城市軌道交通供電系統綜合聯調項目研究

孫陳勇

(上海申通軌道交通研究咨詢有限公司,201103,上海∥工程師)

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城市軌道交通供電系統綜合聯調項目研究

孫陳勇

(上海申通軌道交通研究咨詢有限公司,201103,上海∥工程師)

根據在地鐵供電系統綜合聯調項目中的實際經驗,結合《地鐵設計規范》和線路開通試運營專家評審要求,有針對性地提出了相應的聯調項目及其實現方式,包括電力監控(PSCADA)子系統功能測試、直流牽引供電能力測試、交流降壓負荷能力測試、主變電所支援供電能力測試以及牽引網鋼軌回路阻抗測試。并對項目實施過程中的重點難點進行了歸納分析。

城市軌道交通; 供電系統; 綜合聯調

Author′s address Shanghai Shentong Metro Research & Consultancy Co.,Ltd.,201103,Shanghai,China

城市軌道交通建設末期開展綜合聯調工作的必要性和重要性被越來越多的地鐵建設單位所認同,工作實施的效果立竿見影。綜合聯調工作已逐步成為線路建設階段與運營接收管理階段之間的過渡橋梁,甚至可能在將來發展成獨立的綜合聯調階段。因此,地鐵各專業系統應明確在該階段需要具體執行的工作內容。工作內容應包含專業系統內各個方面,同時還應考慮到后期運營接收管理需求。

1 地鐵供電系統綜合聯調特點

地鐵供電系統相對于其他機電專業屬于基礎專業。其主要特點是建設完成時間相對靠前,供電設備一般在線路開通試運營前9個月可以完成送電。作為電源系統,它與車輛和車站所有機電系統都有關聯,需要分別進行負載能力及供電穩定性測試。供電設備停役調試通常會影響到下級負載設備。供電系統內部子專業較多,包括主變電所、牽引變電所、降壓變電所、牽引網、電力監控系統、雜散電流系統、不間斷電源系統等。供電系統聯調需要運營單位參加,部分項目應由運營人員主調,這有利于后期施工申請、熟悉設備、缺陷排查以及交接驗收。

2 供電專業主導綜合聯調項目

2.1 電力監控(PSCADA)子系統功能測試

測試內容包括:檢驗ISCS(綜合監控系統)PSCADA功能、布局、配置、供電可靠性程度等能否滿足相關設計標準;檢驗中央級和車站級綜合監控系統、車站變電所內電力自動化監控系統,以及與變電所供電設備之間的接口功能是否與設計相符。對發現的問題進行及時有效的整改,確保系統能滿足運營要求。

該項工作范圍應當包含線路所有車站變電所、主變電所及車場變電所。測試分別在控制中心和變電所內同時進行。

項目前置條件:①主變電所、車站變電所供電設備和所內電力自動化監控屏均安裝到位、單體調試完成,并且兩者之間的單體對點調試完成;②供電一次系統所有設備的編號、回路名稱已明確;③電力監控系統完成控制中心設備機房和調度大廳調度工作臺的安裝、調試;④控制中心機房至各車站、各車站至各變電所通信線纜敷設完畢,通信通道調試暢通,數據傳輸穩定。完成1個牽引變電所的調試一般需要3 d,完成1個降壓變電所的調試一般需要2 d,完成1個110 kV主變電所的調試一般需要6 d。以一條地鐵線約24個車站變電所、15個人的調試團隊配置為例:調試工作應在試運營專家評審前3.5個月開始逐步進行,以每周完成2個牽引變電所,或者3個降壓變電所調試的速度推進。第1個變電所的調試時間可放寬為5 d,用以熟悉設備功能邏輯和調試人員的磨合。

全部車站變電所調試完成后,應進行全線程控卡片測試,需要4 d工作時間。

調試需根據點表內容,對供電設備分別進行遙控、遙信、遙測功能的驗證,以確認相關信息及結果的正確性。一個典型牽引變電所一般約包含1 800個點位。由控制中心電力調度在工作臺直接操作,現場人員確認各設備的動作情況、位置狀態、信號數據。內容包括:交流110 kV、35 kV、400 V系統，直流1 500 V系統，軌電位裝置，所內電力自動化監控屏，交直流屏，測控屏等。

現階段新建地鐵線路已廣泛采用綜合監控系統,原有獨立的供電中央級SCADA(數據采集與監控)系統已被整合到綜合監控系統中,供電設備與其屬于兩個不同系統,如圖1所示,有必要開展功能聯調。

圖1 綜合監控與供電系統接口

測試要點分析:

(1) 測試過程中會導致車站內出現短時停電,需要提前通知負載單位做好設備停、送電防護。

(2) 通信、信號、綜合監控設備的應急電源以及EPS(消防應急電源)照明電源需要投入使用。

(3) 涉及主變電所調試需要明確負責設備停役、復役請點工作的單位,并提前與市級供電部門協調。

2.2 直流牽引供電能力測試

測試模擬在多列車運行工況下,檢驗直流1 500 V牽引網的供電能力,以及直流饋線開關整定值設置的合理性,明確牽引供電系統的極限能力。當供電牽引設備發生故障時,測試獲得的數據可作為判斷故障區段是否需要采取限流措施的依據。

項目前置條件:①車輛專業可提供充足數量的列車,并且均已完成上線動車調試,能夠模擬正常運營狀態,并具備本體保護功能;②測試區段具備多列車同時行車能力,信號系統具備ATP(列車自動防護系統)防護功能;③對應牽引所接觸網聯絡閘刀具備合閘送電能力;④通信系統滿足列車與控制中心的通信功能,測試區段及變電所具備手持對講機無線通信功能。

先確定區段可能出現的極限列車數量。一般情況下,地鐵線路2個牽引變電所之間會存在2～3個行車區間,該項測試需要在2個連續的牽引網直流供電區域內進行,測試區段會包含3個牽引變電所,以及5～6個行車區間,測試應選擇線路中較長或存在坡道的區間進行。以某線為例:6車站5區間距離5 433 m,列車對數28列/h,列車旅行速度35 km/h,可計算出相鄰兩列車間隔約為1 167 m,該區段內可能會同時存在4列列車。

測試需要4列列車和1臺數字示波器(如HIOKI MR8875),連接在車站A牽引所211開關柜中,用于記錄直流饋線電流數據,如圖2所示。測試項目根據設計要求確定,直流開關的容量應該可以滿足1個供電區段在單邊供電模式下或2個供電區段在大雙邊供電模式下的列車正常行駛用能。以下從3個方面對列車用能進行驗證:

(1) 單邊供電模式下1列列車起動。車站A牽引所1單獨向接觸網供電,測試區段內1列列車全牽引起動,通過示波器記錄起動電流曲線。

(2) 單邊供電模式下2列列車同時起動。單邊供電模式不變,分別在車站A和車站B站臺放置1列列車,行車調度通過車載倒數發令,兩名司機同時全牽引起動列車,所內人員記錄電流曲線。

(3) 大雙邊供電模式下4列列車同時起動。更改供電模式,退出牽引所2,并合上聯絡閘刀,使得車站A至車站F接觸網構成大雙邊供電模式,測試區段內安排4列列車,并且同時起動,記錄電流曲線。

圖2 4列車起動位置示意圖

每一次列車起動時,需要安排6名人員分別記錄車站A至車站F變電所內的“軌電位裝置”的峰值電壓。測試結束后,通過測試數據,可以分別得出1列列車、2列列車、4列列車同時起動時的電流峰值和起動時間,計算出電流上升率。再將上述數據分別與直流開關保護類型中的電流速斷保護、過流保護延時和電流上升率保護的整定值相比較。

測試要點分析:

(1) 測試的多列車起動必須同時進行,才能測得最大電流值,要求列車司機精神集中,按指令操作。

(2) 測試過程中,可能會出現直流開關跳閘,為安全考慮,各列車應緩停待命，記錄相關數據,作為調整保護定值依據。

(3) 有條件的情況下,可以進行單列車AW3(超載)狀態下的起動測試,該數據與空載列車測試數據相比較,以獲得更準確的極限負荷。

2.3 交流降壓負荷能力測試

為了驗證車站降壓系統的設備容量、可靠性、穩定性及其功能是否滿足地鐵車站動力照明負荷設計要求,需模擬車站可能出現的最大負荷狀況,用以確認其運行能力;檢查車站降壓供電系統與消防控制系統可能存在的問題。

項目前置條件包括:①降壓所400 V開關的切非回路已完成連接并投入使用,與相關專業接口測試完成;②降壓所400 V系統可以實現單配電變運行模式;③車站消防相關系統、風機、風閥已完成安裝、調試,車控室IBP(綜合后備盤)已完成各項消防聯動模式測試,相關設備均可按照模式表正確運轉。

在理想情況下,本測試應在車站所有機電設備安裝、調試完畢后進行,按照地鐵運營狀態,同時開啟所有設備,以檢測可能達到的最大負荷值。但在實際建設過程中,由于機電設備繁多,安裝時間不同,故無法達到上述條件要求。因此采用“站臺層火災模式”的設備工況進行代替。該工況下包含車站多臺事故風機、排熱風機等大功率風機設備起動,短時間內會出現6～8倍額定電流的起動電流,也是車站可能出現的最大負荷電流,其值大于正常運營時的機電設備用能。

400 V降壓站采用單臺配電變壓器帶全站負荷的運行模式,以檢測降壓系統各配電開關整定值是否正確,是否滿足GB 50157—2013《地鐵設計規范》中15.2.10條的規定[1]。

測試需要1臺電能質量分析儀(如Fluke 435),連接在400 V進線處,如圖3和圖4所示。

圖3 降壓供電系統示意圖

圖4 測試現場柜內接線圖

選擇開啟風機最多的一個消防工況,并確認各風機初始狀態為靜止。測試前記錄一次電流值,為車站原有負載。整體測試后,通過波形獲得模式起動總時間、最大電流峰值、到達峰值時間以及峰值持續時間等數據。同時,為保證分析數據的充分,還需要對每個測試風機進行單獨的起動測試。測試數據可作為運營后車站機電設備狀態依據。

測試要點分析:

(1) 測試可能會引起400 V進線開關跳閘,造成全站失電,應提前通知機電專業做好準備。

(2) 測試發生跳閘,需要分析原因。若是開關整定值問題,則通過測試數據重新整定;若是設備邏輯問題,則通過設置風機錯時起動進行改善。

2.4 主變電所支援供電能力測試

為了驗證地鐵供電系統主變電所和環網變電所的設備容量、可靠性、穩定性及設備功能是否滿足設計要求,需檢驗在一座主變電所全部失電的情況下,采用另一座主變電所進行支援的供電模式。測試時需要記錄供電恢復時間,以及短暫停電對車站、牽引負荷可能產生的影響。

項目前置條件包括:①相關主變電所均已建設完成,環網電纜敷設完畢,設備投入運行;②35 kV環網變電所聯絡開關通過各項測試,具備合閘送電能力;③所有環網變電所開關的繼電保護整定值組具備遠程切換功能;④控制中心電力調度臺已具備遠程監控全線車站變電所及主變電所設備功能;⑤控制中心調度臺與車站變電所及主變電所已具備良好的通信功能;⑥全線車站降壓變電所400 V系統已具備自投自復功能。

一般情況下,一條地鐵線路會設置2個主變電所。當一座主變電所退出運行時,應由另一座主變電所承擔退出主變電所供電范圍內的用電負荷。測試開始時,在正常供電模式下,同時分閘某個主變電所的35 kV Ⅰ、Ⅱ段母線進線開關,模擬這個主變電所2路進線電源失電故障。相關信息反映到控制中心調度臺上,此時開始計時。

主變電所支援供電的倒閘方式,采用電力調度遠程操作。第1步,將失電主變電所的兩段35 kV母排上除環網饋線外的其他饋線開關全部分閘,每段約有2～3個開關,即對應相等數量的供電分區;第2步,合閘環網站的一段聯絡開關,使該站所在供電分區一段恢復供電,并將電源送至失電主變電所一段母排。第3步,逐一合閘一段母排上的饋線開關,恢復對應供電分區的一段電源;第4步,重復上述操作,對35 kV Ⅱ段進行恢復。相比一次性所有電源恢復的方式,這種按照供電分區恢復的方式,每次帶負荷合閘沖擊較小,不易產生系統震蕩或設備損壞,并且操作的開關數量也較少,縮短電源恢復時間。

供電系統電源恢復后,記錄時間;調度通知車站人員,對之前失電造成停役的車站機電設備進行統計,并進行恢復,完畢后記錄機電設備恢復時間。供電系統整體恢復時間應控制在15 min左右,車站機電設備恢復時間應控制在20 min左右。

地鐵線路在主變電所支援供電模式下,保持運行3 d。白天地鐵列車正常進行跑圖,車站內正常進行設備調試,值班人員定時記錄主變壓器負荷率、主變電所、環網站的饋線電流、電壓,以及末端變電所交、直流母線壓降情況等數據。3 d后供電系統恢復正常運行模式。

測試要點分析:

(1) 該項測試會造成半條線的車站停電,地鐵正式運營后將不再具備進行測試的條件。測試采用的操作方式及時間,將作為以后此類突發故障應急處理的依據,調度人員有必要進行一次實際操作。

(2) 可選擇供電范圍包含有控制中心變電所的主變電所,以檢驗控制中心設備在失電情況下的狀態。

(3) 測試前確認車站重要負荷的應急電源裝置功能正常,倒閘結束后,由相關專業匯報設備切換情況。每個供電分區至少安排一名機電人員,做好設備恢復工作。

(4) 倒閘操作前,需要先將相關車站變電所和環網變電所35 kV母聯開關的設備自投功能切除,倒閘完畢后需要調整整定值組。PSCADA系統應具備遠程切除功能和整定值組切換功能,并且記錄兩者過程時間。

(5) 可同時測試降壓所400 V設備的自投/自復功能是否正常。

2.5 牽引網及鋼軌回路阻抗測試

檢測直流牽引系統回路阻抗,測量并記錄各供電區段上、下行牽引網和鋼軌的單位長度縱向阻抗值,驗證整個牽引回路的連接可靠性和完整性,從側面對雜散電流系統進行驗證。

項目前置條件包括:測試區段牽引網安裝和受電完成,測試區段鋼軌均流線已全部安裝完畢。

測試利用2個牽引所直流饋線開關、負極柜,以及牽引網和鋼軌形成測量回路,分別進行上行+下行牽引網、上行牽引網+鋼軌和下行牽引網+鋼軌3組阻抗數據測量,如圖5和圖6所示。

上行+下行牽引網阻抗測試時,將牽引所A對應的上、下行211、213直流開關合閘,通過1 500 V直流母線構成回路;在變電所B中,將阻抗測試儀的正、負極輸出端可靠地接到對應的213、214直流開關饋線上。重復測量3次,阻抗測試儀分別輸出50 A、75 A、100 A電流,讀取整個回路阻抗值R1+R2,計算平均值。

圖6 下行牽引網+鋼軌阻抗測試

下行牽引網+鋼軌回路阻抗測試時,在牽引所A中,用銅質短接線將正極和負極可靠短接,并測出短接線阻抗;在牽引所B中,將阻抗測試儀的正極接到直流饋線上,將負極接到負回流電纜上。測試3次數據,獲得R2+R3值。上行牽引網+鋼軌測試方式相同,只需要更換兩側接線開關位置,獲得R1+R3值。

求解三元一次方程,扣除短接線阻抗后,分別獲得R1、R2、R3數值。結合所測區間長度,分別計算出上、下行牽引網和鋼軌的單位長度阻抗值。

測試要點分析:

(1) 統計所有測試數據,與廠商提供的參數進行對比,檢查數據異常的區段,是否存在電纜、螺栓、鋼軌、均流線等連接不可靠或缺失情況。

(2) 阻抗測試儀的性能需要滿足可輸出直流電流50～100 A,可測負載范圍不小于100 mΩ。如CZ3100型回路阻抗測試儀。

(3) 測試線纜連接部分,需要涂抹導電膏,降低接觸電阻。

3 配合其他專業聯調項目

綜合聯調過程中,有一些項目由其他專業主導,供電專業負責配合。具體有以下項目:①消防模式測試中,400 V低壓饋線開關切非功能驗證;②車站機電專業低壓進線,雙路自切開關(ATS)功能測試,以及上下級開關核對;③應急照明系統(EPS)或應急電源系統(UPS)進線雙路切換功能及放電時間測試。

4 供電專業內重要測試項目

聯調階段中還可以實施部分屬于供電專業的測試項目。該部分內容與運營關系密切、使用頻繁且重要性高,應引起運營單位重視。內容如下:①直流饋線開關雙邊、大雙邊聯跳測試;②牽引系統電流型框架保護動作測試;③上網閘刀、聯絡閘刀閉鎖功能測試;④變電所蓄電池核容測試。

5 結語

明確城市軌道交通各專業綜合聯調項目,有利于平滑過渡地鐵設備建設與運營交接,為運營提供設備接管指導方向,同時,也可以為地鐵試運營評審提供相關標準和依據,規范評審范圍和內容。

本文主要針對地鐵供電系統提出了相關內容,其他專業也有必要進行梳理和編制,形成一套完整的適用于城市軌道交通各個系統的調試規范,進一步提高地鐵建設和運營水平。

[1] 中華人民共和國住房和城鄉建設部.地鐵設計規范:GB 50157—2013[S].北京:中國建筑工業出版社,2014.

Research on the United Test Project of Urban Rail Transit Power Supply System

SUN Chenyong

According to the practical experiences of united test project in metro power supply system,combined with the “Code for Design of Metro Line” and expert reviewing requirements for the opening of trial operation line, corresponding united test projects and the implementations, including monitoring(PSCADA)function test,DC traction power ability test,AC voltage load capacity test, main substation support power capacity test and traction rail loop impedance test are put forward, difficulties in the process of project implementation are inductively analyzed.

urban rail transit; power supply system; united test

U 231.8

10.16037/j.1007-869x.2017.05.016

2016-06-13)