地铁直流1500V网压越上限报警问题研究与分析

曹双胜 李瑜龙

摘 要：本文首先从供电、车辆角度出发，对西安地铁三号线直流1500V网压上升进行理论研究和计算，同时结合实际测试数据，对理论研究结果进行反向验证，最终分析供电、车辆系统与网压上升的关系，查找三号线直流1500V网压越上限频繁报警问题根源并提出整改方案，彻底消除频繁报警对于电力调度监控所造成的干扰。

关键词：地铁 直流网压 越上限报警

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

供电系统是地铁重要系统之一，供电设备运行状态是否良好直接关系运营安全和服务质量，随着变电所综合自动化系统的不断发展，供电设备运行状态信息不断上传至控制中心电力调度监控工作站，实现设备状态的远程监控，对于及时发现设备异常作用明显，但从实际使用经验来看，并不是所有的上传信息均能起到积极作用，相反可能对正常监控产生干扰影响。本文通过系统性分析，查找西安地铁三号线直流1500V网压越上限频繁报警问题根源，并提出问题解决措施。

1 问题现象

西安地铁三号线通过综合监控系统设置直流1500V网压越上限报警功能，现场采集各牵混所直流1500V母线电压，当母线电压值大于设定报警值（DC1750V）时，电力调度监控工作站上出现直流1500V网压越上限报警信息，提示工作人员加强设备巡查。

三号线自开通初期以来，白天运营期间电力调度监控站频繁出现直流1500V网压越上限报警问题，部分报警信息见图1，报警频率约为30条/分钟，最高每日可达到3万余条，报警信息量巨大，对电力调度正常监控造成严重干扰，期间也曾发生过因电力调度监控站信息量大而导致人员遗漏重要开关跳闸报文，延误故障处置时间。

2 初期对策和效果

西安地铁一、二号线开通初期也存在同类问题，经对网压越上限报警设定值适当调高后，报警信息量减少，因此三号线初期采取一、二号线相同的处理方式，将综合监控系统直流网压越上限报警设定值由1750V提高至1785V。

报警值调整后，经过一段时间运行观察，报警信息量并未下降，每日仍在3万余条左右，直流1500V最高网压达到1819V，已超过直流1500V供电系统电压正常范围（1000V-1800V），报警问题并未彻底消除。

3 直流网压上升分析

3.1 供电系统分析（正向网压上升）

西安地铁牵引变电所高压侧电压为AC35kV，通过24脉波整流机组（整流变压器和整流器）的降压、整流作用，将AC35kV电压转化为DC1500V电压供给地铁接触网，为电客车提供直流牵引用电，牵引供电主电路见图2。该供电方式直流侧空载情况下，整流变压器高压侧施加35×（1+0.05）kV的交流电压时，直流侧输出电压不应超过1800V。

3.1.1 直流网压理论计算

（1）整流变压器参数

采用无励磁分级调压；原边额定电压35kV；次边额定电压1180V；原边分接抽头的分接范围±2?2.5%。

（2）最大网压计算值

晚间运营线路停运后，在无车状态下（模拟直流侧空载）对三号线全线35kV电压数据进行采集，其最大电压值=36.5kV；

根据以上理论计算，在供电系统正向电源注入下，目前西安地铁三号线直流1500V最大网压值应为1738V。

3.1.2 直流网压实测数据

考虑夜间运营停运，线路无车状态下，直流负载最小，末端1500V网压最高。在此期间对三号线直流1500V实时网压数据进行分时段监测，监测统计结果见表1。根据统计结果，三号线直流1500V网压最高值为1741V，与3.1.1中理论计算的最大网压值基本吻合。

3.1.3 供电系统分析结论

（1）地铁三号线直流1500V实际网压大小在既有供电设备的工况下，与理论计算结果基本吻合，网压处于正常水平。

（2）目前三号线直流1500V网压最高为1741V，远低于直流越上限1785V报警设定值，供电系统电源电压非直流越上限报警问题的主因。

3.2 车辆系统分析（反向网压上升）

列车制动分为机械制动和电气制动，其中电气制动又分为再生制动和電阻制动，再生制动是在列车制动时把车辆的动能转化为电能并反馈至供电电网，多余的电能将通过制动电阻以热量形式消耗。

3.2.1 再生制动工作原理

列车制动时电动机的工作方式从原来的受电转动改变为轮对带动电动机转动而发电，此时电动机等效于发电机使用，此过程把列车的动能转成电能通过供电电网馈送出去进行储存或供后续列车使用，实现电能的再生循环使用，再生制动电流流向如图3所示。

列车再生制动产生的电能不断的累加，从而造成电网电压抬高，当网压超出一定的范围时，为了保证设备安全运行及列车正常制动，此时制动电阻投入工作，将多余的电能通过热量形式消耗，实现强制降压，电阻制动电流流向如图4所示。

3.2.2 列车制动过程中网压变化趋势分析

三号线列车采用阿尔斯通牵引系统，电阻制动启动阈值为DC1800V（打开常数为8%），全功率投入阈值为DC1850V（打开常数为100%）。由此可见，该牵引系统下列车制动过程中向电网反馈电能，促使供电系统直流1500V网压反向上升，该过程中列车电制动可分为三个阶段：

（1）第一阶段：网压升高至DC1800V之前

再生制动完全工作，转化的电能全部反馈至电网被相邻列车吸收，此阶段网压上升率最高。

（2）第二阶段：网压升高至DC1800V-DC1850V之间

再生制动逐渐削弱，电阻制动启动并逐步投入工作，转化的电能一部分反馈至电网被相邻列车吸收，另一部分被车载制动电阻消耗，此阶段网压上升率逐步下降。

（3）第三阶段：网压升高至DC1850V之后

再生制动停止工作，电阻制动全功率投入工作，转化的电能全部被车载制动电阻消耗，此阶段制动列车停止向电网反馈电能，网压因其它启动列车取流开始逐步下降。

3.2.3 列车制动实际网压值

运营高峰时段选取一列运营列车，统计列车启、停循环过程中的牵引-制动实际网压值，统计结果见表2。根据统计数据可以看出：

（1）列车正常运行阶段，网压维持在DC1580V-DC1620V之间；

（2）列车再生制动阶段，网压在22s内由DC1621V上升至DC1793V，上升率约为8V/s。

（3）列车再生制动+电阻制动阶段，网压在31s内由DC1803V上升至DC1820V，上升率约为0.5V/s。

以上网压大小实际统计数据与3.2.2中分析的网压变化趋势情况基本相符，并且列车在制动过程中对网压的抬升已超过1500V直流网压越上限报警设定值（DC1785V）。

3.2.4 车辆系统分析结论

与一、二号线日立牵引系统相比，三号线电阻制动启动电压变高（一、二号线为DC1720V启动，DC1800V再生制动完全停止，电阻制动全功率投入），反馈到直流1500V供电电网中的再生能量较一、二号线增多，由此导致网压抬升也相对较大。此结论与一、二号线直流网压越上限报警信息量、网压抬升量远远小于三号线的实际表象相符。

4 直流网压越上限报警问题根源

根据供电系统、车辆系统对于直流1500V网压上升影响的分析，可以得出三号线出现直流1500V网压升高、直流越上限频繁报警问题的主要原因为列车电制动过程中，电阻制动的启动电压设定值较高，达到直流1500V供电系统网压上限值1800V，全功率投入工作电压设定值更是达到了1850V，此参数设置下列车再生制动的能量更多的传递至供电直流电网，促使网压抬升较大，远超出直流网压越上限报警值（DC1785V）。

5 问题解决方案

5.1 方案制定

根据系统性分析结论，提出两种解决方案：

方案一：调整三号线车辆牵引配置标准，将制动电阻启动电压（即网压上限值）由DC1800V降低为DC1720V。

方案二：屏蔽三号线电力调度监控工作站直流1500V网压越上限报警功能。

5.2 方案分析

5.2.1 方案一

制动电阻启动电压参数调整技术可行，但降低制动电阻启动电压值后，主要存在以下不利影响：

（1）延长制动电阻的投切时间，增大制动电阻耗散功率，增加制动电阻发热量，产生的高温可能会造成列车其他设备或电缆的损坏，同时也可能对制动电阻的工作寿命产生不利影响，对于有強迫风冷的制动电阻，列车必须提供强迫风，此过程也会造成一定的电能浪费。

（2）缩短列车再生制动工作时间，减少再生制动反馈的电能，再生电能被其他列车的吸收量大大下降，从而加大直流牵引供电系统的输出功率，不利于系统节能。据国内相关研究结果表明，车载制动电阻启动电压值由1800V下调至1750V，列车再生制动能量利用率下降约3%，牵引供电系统能耗增涨约1.4%。

5.2.2 方案二

屏蔽直流网压越上限报警功能技术可行、修改过程简单。

（1）必要性方面，目前报警信息过多已对电力调度正常监控产生干扰，同时报警均为瞬间恢复，无法制定有效的人员现场应对措施，报警作用体现不明显，必要性不强。

（2）安全性方面，该报警功能为综合监控系统设置，与车辆和供电专业设备功能无直接关联。在网压升高的情况下，车辆高速断路器分闸并牵引封锁，能够安全保护车辆设备；供电牵引整流机组的逆流保护能够有效防止整流二极管反向击穿问题。因此，屏蔽报警功能后，车辆、供电设备的运行安全不会受到任何影响。

5.3 方案选取

在技术可行的情况下，方案一提出的降低车载制动电阻启动电压值，会对电阻自身寿命产生不确定影响，同时不利于系统性节能；方案二无论从必要性或是安全性上，均不会对地铁设备的正常运行产生影响，另据了解国内多数地铁线路中并未设置直流网压越上限报警功能。

综合以上对比分析及多方论证，西安地铁最终选择方案二，将三号线综合监控电力调度工作站中直流1500V网压越上限报警功能屏蔽，以达到彻底解决网压越上限频繁报警问题的目的。

6 结语

屏蔽直流1500V网压越上限报警功能后，电力调度工作站有效报文信息量得到很好的控制，对于电力调度的日常设备状态远程监控起到了积极作用，同时供电、车辆设备运行正常未受影响，报警问题处理效果显著。

通过系统性分析，同时也对后续地铁线路综合监控中设置直流网压越上限报警值提出要求，即要求系统设计过程中应充分考虑供电系统、车辆系统电制动对于直流1500V网压大小的相互影响，避免出现关联系统之间的参数设定出现不匹配现象。

参考文献：

[1] 龚孟荣.等效24脉波整流机组原理分析[J]. 铁道勘测与设计，2008.

[2] 陈磊.网压上限值对地铁列车再生制动能量利用的影响[J]. 城市轨道交通，2014.

作者简介：曹双胜（1971.6-）男，陕西蒲城，大学本科，工程师，地铁运营管理.设备维保。单位：西安市地下铁道有限责任

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