軌道交通系統中非電量保護誤動作的原因分析與改進策略研究

關鍵詞：非電量保護；誤動作；軌道交通；供電系統

中圖分類號：U231.8 文獻標志碼：A 文章編號：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、準時的優點在市民出行過程中扮演著非常重要的角色，作為現代城市發展的動脈系統，軌道交通的安全運營直接關乎市民的出行安全，因此其供電系統的穩定運行越來越受到公司的關注。軌道交通供電系統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轉的低壓供電需求。

供電設備保護裝置是供電系統的24h衛士，它時刻監測著供電系統的運行狀態。在眾多供電保護機制中，非電量保護系統因其獨特的預警功能，正逐漸成為保障運營安全的關鍵防線。非電量保護主要負責監控供電系統中的溫度、壓力、距離等非電參數，這些數據的變化一旦超出保護定值，非電量保護便會觸發報警或跳閘，因此非電量保護的準確性和可靠性對軌道交通供電系統來說非常重要。

近幾年，非電量保護系統出現了不少誤動作的問題，比如變壓器的SF6低氣壓跳閘、瓦斯保護跳閘[1]和超溫跳閘誤動，這些問題導致了不必要的停電或列車停運，不僅增加了維護成本，還會導致乘客滯留和運輸效率下降。因此，深入研究非電量保護誤動作的原因，并提出有效的改進措施變得非常重要，其能夠提升軌道交通供電系統的安全性和可靠性，從而保障軌道運輸的高效和安全運行。

1 案例概述

近年來頻發的誤動作現象嚴重威脅了非電量保護機制的可信度。針對行業內非電量保護誤動作的情況展開調研，發現幾起典型的設備誤動作，具體如下：

1）常州地鐵2019年6月29日至9月8日期間，因SF6低氣壓表計內部節點問題造成 35kV 開關柜SF低氣壓誤報警14次，低氣壓誤跳閘6次， 35kV 進出線開關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 成溫控器內超溫跳閘硬接點短接，觸發超溫跳閘誤 動作。

3）武漢地鐵某站因鉑熱電阻故障，導致溫度測量錯誤，進而觸發超溫跳閘誤動作。

4）廣州地鐵四號線因溫控器內部節點松動，在振動的作用下接觸電阻增大，導致測量誤差增大，進而引起超溫跳閘誤動作。

5）南通地鐵2023年8月20日振興路站212斷路器小車跳閘，1A15供電分區單邊供電，經現場搶修人員檢查，故障原因為DIO模塊X-101/J3模塊故障，導致在運行過程中小車位置信號丟失，觸發斷路器跳閘。

2 理論基礎

2.1非電量保護的基本原理

供電系統非電量保護主要是用來監測一些非電信號，比如溫度、壓力、距離等非電參數，然后把這些信息轉換成電信號進行處理。這些信號經過放大、過濾和對比后，會和預設的保護定值做比較。如果某個信號超出保護定值，保護系統就會啟動，通過輔助觸點觸發保護報警或跳閘。從技術原理層面分析，非電量保護系統的工作流程可分為三個關鍵環節：

1）通過鉑熱電阻、壓力變送器等裝置實現物理信號轉換；

2）對現場數據進行噪聲過濾、信號放大、閾值比對等數字化處理；

3）通過硬接點觸發保護動作，具體回路如圖1所示。

是，這些數據并非單純來自既有的運行日志，還有故障分析報告，其包含誤動作發生的時間點、頻率分布以及環境條件（比如溫度、濕度、電磁干擾）和設備狀態（比如老化程度、運行時長）等相關信息，本項目組重點提取了以下特征維度：

1）季節性特征：分析歷年換季時段（溫度驟變期）設備出現異常峰值；2）環境特征：分析同一設備在雨季及干燥期不同設備房濕度情況下的設備故障率；3）設備衰退特征：分析設備自投運以來的故障率，更精準反映設備老化時的故障率。

上述三個關鍵環節中每個環節都存在引發誤動作的潛在風險，以廣州地鐵四號線溫控器節點松動為例，機械振動導致接觸電阻變大，經過信號放大后產生超過設定閾值的測量偏差，進而引發設備跳閘。

2.2供電系統非電量保護配置情況

供電系統保護分為電量保護和非電量保護，電量保護為電流型保護，如過流、零序、過負荷，非電量保護包括瓦斯保護、超溫報警及跳閘、變壓器開門跳閘、低氣壓報警及跳閘、1500V手車位置故障跳閘等。以非電量保護中的 SF₆ 低氣壓跳閘誤動作為例，具體非電量保護回路如圖1所示。 35kV 開關柜SF低氣壓跳閘期間會造成單站或多站 400V 一、二級負荷電源短時切換，三級負荷電源停電，車站會出現不同程度的電扶梯停梯、廣告照明停電、冷水機組停機現象，其中電扶梯停梯會對運營安全造成一定的影響。

3 研究方法

作為長期扎根軌道交通一線的研究者，筆者發現非電量保護系統的誤動作問題存在顯著的“灰箱效應”。在近兩年的實地跟蹤中，研究團隊采用動態數據捕獲技術，創新性地構建了多維分析框架。需要特別指出的是，在現場調試經歷中，筆者深刻體會到設備離散性對系統可靠性的影響遠超理論預期，這個發現促使本項目組重新審視傳統分析方法。

3.1 數據采集與特征提取

研究團隊通過三個季度的時間，整合了國內六個城市軌道交通供電系統的運行數據。值得注意的

3.2 分析方法的革新實踐

在數據處理階段，本項目組突破傳統單維度分析范式，構建了混合分析模型：

1）基于Spearman等級相關性的非線性分析顯示，電磁干擾強度與誤動率存在顯著正相關 （ρ=0.82） ·2）改進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險概率；3）根本原因追溯過程中，本項目組意外發現約15% 的誤動作案例存在設計參數與實際工況不匹配問題，這一發現對后續改進具有重要啟示。

3.3 實驗驗證的創新設計

考慮到實驗室模擬的局限性，本項目組特別設計了漸進式驗證方案：

1）環境模擬子系統：采用PID溫控裝置實現±0.5°C 波動精度，電磁干擾源嚴格參照IEC61000-4標準；2）設備老化模擬：通過加速老化試驗（ASTMF1980）構建三類樣本，其中重度老化組引入可控損傷機制；3）改進措施驗證：采取雙盲測試設計，在三個改進周期內逐步引入抗干擾算法優化方案。

值得關注的是，實驗過程中發現冗余檢測通道的增設并非線性提升可靠性，當冗余度超過三通道時反而會引發信號競爭問題。

3.4 研究局限與改進方向

盡管研究取得階段性成果，仍存在以下三個亟待突破的瓶頸：

1）數據時效性問題：既有故障案例庫更新周期

較長，難以捕捉最新型保護裝置的異常模式；

2）環境模擬偏差：實驗室難以完全復現道岔區段的復合振動譜特性；

3）經濟性評估缺失：改進方案的成本效益分析尚未形成完整模型。

4結果分析

從多個角度對80起設備故障現象進行詳細分析，發現非電量保護系統發生誤動作主要有四個原因：設備老化、外部環境干擾、設計缺陷和維護不足，具體故障占比如圖2所示。針對這些問題，下文提出了改進方法。

4.1 設備老化

長期服役設備（特別是超過設計壽命的器件）呈現出典型的失效特征：傳感器非線性誤差累積導致特征曲線畸變、接觸界面電化學腐蝕引發阻抗突變現象。例如傳感器會因為長期使用出現測量不準的情況，比如零點漂移；溫度補償曲線也會失效，無法準確反映溫度變化，還會引發接觸不良或線路腐蝕等問題[3]，這類故障會導致電路異常，進而引發誤跳閘。

4.2 外部環境干擾

供電系統通常處于復雜的運行環境中，高溫高濕的環境會讓設備元件加速老化，誤動率比正常條件下會有所增加。具體表現為：

1）極端的溫度會導致傳感器靈敏度下降，或者讓材料發生形變；

2）過高的濕度會導致設備絕緣性能下降，甚至影響硬接點的開路狀態[4]；

3）軌道交通中設備產生的強電磁場會導致保護系統錯誤觸發故障[5]。

在變電所設備數據分析中，本項目組發現環境濕度對保護裝置的影響被嚴重低估。變電所設備房因環境濕度問題造成的誤動作情況涉及多個重點設備，比如變壓器溫控器、SVG模塊、直流開關柜等，甚至有的柜內出現了凝露現象。這些問題不僅會單獨影響供電系統的可靠性，還會因為多種因素疊加（比如溫度和濕度變化同時發生）而導致誤動作風險顯著增加。因此，在設計非電量保護系統時需要考慮環境因素，并采取相應的抗干擾措施，比如設置冗余檢測通道、增加柜內干燥措施等。

4.3 設計缺陷

一些裝置的非電量保護在設計上不夠完善，比如通過行程開關判斷1500V手車位置故障，回路接點較多，誤動作的可能性非常大，這些設計問題會導致保護裝置無法正確識別故障狀態，從而引發誤動作。

4.4 維護不足

除上述因素外，操作人員的認知偏差同樣不容忽視。多數維護人員仍將非電量保護視為“黑箱系統”，這種認知也導致日常巡檢流于形式。另外，維護不足和設計缺陷之間還會產生疊加效應，比如說，如果設計本身就有缺陷（比如傳感器布局不合理），而維護又不到位（比如校準周期延長、檢查力度減弱），問題就會被進一步放大，造成不必要的設備誤動作。

5 改進策略

針對上述問題造成的非電量保護誤動作問題，可以從以下三個方面進行優化：

1）可以采用優化設計、提高抗干擾能力、增加備用措施以及加強日常維護等方法，這些改進措施能大幅減少誤動作的發生。比如在優化保護邏輯設計的措施方面，部分地鐵先后取消了 35kV 開關柜SF6低氣壓跳閘功能，保留報警功能，部分地鐵變壓器溫控器增加了超溫的判據，部分地鐵1500V手車位置故障跳閘改為報警等等。

2）另外，還要加強維修人員的培訓和教育，提高其對于設備結構和故障診斷的熟悉程度。通過模擬故障演練和實際操作培訓，提升維修人員的故障處理能力和維修效率。

3）結合設備的運行數據和歷史故障記錄，定期對設備進行全面的檢查和維護，及時發現并處理潛在的故障隱患。

4）關注設備房的溫濕度狀態，必要時增加一些開關柜的防潮措施，對濕度較大的設備房需重點關注其設備的運行狀態，必要時可縮短檢修周期。

6 結束語

本文通過深入研究軌道交通供電系統中非電量保護誤動作的材料，整理了很多導致這種問題的關鍵原因，并提出了相應的改進策略。這些解決方法不僅在理論上站得住腳，在實際操作中也很實用。如果能落實這些改進措施，可以有效減少誤動作的發生，讓整個軌道交通系統的運行更加安全和可靠。

[參考文獻]

[1]萬書亭，韋教玲，呂鵬瑞，等.基于瓦斯繼電器擋板旋轉初始角加速度的油浸式變壓器非電量保護方法[J].高電壓技術，2021，47（7）：2498-2505.

[2]張明.鄭西高鐵非電量保護誤動分析[J].鐵道運營技術，2020，26（4）：8-10.

[3]蔡偉，董家斌.變壓器氣體保護誤動作原因分析[J].電工技術，2021（5）：86-88.

[4]蒙小胖，高瞻，黃瑄域，等.一起110kV變電站主變本體壓力釋放閥誤動作分析與處理［J].農村電氣化，2021（4）：34-36.

[5]馮世才.廠用變壓器非電量保護誤動的分析與對策[J].大眾標準化，2022（20）：108-110.

[6]趙斌，牟瑛琦，桑建斌，等.非電量直跳保護分析與改進[J].電氣應用，2024，43（12）：70-74.