25（3）：112-114.

責任編輯 冒一平

Commissioning Analysis of Un-interruption Power Switching Longitudinal Load Device in Metro Power Supply System

Liu Hui, Liu Zhe

Abstract:In order to meet the requirements of metro DC bilateral traction for un-interruption power supply maintenance, for trial operation of the newly developed longitudinal load device for uninterruption power switching in Shahe station, Changping line of Beijing metro, examinations have done on the performance and functions. The trial run results have shown that the performance of the un-interruption power switching longitudinal load devices are in line with the requirements of the related national standards and rail transit power supply industry standards, fully satisfying the needs of metro operation.

Keywords:DC traction, metro power supply, longitudinal load device, commissioning, test

收稿日期2014-12-25

中圖分類號：U231.8