地鐵直流1500V網壓越上限報警問題研究與分析

曹雙勝 李瑜龍

摘 要：本文首先從供電、車輛角度出發，對西安地鐵三號線直流1500V網壓上升進行理論研究和計算，同時結合實際測試數據，對理論研究結果進行反向驗證，最終分析供電、車輛系統與網壓上升的關系，查找三號線直流1500V網壓越上限頻繁報警問題根源并提出整改方案，徹底消除頻繁報警對于電力調度監控所造成的干擾。

關鍵詞：地鐵 直流網壓 越上限報警

Abstract： This paper firstly starts from the Angle of power supply and vehicle， and makes theoretical study and calculation on the rising pressure of the subway no.3 dc 1500V， and combination with the actual test data， the theoretical study results are reverse verified， the final analysis power supply， the relationship between vehicle system and the network voltage rise， find subway no.3 dc 1500V network voltage upper limit of the frequent alarm root causes and put forward the improvement scheme， eliminate frequent alarm for electric power dispatching control caused by the interference.

Key words： subway Dc network voltage upper limit alarm

供電系統是地鐵重要系統之一，供電設備運行狀態是否良好直接關系運營安全和服務質量，隨著變電所綜合自動化系統的不斷發展，供電設備運行狀態信息不斷上傳至控制中心電力調度監控工作站，實現設備狀態的遠程監控，對于及時發現設備異常作用明顯，但從實際使用經驗來看，并不是所有的上傳信息均能起到積極作用，相反可能對正常監控產生干擾影響。本文通過系統性分析，查找西安地鐵三號線直流1500V網壓越上限頻繁報警問題根源，并提出問題解決措施。

1 問題現象

西安地鐵三號線通過綜合監控系統設置直流1500V網壓越上限報警功能，現場采集各牽混所直流1500V母線電壓，當母線電壓值大于設定報警值（DC1750V）時，電力調度監控工作站上出現直流1500V網壓越上限報警信息，提示工作人員加強設備巡查。

三號線自開通初期以來，白天運營期間電力調度監控站頻繁出現直流1500V網壓越上限報警問題，部分報警信息見圖1，報警頻率約為30條/分鐘，最高每日可達到3萬余條，報警信息量巨大，對電力調度正常監控造成嚴重干擾，期間也曾發生過因電力調度監控站信息量大而導致人員遺漏重要開關跳閘報文，延誤故障處置時間。

2 初期對策和效果

西安地鐵一、二號線開通初期也存在同類問題，經對網壓越上限報警設定值適當調高后，報警信息量減少，因此三號線初期采取一、二號線相同的處理方式，將綜合監控系統直流網壓越上限報警設定值由1750V提高至1785V。

報警值調整后，經過一段時間運行觀察，報警信息量并未下降，每日仍在3萬余條左右，直流1500V最高網壓達到1819V，已超過直流1500V供電系統電壓正常范圍（1000V-1800V），報警問題并未徹底消除。

3 直流網壓上升分析

3.1 供電系統分析（正向網壓上升）

西安地鐵牽引變電所高壓側電壓為AC35kV，通過24脈波整流機組（整流變壓器和整流器）的降壓、整流作用，將AC35kV電壓轉化為DC1500V電壓供給地鐵接觸網，為電客車提供直流牽引用電，牽引供電主電路見圖2。該供電方式直流側空載情況下，整流變壓器高壓側施加35×（1+0.05）kV的交流電壓時，直流側輸出電壓不應超過1800V。

3.1.1 直流網壓理論計算

（1）整流變壓器參數

采用無勵磁分級調壓；原邊額定電壓35kV；次邊額定電壓1180V；原邊分接抽頭的分接范圍±2?2.5%。

（2）最大網壓計算值

晚間運營線路停運后，在無車狀態下（模擬直流側空載）對三號線全線35kV電壓數據進行采集，其最大電壓值=36.5kV；

根據以上理論計算，在供電系統正向電源注入下，目前西安地鐵三號線直流1500V最大網壓值應為1738V。

3.1.2 直流網壓實測數據

考慮夜間運營停運，線路無車狀態下，直流負載最小，末端1500V網壓最高。在此期間對三號線直流1500V實時網壓數據進行分時段監測，監測統計結果見表1。根據統計結果，三號線直流1500V網壓最高值為1741V，與3.1.1中理論計算的最大網壓值基本吻合。

3.1.3 供電系統分析結論

（1）地鐵三號線直流1500V實際網壓大小在既有供電設備的工況下，與理論計算結果基本吻合，網壓處于正常水平。

（2）目前三號線直流1500V網壓最高為1741V，遠低于直流越上限1785V報警設定值，供電系統電源電壓非直流越上限報警問題的主因。

3.2 車輛系統分析（反向網壓上升）

列車制動分為機械制動和電氣制動，其中電氣制動又分為再生制動和電阻制動，再生制動是在列車制動時把車輛的動能轉化為電能并反饋至供電電網，多余的電能將通過制動電阻以熱量形式消耗。

3.2.1 再生制動工作原理

列車制動時電動機的工作方式從原來的受電轉動改變為輪對帶動電動機轉動而發電，此時電動機等效于發電機使用，此過程把列車的動能轉成電能通過供電電網饋送出去進行儲存或供后續列車使用，實現電能的再生循環使用，再生制動電流流向如圖3所示。

列車再生制動產生的電能不斷的累加，從而造成電網電壓抬高，當網壓超出一定的范圍時，為了保證設備安全運行及列車正常制動，此時制動電阻投入工作，將多余的電能通過熱量形式消耗，實現強制降壓，電阻制動電流流向如圖4所示。

3.2.2 列車制動過程中網壓變化趨勢分析

三號線列車采用阿爾斯通牽引系統，電阻制動啟動閾值為DC1800V（打開常數為8%），全功率投入閾值為DC1850V（打開常數為100%）。由此可見，該牽引系統下列車制動過程中向電網反饋電能，促使供電系統直流1500V網壓反向上升，該過程中列車電制動可分為三個階段：

（1）第一階段：網壓升高至DC1800V之前

再生制動完全工作，轉化的電能全部反饋至電網被相鄰列車吸收，此階段網壓上升率最高。

（2）第二階段：網壓升高至DC1800V-DC1850V之間

再生制動逐漸削弱，電阻制動啟動并逐步投入工作，轉化的電能一部分反饋至電網被相鄰列車吸收，另一部分被車載制動電阻消耗，此階段網壓上升率逐步下降。

（3）第三階段：網壓升高至DC1850V之后

再生制動停止工作，電阻制動全功率投入工作，轉化的電能全部被車載制動電阻消耗，此階段制動列車停止向電網反饋電能，網壓因其它啟動列車取流開始逐步下降。

3.2.3 列車制動實際網壓值

運營高峰時段選取一列運營列車，統計列車啟、停循環過程中的牽引-制動實際網壓值，統計結果見表2。根據統計數據可以看出：

（1）列車正常運行階段，網壓維持在DC1580V-DC1620V之間；

（2）列車再生制動階段，網壓在22s內由DC1621V上升至DC1793V，上升率約為8V/s。

（3）列車再生制動+電阻制動階段，網壓在31s內由DC1803V上升至DC1820V，上升率約為0.5V/s。

以上網壓大小實際統計數據與3.2.2中分析的網壓變化趨勢情況基本相符，并且列車在制動過程中對網壓的抬升已超過1500V直流網壓越上限報警設定值（DC1785V）。

3.2.4 車輛系統分析結論

與一、二號線日立牽引系統相比，三號線電阻制動啟動電壓變高（一、二號線為DC1720V啟動，DC1800V再生制動完全停止，電阻制動全功率投入），反饋到直流1500V供電電網中的再生能量較一、二號線增多，由此導致網壓抬升也相對較大。此結論與一、二號線直流網壓越上限報警信息量、網壓抬升量遠遠小于三號線的實際表象相符。

4 直流網壓越上限報警問題根源

根據供電系統、車輛系統對于直流1500V網壓上升影響的分析，可以得出三號線出現直流1500V網壓升高、直流越上限頻繁報警問題的主要原因為列車電制動過程中，電阻制動的啟動電壓設定值較高，達到直流1500V供電系統網壓上限值1800V，全功率投入工作電壓設定值更是達到了1850V，此參數設置下列車再生制動的能量更多的傳遞至供電直流電網，促使網壓抬升較大，遠超出直流網壓越上限報警值（DC1785V）。

5 問題解決方案

5.1 方案制定

根據系統性分析結論，提出兩種解決方案：

方案一：調整三號線車輛牽引配置標準，將制動電阻啟動電壓（即網壓上限值）由DC1800V降低為DC1720V。

方案二：屏蔽三號線電力調度監控工作站直流1500V網壓越上限報警功能。

5.2 方案分析

5.2.1 方案一

制動電阻啟動電壓參數調整技術可行，但降低制動電阻啟動電壓值后，主要存在以下不利影響：

（1）延長制動電阻的投切時間，增大制動電阻耗散功率，增加制動電阻發熱量，產生的高溫可能會造成列車其他設備或電纜的損壞，同時也可能對制動電阻的工作壽命產生不利影響，對于有強迫風冷的制動電阻，列車必須提供強迫風，此過程也會造成一定的電能浪費。

（2）縮短列車再生制動工作時間，減少再生制動反饋的電能，再生電能被其他列車的吸收量大大下降，從而加大直流牽引供電系統的輸出功率，不利于系統節能。據國內相關研究結果表明，車載制動電阻啟動電壓值由1800V下調至1750V，列車再生制動能量利用率下降約3%，牽引供電系統能耗增漲約1.4%。

5.2.2 方案二

屏蔽直流網壓越上限報警功能技術可行、修改過程簡單。

（1）必要性方面，目前報警信息過多已對電力調度正常監控產生干擾，同時報警均為瞬間恢復，無法制定有效的人員現場應對措施，報警作用體現不明顯，必要性不強。

（2）安全性方面，該報警功能為綜合監控系統設置，與車輛和供電專業設備功能無直接關聯。在網壓升高的情況下，車輛高速斷路器分閘并牽引封鎖，能夠安全保護車輛設備；供電牽引整流機組的逆流保護能夠有效防止整流二極管反向擊穿問題。因此，屏蔽報警功能后，車輛、供電設備的運行安全不會受到任何影響。

5.3 方案選取

在技術可行的情況下，方案一提出的降低車載制動電阻啟動電壓值，會對電阻自身壽命產生不確定影響，同時不利于系統性節能；方案二無論從必要性或是安全性上，均不會對地鐵設備的正常運行產生影響，另據了解國內多數地鐵線路中并未設置直流網壓越上限報警功能。

綜合以上對比分析及多方論證，西安地鐵最終選擇方案二，將三號線綜合監控電力調度工作站中直流1500V網壓越上限報警功能屏蔽，以達到徹底解決網壓越上限頻繁報警問題的目的。

6 結語

屏蔽直流1500V網壓越上限報警功能后，電力調度工作站有效報文信息量得到很好的控制，對于電力調度的日常設備狀態遠程監控起到了積極作用，同時供電、車輛設備運行正常未受影響，報警問題處理效果顯著。

通過系統性分析，同時也對后續地鐵線路綜合監控中設置直流網壓越上限報警值提出要求，即要求系統設計過程中應充分考慮供電系統、車輛系統電制動對于直流1500V網壓大小的相互影響，避免出現關聯系統之間的參數設定出現不匹配現象。

參考文獻：

[1] 龔孟榮.等效24脈波整流機組原理分析[J]. 鐵道勘測與設計，2008.

[2] 陳磊.網壓上限值對地鐵列車再生制動能量利用的影響[J]. 城市軌道交通，2014.

作者簡介：曹雙勝（1971.6-）男，陜西蒲城，大學本科，工程師，地鐵運營管理.設備維保。單位：西安市地下鐵道有限責任

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