地鐵直流供電接觸軌殘壓檢測(cè)及機(jī)理研究

何志輝

摘 要 當(dāng)前我國(guó)經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，地鐵建設(shè)日益繁榮。針對(duì)城市軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)的接觸軌停電后停電作業(yè)區(qū)域產(chǎn)生的接觸軌殘壓，導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)停電檢修無(wú)法正常開(kāi)展，以及送電時(shí)因殘壓值較高線(xiàn)路測(cè)試通不過(guò)，無(wú)法恢復(fù)接觸軌送電的現(xiàn)象，對(duì)接觸軌殘壓進(jìn)行實(shí)地測(cè)試，通過(guò)錄波、數(shù)據(jù)分析，提出并驗(yàn)證了接觸軌線(xiàn)間電容和線(xiàn)路長(zhǎng)度對(duì)接觸軌殘壓和線(xiàn)路測(cè)試的影響，為地鐵運(yùn)營(yíng)公司和設(shè)計(jì)院改進(jìn)PSCADA系統(tǒng)遙調(diào)合閘時(shí)序和提高直流開(kāi)關(guān)綜合保護(hù)裝置線(xiàn)路測(cè)試中的接觸軌殘壓值提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞 直流牽引供電系統(tǒng);線(xiàn)路測(cè)試;線(xiàn)間電容;線(xiàn)路長(zhǎng)度接觸軌殘壓

概述

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)，城市擴(kuò)張的速度不斷增加，城鎮(zhèn)車(chē)輛數(shù)目的不斷增加，城市交通壓力越來(lái)越大。地鐵因其無(wú)污染和節(jié)省土地等等的優(yōu)點(diǎn)逐漸為廣大中大型城市接受，并且成為解決當(dāng)下城市交通運(yùn)輸擁擠的最佳方案。直流供電控制和保護(hù)作為地鐵直流牽引供電系統(tǒng)的核心部分，研制一種高性能和可靠的直流保護(hù)對(duì)促進(jìn)地鐵的長(zhǎng)久發(fā)展具有重要作用。

1地鐵直流供電方案

1.1 直流供電方案簡(jiǎn)介

地鐵直流供電系統(tǒng)一般包括主變電所、中壓網(wǎng)絡(luò)、牽引供電系統(tǒng)和動(dòng)力照明系統(tǒng)。主變電所接受城網(wǎng)110kV高壓電源，主變壓器降壓，再經(jīng)中壓網(wǎng)絡(luò)給牽引變電所供電。牽引變電所降壓、整流后給接觸網(wǎng)。接觸網(wǎng)電壓普遍采用DC750V、DC1500V。

1.2 地鐵直流供電方案目前存在的三大頑癥

地鐵的直流供電雖已非常成熟，但雜散電流腐蝕、發(fā)電反饋能量回收、直流斷路器滅弧問(wèn)題這三大頑癥一直沒(méi)有得到有效解決。

（1）雜散電流腐蝕。在地鐵直流供電系統(tǒng)中，走行軌和大地之間不可能完全絕緣，一部分電流經(jīng)鋼軌流回牽引變電所，另一部分電流則經(jīng)大地流回，這部分大地中的直流電流稱(chēng)為雜散電流。雜散電流流經(jīng)金屬設(shè)施時(shí)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，金屬失去電子被氧化而受到腐燭。直流的流通方向是固定的，流經(jīng)路線(xiàn)是固定的，日積月累這種腐蝕就會(huì)對(duì)設(shè)施、管線(xiàn)造成嚴(yán)重破壞。目前雖然采用很多措施來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，但只能減弱雜散電流腐蝕的影響，不可能杜絕。

（2）發(fā)電反饋能量回收。地鐵站間距離一般比較短，其運(yùn)行過(guò)程為：?jiǎn)?dòng)→加速→惰行→制動(dòng)。制動(dòng)采用發(fā)電反饋制動(dòng)，電動(dòng)機(jī)作發(fā)電機(jī)運(yùn)行，消耗機(jī)車(chē)行進(jìn)過(guò)程中的巨大動(dòng)能來(lái)產(chǎn)生制動(dòng)力。發(fā)電反饋制動(dòng)產(chǎn)生的電能占列車(chē)牽引電能的40%，甚至更多。地鐵直流供電系統(tǒng)中，牽引整流機(jī)組是單向?qū)щ姷模娔懿荒芑仞伒诫娏ο到y(tǒng)，這將導(dǎo)致接觸網(wǎng)電壓升高。傳統(tǒng)上制動(dòng)電能經(jīng)制動(dòng)電阻消耗掉，現(xiàn)在人們采用蓄電池、超級(jí)電容、飛輪儲(chǔ)能的方式來(lái)回收再利用，或是在牽引整流機(jī)組環(huán)節(jié)增加逆變裝置使該電能反饋給電力系統(tǒng)。無(wú)論哪種方式都存在很多技術(shù)難點(diǎn)，并大量增加設(shè)備投資和建設(shè)費(fèi)用。

（3）直流斷路器滅弧。在地鐵直流供電系統(tǒng)中，牽引變電所設(shè)置有直流斷路器。交流斷路器利用電流過(guò)零點(diǎn)達(dá)到電弧間介質(zhì)恢復(fù)從而熄滅電弧。在直流斷路器中，直流不存在電流過(guò)零的情況，需要?jiǎng)?chuàng)造過(guò)零點(diǎn)來(lái)熄滅電弧，技術(shù)難度非常高。目前，我國(guó)地鐵供電系統(tǒng)中98%以上的直流斷路器都是昂貴的進(jìn)口設(shè)備。即便如此，直流斷路器故障率仍然很高，降低了供電可靠性，提高了維修成本。總之，雜散電流腐蝕、發(fā)電反饋能量回收、直流斷路器滅弧問(wèn)題的根本原因在于牽引供電采用的是直流系統(tǒng)，無(wú)論采取什么辦法，都不會(huì)改變直流的性能，因而也不可能從根本上解決。揚(yáng)湯止沸，不若釜底抽薪。不采用直流系統(tǒng)，這些問(wèn)題就根本不存在了。下面討論地鐵采用交流供電系統(tǒng)的供電方案[1]。

2殘壓主動(dòng)檢測(cè)方案

2.1 檢測(cè)目的

通過(guò)高速數(shù)據(jù)采集儀掃描檢測(cè)并記錄饋線(xiàn)柜HSCB分閘合閘前后饋線(xiàn)電壓的暫態(tài)過(guò)程，對(duì)接觸軌殘壓形成機(jī)理進(jìn)一步進(jìn)行研究探討，驗(yàn)證接觸軌線(xiàn)間電容和線(xiàn)路長(zhǎng)度對(duì)接觸軌殘壓和線(xiàn)路測(cè)試的影響，為地鐵運(yùn)營(yíng)公司和設(shè)計(jì)院改進(jìn)PSCADA系統(tǒng)遙調(diào)合閘時(shí)序和提高直流開(kāi)關(guān)綜合保護(hù)裝置線(xiàn)路測(cè)試中的接觸軌殘壓值提供依據(jù)。

2.2 檢測(cè)方案

饋線(xiàn)電壓測(cè)量采用分壓采樣電阻和KNICK信號(hào)隔離放大器的方案，設(shè)置四組屏蔽線(xiàn)作為信號(hào)采集通道，并用高速數(shù)據(jù)采集儀（自帶隔離且超過(guò)8通道）掃描檢測(cè)并記錄饋線(xiàn)電壓的暫態(tài)過(guò)程：①測(cè)試饋線(xiàn)上電典型波形和斷電殘壓衰減典型波形;②測(cè)試PSCADA系統(tǒng)遙調(diào)合閘、分閘時(shí)序和典型波形;③測(cè)試大雙邊斷電殘壓衰減典型波形;④通過(guò)波形分析殘壓形成機(jī)理和應(yīng)對(duì)措施[2]。

3接觸軌殘壓實(shí)測(cè)與分析

3.1 接觸軌殘壓實(shí)測(cè)

國(guó)內(nèi)多條地鐵線(xiàn)路開(kāi)通以來(lái)，在接觸軌線(xiàn)路較長(zhǎng)的區(qū)間混合所和停車(chē)場(chǎng)車(chē)輛段恢復(fù)送電時(shí)多次發(fā)生接觸軌殘壓值較高導(dǎo)致線(xiàn)路測(cè)試無(wú)法通過(guò)的情況，且持續(xù)時(shí)間不長(zhǎng)、各設(shè)備絕緣強(qiáng)度經(jīng)測(cè)試穩(wěn)定可靠，考慮到這些區(qū)段線(xiàn)路較長(zhǎng)，初步推斷線(xiàn)間電容是造成接觸軌產(chǎn)生殘壓的主要因素之一，并以此作為進(jìn)一步測(cè)試分析的依據(jù)。本次檢測(cè)選擇地鐵直流開(kāi)關(guān)柜發(fā)生線(xiàn)路測(cè)試不通過(guò)較為頻繁的站點(diǎn)變電所。

3.2 殘壓衰減和線(xiàn)間電容分析

根據(jù)電工理論，任何電容器在通電后都帶有等值電壓和相應(yīng)電荷。在外部電源中斷后，由于存在大地回路，電容器會(huì)緩慢放電。饋線(xiàn)電壓衰減時(shí)間常數(shù)及線(xiàn)間電容與供電距離正相關(guān)，進(jìn)行線(xiàn)路較長(zhǎng)的大單邊供電、大雙邊供電時(shí)，線(xiàn)間電容較大，受接觸軌殘壓較高影響合閘斷路器線(xiàn)路測(cè)試無(wú)法通過(guò)。

4結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)城市軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)的接觸軌停電后停電作業(yè)區(qū)域產(chǎn)生的接觸軌殘壓導(dǎo)致無(wú)法恢復(fù)接觸軌送電的現(xiàn)象，本文以電工理論為基礎(chǔ)，粗略地進(jìn)行了理論分析，并與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地測(cè)試的錄波數(shù)據(jù)比對(duì)分析，驗(yàn)證了接觸軌線(xiàn)間電容和線(xiàn)路長(zhǎng)度對(duì)接觸軌殘壓和線(xiàn)路測(cè)試的影響，是采用三軌供電方式的接觸網(wǎng)固有特性。當(dāng)牽引變電所恢復(fù)供電和進(jìn)行線(xiàn)路較長(zhǎng)的大單邊供電、大雙邊供電時(shí)，接觸軌殘壓影響較為明顯，對(duì)運(yùn)營(yíng)和檢修造成不利影響。

參考文獻(xiàn)

[1] 薛小強(qiáng)，趙壘，王曉博.地鐵牽引變電所高壓電流開(kāi)關(guān)合閘故障的處理[J].城市軌道交通研究，2013，（5）：133.

[2] 王曉博，尚志堅(jiān)，趙壘.城市軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)接觸網(wǎng)殘壓研究[J].城市軌道交通研究，2015，（9）：55.