高速鐵路接觸網開關誤動原因分析和防范措施的思考

顧 濤 上海鐵路局供電處

高速鐵路接觸網開關誤動原因分析和防范措施的思考

顧 濤 上海鐵路局供電處

通過介紹一起高鐵接觸網分相隔離開關誤動故障分析和驗證過程，找到誤動問題原因。針對目前接觸網開關運行問題，從結構設計優化、技術管理、安全管理等方面提出安全控制措施。

接觸網；分相開關；誤動；遠動；高速鐵路

1 引言

高速鐵路接觸網隔離開關是接觸網主導電回路中的重要設備，是改變接觸網運行方式和劃小供電單元隔離故障區段迅速恢復供電的重要手段。電氣化鐵路牽引供電系統采用調度集中控制模式，調度員通過供電遠動系統（SCADA）實時監視和控制接觸網隔離開關。接觸網開關的誤動作直接影響牽引供電系統，甚至干擾高速鐵路正常運輸秩序。本文通過介紹一起高鐵接觸網分相隔離開關誤動故障分析和驗證過程，找到誤動問題原因。針對目前接觸網開關運行問題，從結構設計優化、技術管理、安全管理、應急管理等方面提出安全控制措施。

2 接觸網遠動隔離開關概述

2.1 結構原理圖

高速鐵路接觸網隔離開關安裝在鐵路沿線支柱上，隔離開關本體通過遠動控制終端（RTU）實現遠程控制。典型的高速鐵路接觸網開關監控系統由接觸網開關控制屏、測控終端RTU和通信網絡三部分組成（網絡結構圖見圖1）。

其中，網開控制屏和測控終端RTU之間采用點對點光纖Modbus規約通信，網開控制屏與高鐵SCADA調度主站通過鐵路專用數據網采用IEC104規約通信。當接觸網開關控制屏與牽引所亭合建時，一般接觸網開關監控信息同步接入牽引所亭綜合自動化系統。

2.2 功能分類

接觸網遠動隔離開關從功能上分類，可分為樞紐站場用的分束開關，分相救援開關，上網開關，車站、隧道、AT所附近的分段開關，上下行線并聯開關等；從控制方式分類，分為接觸網開關控制屏集中控制，牽引所亭綜合自動化系統直接控制、無線控制方式；從控制傳輸介質分類，可分為點對點光纖控制和點對點電纜控制兩種。

圖1 高鐵接觸網遠動隔離開關監控系統典型網絡結構圖

3 接觸網分相開關誤動案例分析

3.1 故障概況及應急處置經過

2016年7月13日上午10時左右，H高速鐵路J牽引變電所值班員發現內接觸網開關控制屏頻繁報出“遠方/當地”切換信號，設備管理單位立即組織人員在所內查找信號誤報原因。現場人員通過查看報文、檢查并緊固網開關控制屏接線端子排、重啟綜自通信管理機和屏控RTU裝置、操作遠方/當地轉換開關試驗等方法進行排查故障。15時29分，H高鐵J牽引變電所處3001接觸網分相隔離開關報“非遠動”合位，動車組立即采取降弓通過，15時34分供電調度遠動操作分閘，現場采取斷開接觸網隔離開關控制電源措施。

3.2 故障查找經過

3.2.1 故障報文分析

通過調取SCADA系統調度主站報文、牽引變電所綜自系統后臺機報文、網開屏控終端RTU裝置報文進行對比分析，報文時間、條目吻合。由于網關現場測控終端RTU裝置并無存儲事件記錄功能，故無報文顯示。不同的是，屏控RTU裝置記錄“遠方/當地”轉換遙信信息2條（雙遙信節點判斷），在綜自后臺機和SCADA系統調度主站記錄中僅有1條信息（單遙信節點判斷）。

從3001開關動作報文分析：合閘動作信號前，屏控控制模式轉換為當地位，符合屏控控制要求；供電調度操作分閘前，屏控控制模式轉換為遠方位，符合遠動控制要求。通過對比三者報文可知，前期“遠方/當地”轉換信號頻繁上傳，除3001開關動作前、后轉換報文真正有效外（地址：14、15雙節點同時變位），之前遠方/當地報文均不全（僅有地址15單節點變位）屬無效轉換，即網開屏控模式之前一直在遠方位。

3.2.2 現場檢查試驗

（1）遠方/當地異常分合信號頻繁切換

從圖2可以看出，YX15、YX1-X14分別為調度操作信號、當地操作信號端子，YX1COM為操作公共端端子，檢查人員發現YX1-X14、YX15、YX1COM端子接線松動并對其進行緊固。在接觸網開關屏端子排YX1COM遙信公共端虛接后，人為晃動情況下，可再現“遠方/當地”頻繁切換故障，驗證分析后可判斷遠方當地頻繁轉換故障原因為RTU裝置接線端子松動引起。

圖2 “遠方/當地”屏控轉換開關二次接線原理圖

（2）非遠動合閘試驗

現場檢查合閘回路，如圖3所示，試驗短接3001手動合閘回路（YX3COM、YX3-5端子）和操作3001開關屏控按鈕觸發合閘未成功，判斷3001手動合閘按鈕故障。通過對3001隔離開關屏控按鈕重新接線、緊固遙信公共端YX3COM端子和YX3-5端子后，短接試驗成功。

圖3 3001開關屏控合閘二次接線原理圖

（3）屏控合閘閉鎖驗證

在屏控“遠方”控制模式下，操作3001開關屏控按鈕或短接3001開關合閘回路端子排均無法導致開關閉合；綜自系統后臺可以遠方控制。在屏控“當地”控制模式下，操作3001開關按鈕或短接3001開關合閘回路端子排均能夠導致開關閉合；綜自系統后臺無法遠方控制。驗證表明合閘回路閉鎖關系正確。

（4）3001開關誤動故障邏輯分析

檢查發現3001合閘按鈕故障，合閘回路存在導通可能，由于控制方式“遠方位”對屏控按鈕的閉鎖作用，即便在遠方/當地頻繁切換時（實際轉換未成功）卻不能引起開關合閘動作；在供電人員故障查找時，對遠動/當地接線端子緊固后并將屏控遠方成功轉換至當地位時，解除了屏控按鈕閉鎖關系，故障按鈕觸發合閘動作（3001合閘動作邏輯如圖4所示）。推斷3001屏控合閘回路一直導通、遠動/當地二次接線端子松動是基本條件，遠動/當地轉換是觸發條件，進行再現故障試驗。在屏控“遠方位”模式條件下，按住3001合閘按鈕后（還原合閘回路導通），操作屏控遠動/當地轉換開關，轉換同時導致3001開關閉合，驗證推斷成立。

圖4 3001開關屏控合閘動作邏輯框圖

3.3 原因分析和存在的問題

3.3.1 誤動原因分析

結合當日陰天天氣和報文信息（記錄完整、邏輯準確）等綜合分析，排除3001開關現場受到外界干擾（如雷擊等）或屏控RTU裝置控制程序紊亂誤發信號的可能性。3001屏控合閘按鈕故障，致使合閘回路長期虛接斷續導通，因RTU裝置端子排YX1-X14、YX15、YX1COM端子松動導致遠方/當地轉換失效，網開關屏長期運行在遠方位，不會產生真正合閘動作。在現場人員查找故障，人工操作屏控由遠方轉換至當地位時，遇3001合閘按鈕接線和屏控當地端子同時導通，滿足了非遠動合閘的條件，觸發了合閘真正動作，導致了這起誤動故障。

3.3.2 存在問題

綜合上述原因，3001屏控按鈕接線存在缺陷，導致合閘回路虛接，是誤動產生的根本原因。網開關控制屏中多個端子排接線虛接，導致遠方/當地信號不穩定，是誤動產生的重要原因。故障排查中，現場作業人員沒有在天窗點內采取有效安全措施進行轉換開關操作，是觸發誤動的又一誘因。同時，誤動故障一方面暴露出維護人員在日常檢查不到位，沒有及時發現接觸網開關控制屏端子排松動問題；另一方面也暴露出網開遠動調試不充分，沒有及時發現屏控遠方/當地雙節點信號與綜自系統、調度主站單節點信號不一致問題，導致網開關屏接線松動時，綜自系統、調度主站顯示遠動/當地信號與現場實際不符。

4 防范措施

4.1 誤動原因分析

高鐵接觸網隔離開關在鐵路沿線布置，受風雨雷電等侵蝕以及列車震動和電磁環境等干擾，具有運行環境惡劣和技術管理結合部多的特點。引起網開誤動作的原因主要有兩大類，一類是由于開關設計、安裝本身不合理，易受現場環境影響造成的誤動作；另一類主要是由于日常維護管理或調試不到位，引起的設備故障導致。從本次誤動故障可以看出，誤動產生的原因既有設備硬件存在問題、軟件調試不到位問題，也有人為因素，故障由多方因素綜合疊加產生，故障的發生不乏偶然性、也充滿必然性因素。為有效預防接觸網遠動隔離開關誤動，筆者認為需要從結構設計優化、技術管理、安全管理和應急管理四個方面入手，減小接觸網遠動隔離開關誤動對高速鐵路運營造成的影響。

4.2 安全控制措施

4.2.1 結構設計優化

根據鐵路總公司要求將接觸網隔離開關本體電機操作電源的微斷開關納入遠動并接入調度主站。正常運行時，遠動微斷開關處于分閘位。在接觸網開關操作前，先閉合遠動微斷開關，再操作接觸網開關，接觸網開關操作完成后斷開遠動微斷開關。在正常運行時切斷網開電機控制電源，電機不得電，從根本上杜絕了接觸網開關延時誤動作和干擾誤動作現象。同時，接觸網開關“分/合位”信號、“遠方/當地”信號需要采用雙遙信控制，電動操作機構的電源回路應設置電涌保護器（SPD）。

4.2.2 技術管理

為保證網開遠動控制關系正確，調度員工作站、綜自后臺界面中需要標注隔離開關編號、支柱號、公里標、網開監控屏所在機房位置等信息，不應將未調試接觸網開關單獨設置在界面中。接觸網開關RTU裝置更換前，應確認RTU裝置是否需要設置ID號；需要通過軟件寫入或硬件撥碼開關設置ID號時，需要確認ID號設置是否正確，防止因ID號設置不對應造成的開關控制錯誤。接觸網開關監控屏中控制兩臺及以上網開的，在網開光纖收發裝置標簽中應標注開關編號、RTU裝置ID號，并建立網開編號與RTU裝置ID號對照表技術資料。接觸網開關監控屏（或綜自監控屏）、現場RTU裝置升級或更換后，需對接觸網開關進行調試確認后方可投入使用。日常檢查維護時需要對端子排、控制按鈕接線等進行檢查緊固，防止接線松動造成誤報遙信信號。

4.2.3 安全管理措施

遠動調試前，調試人員需要對調試時可能影響的其它接觸網開關進行充分預想并制定有效安全措施。遠動調試完成后，現場調試人員需要確認接觸網開關“分/合位”位置與運行位是否一致、正確。未經調試的接觸網開關在已投運的調度員工作站或綜自后臺界面顯示時，需要在界面中標注“未啟用”信息。為確保遠動調試效果，新建網開遠動調試前，現場若未加裝支柱桿號、隔離開關編號或現場支柱桿號、隔離開關編號標識不清時，以及綜自后臺界面或接觸網開關監控屏中接觸網開關編號未標識或標識不清的，應不得進行遠動調試。

4.2.4 應急管理措施

涉及開關“非遠動分閘/合閘”位置信息或“遠方/當地”轉換信息，經現場確認為誤報信息或明顯判斷信息為誤報信息時，應停用該開關遠動功能、斷開遠動控制電源后組織后續故障排查、處理。供電人員組織高鐵接觸網開關遠動故障查找和處理時，需要納入維修天窗點內，根據影響范圍申請停電或封鎖上道天窗計劃采取可靠安全措施后進行。在故障處理完成后，需要經遠動調試驗證正常后方可恢復遠動功能。

5 結束語

本文通過深入分析H高速鐵路一起接觸網分相隔離開關誤動故障案例，采用故障報文對比、現場檢查、試驗驗證等方法，查找出誤動的原因，介紹接觸網開關誤動故障的一種分析方法。為了防止類似故障再次發生，從接觸網隔離開關結構設計優化和安全控制措施入手，采取技術手段和管理手段相結合，提出接觸網隔離開關誤動的防范措施，為高鐵接觸網隔離開關誤動故障處理和預防提供參考。

[1]李焱.高速鐵路接觸網隔離開關遠動控制技術的研究.電氣化鐵道.2015年第2期.

[2]陳興強.接觸網電動隔離開關控制方案優化.中國鐵路.2015年第4期.

[3]TB 10621-2014 J1942-2014.高速鐵路設計規范[s].

責任編輯：許耀元

來稿日期：2017-01-12