巴基斯坦拉合爾橙線地鐵供電電壓波動處置研究

陳志健

（廣州地鐵集團(tuán)有限公司，廣東廣州 510330）

1 拉合爾橙線地鐵概況

1.1 基本情況

巴基斯坦拉合爾橙線地鐵（簡稱橙線”）是巴基斯坦全國首條地鐵線路，也是一帶一路中巴經(jīng)濟(jì)走廊早期收獲項(xiàng)目，是中國軌道交通行業(yè)在設(shè)計(jì)、制造、建設(shè)、運(yùn)營維護(hù)城市軌道交通全產(chǎn)業(yè)鏈方面的中國解決方案的成功輸出，項(xiàng)目同時(shí)被中國城市軌道交通協(xié)會選為2020年度中國城市軌道行業(yè)十件大事之一，在國內(nèi)軌道交通發(fā)展歷程中有著極強(qiáng)的歷史意義。

橙線正線全長25.53 km，設(shè)有26座車站，以數(shù)字編號1～26號為站名，其中2座地下站、24座高架車站，正線兩端分別設(shè)1座車輛段和停車場；全線共設(shè)2座主變電站（以下簡稱主電站”），26座降壓變電所、14座牽引降壓混合變電所（奇數(shù)站帶有牽引供電功能）；信號系統(tǒng)采用卡斯柯信號有限公司系統(tǒng)，通信系統(tǒng)采用中興通訊股份有限公司系統(tǒng)；電力系統(tǒng)主要采用長城電器集團(tuán)和臥龍電氣銀川變壓器有限公司的主變壓器；地下站采用冷水機(jī)組集中供冷，高架車站采用多聯(lián)機(jī)供冷；機(jī)電和消防系統(tǒng)為每站獨(dú)立控制；鋼軌線路為雙向雙軌運(yùn)行，兩側(cè)設(shè)有DC750V接觸軌，沿線路中央設(shè)有緊急疏散平臺，平臺下方裝有AC33kV站間環(huán)網(wǎng)電纜，各站系統(tǒng)通過主網(wǎng)骨干傳輸網(wǎng)絡(luò)（OTN）與中央控制中心相連。

列車采用中國中車集團(tuán)有限公司5輛編組B型列車，初期配置27列車，連掛模式為A + B + C + B + A，B 車廂為動力單元車廂，A + C車廂為無動力車廂，每節(jié)車廂列裝有4只集電靴（5輛編組共20只），通過每只集電靴與DC750V接觸軌滑行接觸獲取大電流，滿足列車啟動和運(yùn)行需求。

1.2 供電方式

橙線供電系統(tǒng)設(shè)有4個(gè)電壓等級，分別是AC132kV、AC33kV、DC750V、AC400V；當(dāng)?shù)毓╇娋諥C220kV電站降壓至AC132kV后，由構(gòu)架專線和電纜線路直接供電， 2座主電站共有8路AC132kV專線、8段AC132kV外橋母線（1B1～2B2），主電站接線圖如圖1所示，其中大學(xué)城（UET）主電站1#、2#路進(jìn)線因施工進(jìn)度問題，至今仍未獲得批準(zhǔn)投入使用。其中8段AC33kV環(huán)網(wǎng)供電分區(qū)（TS1～2、LS1～2）的每個(gè)分區(qū)均是獨(dú)立電源，通過高壓AC33kV環(huán)網(wǎng)電纜分別連接每個(gè)車站、車輛段與停車場，供電圖如圖2所示。每座主電站設(shè)有4 臺AC132kV主變壓器，使用1#、2#主變壓器負(fù)責(zé)列車牽引供電、3#、4#主變壓器負(fù)責(zé)車站AC400V供電；在13 號中間站設(shè)有AC33kV環(huán)網(wǎng)聯(lián)絡(luò)開關(guān)，可以在某種緊急情況下通過合閘改變專線電源，并實(shí)現(xiàn)DC750V牽引和車站AC400V雙回路獨(dú)立供電。每1座車站設(shè)有降壓變電所，從AC33kV環(huán)網(wǎng)供電分區(qū)獲取雙回路電源，降壓后向車站設(shè)備提供400 V用電；奇數(shù)編號車站設(shè)有1個(gè)牽引變電所向接觸軌提供DC750V電源，站間線路接觸軌為DC750V雙邊供電，出入段線為單邊供電；每座車輛段和停車場均設(shè)有1個(gè)牽引混合降壓變電所，及多個(gè)降壓變電所，滿足車輛段和車場內(nèi)牽引及場地功能的低壓用電需求。

圖1 拉合爾橙線地鐵主電站接線圖

圖2 供電簡介圖

1.3 當(dāng)?shù)厣鐣?jīng)濟(jì)簡介

拉合爾是巴基斯坦第二大城市，隸屬于巴基斯坦旁遮普省，城市面積為1 772 km2，人口約1 000萬，城市發(fā)展屬于初級階段，社區(qū)基層普遍屬于城鄉(xiāng)結(jié)合。由于建設(shè)發(fā)展需要，城市用電負(fù)荷逐漸變大，原有供電設(shè)備設(shè)施無法滿足社會發(fā)展需求，從而時(shí)常造成電網(wǎng)故障和電壓波動，電壓值嚴(yán)重不足，以致超出供電設(shè)備承受范圍，導(dǎo)致供電線路斷路器跳閘，嚴(yán)重影響橙線運(yùn)營。

2 供電問題分析

2.1 故障現(xiàn)象

橙線2座AC132kV主電站電力進(jìn)線受當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)供電影響，經(jīng)常出現(xiàn)單一主電站或同時(shí)2座主電站部分線路失電而跳閘，電壓值超出適應(yīng)范圍，最低值時(shí)?？勺?yōu)?，甚至是2座主電站同時(shí)全部失電。普遍現(xiàn)象是電壓值大幅波動，當(dāng)電壓超高時(shí)，容易損壞電力設(shè)備，尤其是互感器及精密檢測儀器儀表；當(dāng)電壓急劇下降時(shí)，則出現(xiàn)電力線路斷路器因無法承受變化的幅值，啟動失壓保護(hù)動作跳閘，導(dǎo)致同一回路主變壓器停電，造成橙線半數(shù)車站和車輛段場所均出現(xiàn)大部分設(shè)備停電，影響車站設(shè)備正常運(yùn)行和乘客服務(wù)，包括車站售票機(jī)、電扶梯、一般照明、冷水機(jī)組、通風(fēng)系統(tǒng)以及部分車站行車牽引用電均受影響。由于1～26號站部分或半數(shù)車站DC750V接觸軌供電區(qū)失去電源，多列次列車出現(xiàn)故障報(bào)警信息，甚至在中途停車，導(dǎo)致晚點(diǎn)5 min以上的列車最多達(dá)12列次，最長晚點(diǎn)時(shí)間達(dá)到15 min；半數(shù)車站扶梯及供冷設(shè)備停運(yùn)。

2.2 故障分析

目前當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)仍在長時(shí)間使用老舊設(shè)備，發(fā)電站少、設(shè)備老化、性能差、故障率高，經(jīng)常出現(xiàn)故障跳閘及產(chǎn)生電壓波動，AC220kV電網(wǎng)承載能力基本不能滿足當(dāng)?shù)厣鐣l(fā)展和人民生活用電需求。尤其是拉合爾城市電網(wǎng)電源是從巴基斯坦首都伊斯蘭堡電力傳輸獲得，由于多個(gè)城市電網(wǎng)并網(wǎng)，故障時(shí)容易導(dǎo)致多網(wǎng)停電，從而造成片區(qū)大面積停電。據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)停電頻率為平均每日停電3 ～8次，最高峰當(dāng)日停電8次，停電時(shí)長均在1.5 h以上，月平均故障率為59%，供電局調(diào)度人員響應(yīng)較慢，一般性停電故障，應(yīng)急處理時(shí)間較長，且一般性故障應(yīng)急處置需要15 min及以上，甚至存在無法確定處理時(shí)間的情況。因此，由于當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)狀況和電力人員響應(yīng)狀態(tài)，以及設(shè)備老化陳舊、電力不足等多種原因影響，橙線AC132kV主變電站經(jīng)常受電壓波動影響，出現(xiàn)線路斷路器因失壓保護(hù)動作而跳閘，造成橙線多數(shù)車站和車輛段場均出現(xiàn)部分設(shè)備停電切換，以及部分行車牽引用電停電，導(dǎo)致列車出現(xiàn)停車和其他不安全因素，不能完全滿足橙線安全、可靠的用電需求。

2.3 地鐵運(yùn)營用電需求

為滿足當(dāng)?shù)厝粘３塑囈?guī)律，根據(jù)橙線運(yùn)營方案和需求， 工作日周一至周六，組織列車上線運(yùn)營20列，備用車1列，早晚高峰時(shí)段上線運(yùn)營滿20列，行車間隔為5 min 30 s，平峰時(shí)段上線運(yùn)營14列，行車間隔為7 min 40 s，運(yùn)行周期110 min；周日和節(jié)假日上線運(yùn)營22 列，備用車1列，早高峰時(shí)段上線運(yùn)營20列，行車間隔為5 min 30 s，平峰時(shí)段上線運(yùn)營14列，行車間隔為7 min 40 s，運(yùn)行周期110 min，晚高峰時(shí)段上線運(yùn)營22 列，行車間隔為5 min，運(yùn)行周期107 min。

鑒于上線列車行車密度和車站服務(wù)用電需求，橙線運(yùn)營期間必須保證每1臺主變壓器負(fù)載率為25%，冗余為75%，滿足應(yīng)急供電方式主變壓器設(shè)計(jì)承載能力；保證AC33kV環(huán)網(wǎng)供電母線電壓在正常范圍（±10%），同時(shí)保證AC400V電壓在正常范圍（±7%），滿足AC400V車站設(shè)備用電及各個(gè)大系統(tǒng)用電；以及確保降壓整流后DC750V接觸軌正常電壓值在DC500V～DC950V，2 列車及以上在同一接觸軌供電區(qū)段啟動電流滿足約3 000 A以上（保護(hù)定值為12 000 A）。每個(gè)降壓變電所設(shè)置2段AC400V母排，2段母排互為備用，作為獨(dú)立電源輸送電能至用電負(fù)荷，包括信號系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、電扶梯、售票機(jī)、閘機(jī)、一般照明、供冷機(jī)組、新風(fēng)系統(tǒng)、隧道通風(fēng)系統(tǒng)、環(huán)控電控系統(tǒng)等。

3 電壓大范圍波動應(yīng)對措施

3.1 技術(shù)和設(shè)備措施

（1）變電設(shè)備監(jiān)控。標(biāo)準(zhǔn)配置下，每座主電站主圖可顯示在線電壓值，但不能監(jiān)測電壓波動具體狀態(tài)，針對當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)不穩(wěn)定以及頻繁故障和電壓波動的情況，為滿足橙線安全運(yùn)營需求，從技術(shù)管理上要求當(dāng)值調(diào)度員24 h監(jiān)測主電站AC132kV線路實(shí)時(shí)電壓監(jiān)測波形圖幅值，電壓監(jiān)測波形圖如圖3所示，以及監(jiān)測AC33kV母線和AC400V母排電壓值。當(dāng)出現(xiàn)異常時(shí)，查明原因及時(shí)做出相應(yīng)調(diào)整。設(shè)備方面，從AC132kV主變壓器實(shí)現(xiàn)有載調(diào)檔，可從1檔調(diào)至17檔，升降檔根據(jù)實(shí)際情況而決定。從AC33kV設(shè)備側(cè)，調(diào)整AC33kV輸出斷路器整定值，由小變大，伴隨其他相關(guān)聯(lián)設(shè)備同步調(diào)整整定值，并符合設(shè)備保護(hù)動作規(guī)定。滿足在應(yīng)急情況下及需要改變供電方式時(shí)，AC33kV輸出斷路器不因負(fù)荷大而定值小導(dǎo)致跳閘，并且滿足在特殊供電方式時(shí)1個(gè)輸出斷路器滿足一整段供電分區(qū)供電，保證供電的連續(xù)性和可靠性。

圖3 線路實(shí)時(shí)電壓監(jiān)測波形圖

（2）行車保障。行車組織調(diào)整方案，在滿足橙線安全載客運(yùn)營前提下，針對電壓波動和停電，在故障期間，按實(shí)際情況需要減少行車，對行車間隔做出調(diào)整，為此上線運(yùn)營列車減少2～3列，行車間隔從7 min調(diào)整到10 min，采取適當(dāng)降級調(diào)整，梯度運(yùn)營，最大限度滿足運(yùn)營列車。

3.2 管理應(yīng)對措施

（1）從管理手段和技術(shù)措施方面，制定相應(yīng)的快速應(yīng)急操作程序，以最大程度、最快速度保障故障期間設(shè)備運(yùn)作，滿足運(yùn)營用電需求；按供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路，結(jié)合主變壓器負(fù)擔(dān)的供電范圍、負(fù)荷，科學(xué)合理地制定 15 種快速、可靠、有效應(yīng)急操作流程，細(xì)化電調(diào)應(yīng)急處置方案，滿足連續(xù)性供電要求。針對UET主電站故障有3種方案：①3#專線失電，應(yīng)急處置應(yīng)對措施為由沙努爾（SHR）主電站1#專線供電，或由UET主電站#專線供電，電調(diào)必須按圖 2 確認(rèn)對應(yīng)的進(jìn)線斷路器分閘位置，AC33kV 對應(yīng)的輸出斷路器分閘位置，除UET、SHR 2所主電站所有專線同時(shí)失電的情況以外，應(yīng)急處置同此要求；②4#專線失電，由SHR主電站2#專線供電，或由UET主電站3#專線供電；③3#、4#專線同時(shí)失電，由SHR主電站1#、2#、3#、4#專線供電，當(dāng) UET 或 SHR 主電站全部退出，只有 1 座主電站向全線供電時(shí)，密切關(guān)注電力負(fù)載運(yùn)行狀態(tài)，必要時(shí)退出客流較少的車站三級不重要負(fù)荷，可以考慮對 15～24 號車站停用三級負(fù)荷。針對SHR主電站故障有11種方案：①1#專線失電，由UET主電站3#專線供電，或由SHR主電站3#專線供電；②2#專線失電，由UET主電站4#專線供電，或由SHR主電站4#專線供電；③3#專線失電，由UET主電站3#專線供電，或由SHR主電站1#專線供電；④4#專線失電，由UET主電站4#專線供電，或由SHR主電站2#專線供電；⑤1#、2#專線同時(shí)失電，由UET主電站3#、4#專線供電，或分別由SHR主電站3#、4#專線供電；⑥1#、3#專線同時(shí)失電，由UET主電站3#專線供電，或由SHR主電站4#專線供電，或由SHR主電站2#專線供電；⑦1#、4#專線同時(shí)失電，由UET主電站3#、4#專線供電，或分別由SHR主電站2#、3#專線供電；⑧2#、3#專線同時(shí)失電，由UET主電站3#、4#專線供電，或分別由SHR主電站1#、4#專線供電；⑨2#、4#專線同時(shí)失電，由UET主電站3#、4#專線供電，或由SHR主電站1#專線供電，或由SHR主電站3#專線供電；⑩3#、4#專線同時(shí)失電，由UET主電站3#、4#專線供電，或分別由SHR主電站1#、2#專線供電；11 1#、2#、3#、4#專線同時(shí)失電，由UET主電站3#、4#專線供電，當(dāng) UET 或 SHR 主電站其中一座全部退出，只有 1 座主電站向全線供電時(shí)，密切關(guān)注電力負(fù)載運(yùn)行狀態(tài)，必要時(shí)退出客流較少的車站三級不重要負(fù)荷，可以考慮對 15～24 號車站停用三級負(fù)荷。針對UET、SHR主電站同時(shí)故障有1種方案：當(dāng)2座主站所有專線同時(shí)失電時(shí)，已經(jīng)沒有外部主電源，不滿足運(yùn)營條件，應(yīng)立即啟動全線停電應(yīng)急預(yù)案，即盡快啟動每一座車站柴油發(fā)電機(jī)，通過柴油發(fā)電機(jī)向車站重要應(yīng)急設(shè)備反向供電，只能滿足車站客流疏散、應(yīng)急照明，疏散指示、站臺門應(yīng)急門打開等，便于客流引導(dǎo)；同時(shí)，配合行調(diào)組織所有列車維持進(jìn)站開門待令，減少站間乘客疏散組織工作；通知控制中心值班主任通報(bào)當(dāng)?shù)毓╇娋趾彤?dāng)?shù)嘏哉谄帐〗煌ü芾聿块T，了解原因及請求安排支援橙線，橙線內(nèi)部安排專業(yè)人員檢查主電站進(jìn)線斷路器是否出現(xiàn)長時(shí)間失電導(dǎo)致斷路器自鎖，造成無法操作，以及檢查主電站蓄電池組模塊，保障高壓設(shè)備的二次控制電源。

（2）人員管理。優(yōu)化電力調(diào)度員配班，根據(jù)技術(shù)水平和專業(yè)知識熟練程度合理安排在崗調(diào)度員工作配合；在年度和月度工作計(jì)劃中，增加應(yīng)急場景演練和技術(shù)培訓(xùn)課程，通過每月技術(shù)培訓(xùn)和各類典型案例技術(shù)會交流，分享經(jīng)驗(yàn)；評估突發(fā)處置應(yīng)急演練，檢驗(yàn)培訓(xùn)效果，有效提高工作效率和應(yīng)急處置能力。

（3）外部資源管理。每季度主動與旁遮普省交通主管部門、地方供電局交流，為橙線供電可靠性、電網(wǎng)改善運(yùn)行質(zhì)量出謀獻(xiàn)策，既完善合約規(guī)程，并要求供電局提高處置效應(yīng)和加大設(shè)備檢修力度，最大程度確保電網(wǎng)正常運(yùn)行，最大幅度減少對橙線的不良影響。

4 執(zhí)行應(yīng)對措施后效果

4.1 提升供電質(zhì)量

全面執(zhí)行應(yīng)對措施和應(yīng)急程序后，據(jù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，外部電壓波動頻率從原有的日均5次減少至2次，故障停電從每日最多8次下降到每日最多3次，AC33kV電壓和AC400V電壓波動頻率環(huán)比下降60%，供電可靠性顯著提高，實(shí)現(xiàn)DC750V接觸軌零停電；與此同時(shí)，橙線控制中心、車站及當(dāng)?shù)毓╇娋趾炇鹣嚓P(guān)條約，當(dāng)出現(xiàn)嚴(yán)重電壓波動，要求當(dāng)?shù)毓╇娋衷?0 min內(nèi)完成應(yīng)急處置，避免故障擴(kuò)大，若無法實(shí)現(xiàn)，可由控制中心與車站有序組織處置，力求在5 min內(nèi)恢復(fù)行車、10 min內(nèi)恢復(fù)車站正常客運(yùn)服務(wù)，減少對乘客出行影響，維持運(yùn)營組織的主動權(quán)。

4.2 運(yùn)營服務(wù)質(zhì)量有效保障

根據(jù)運(yùn)營服務(wù)指標(biāo)，電壓波動造成停電（含接觸軌）導(dǎo)致5 min以上晚點(diǎn)事件，從最多12列次降低至3 列次，列車正點(diǎn)率提高60%；可靠度從原有最高晚點(diǎn)15 min，降低至最低晚點(diǎn)5 min，列車服務(wù)可靠度得到顯著提高；目前，日均上線20列車，共開行290列次，日均客運(yùn)量達(dá)到9萬人次。

5 結(jié)語

面對拉合爾當(dāng)?shù)毓╇娰|(zhì)量較差的情況，采用措施后最大限度保障了設(shè)備運(yùn)行，降低主變壓器及低壓設(shè)備損耗，減少斷路器跳閘次數(shù)，避免大量列車在運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)無電壓停車，乘客服務(wù)和安全運(yùn)營可靠性顯著提高，乘客服務(wù)質(zhì)量逐漸變好。但仍需繼續(xù)研究學(xué)習(xí)先進(jìn)技術(shù)理念，增加先進(jìn)設(shè)備的使用實(shí)現(xiàn)自動化調(diào)控，減少人工介入操作，增強(qiáng)業(yè)務(wù)技能以及不斷優(yōu)化應(yīng)急操作流程和處置方案，竭力實(shí)現(xiàn)運(yùn)營最優(yōu)狀態(tài)。