沈建強(qiáng)

(上海地鐵維護(hù)保障有限公司，201106，上海//工程師)

1 牽引供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

根據(jù)GB 50157—2013《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》，城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)原則如下：

(1) 牽引負(fù)荷應(yīng)根據(jù)運(yùn)營高峰小時(shí)行車密度、車輛編組、車輛類型及特性、線路資料等計(jì)算確定。牽引整流機(jī)組容量宜按遠(yuǎn)期負(fù)荷確定。

(2) 正常運(yùn)行方式下，兩相鄰牽引變電所應(yīng)對(duì)其同一供電分區(qū)采用雙邊供電方式。

(3) 當(dāng)正線的中間牽引變電所退出運(yùn)行時(shí)，應(yīng)由相鄰的兩座牽引變電所依靠其兩套牽引整流機(jī)組的過負(fù)荷能力實(shí)施大雙邊供電。

2 牽引供電系統(tǒng)聯(lián)調(diào)測(cè)試

通過搭建各種測(cè)試場(chǎng)景進(jìn)行牽引供電系統(tǒng)供電能力測(cè)試。測(cè)試前，對(duì)車輛負(fù)載特征進(jìn)行分析，并聯(lián)合設(shè)計(jì)單位對(duì)牽引供電系統(tǒng)和車輛的負(fù)荷特性進(jìn)行分析，包括對(duì)牽引供電系統(tǒng)的各種運(yùn)行模式所對(duì)應(yīng)的負(fù)荷運(yùn)行進(jìn)行編排；重點(diǎn)對(duì)接觸網(wǎng)在不同運(yùn)行方式(雙邊供電、單邊供電、大雙邊供電)下的供電能力進(jìn)行檢驗(yàn)，并記錄AW0(空載)、AW3(超載)等不同載荷列車的起動(dòng)電流波形；同時(shí)觀察牽引供電設(shè)備(DC 1 500 V開關(guān)柜及保護(hù)、鋼軌電位限制裝置等)是否發(fā)生誤動(dòng)作，以確保牽引供電系統(tǒng)的供電能力滿足標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)計(jì)要求；復(fù)核設(shè)計(jì)單位關(guān)于運(yùn)營過程中的負(fù)載狀態(tài)，以確保線路安全運(yùn)營。

(1) 測(cè)試時(shí)間——一般分兩個(gè)階段開展：第一階段跟隨AW3列車跑車測(cè)試，時(shí)間預(yù)計(jì)為1 d；第二階段跟隨AW0列車試運(yùn)行高密度跑車測(cè)試，時(shí)間預(yù)計(jì)為1 d。同時(shí)，應(yīng)在線路開通前滿足基本行車安全保障的各項(xiàng)要求。

(2) 測(cè)試地點(diǎn)——一般選取一個(gè)單邊供電分區(qū)及一個(gè)大雙邊供電分區(qū)進(jìn)行測(cè)試，供電分區(qū)中宜包含本線路的最大坡度。同時(shí)，應(yīng)對(duì)既有的供電分區(qū)條件進(jìn)行確認(rèn)，包括線路區(qū)間長(zhǎng)度、既有的接觸網(wǎng)(軌)的基本參數(shù)。

(3) 測(cè)試人員——一般由城市軌道交通建設(shè)管理單位牽頭組織，供電系統(tǒng)施工單位與直流開關(guān)柜廠家具體實(shí)施，城市軌道交通運(yùn)營管理單位、供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)及監(jiān)理單位參與見證，車輛廠家現(xiàn)場(chǎng)保駕。

3 牽引供電系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試技術(shù)方案

3.1 測(cè)試場(chǎng)景的搭建

以某城市軌道交通1號(hào)線為例進(jìn)行測(cè)試分析。該線路的列車旅行速度約為35 km/h。由于牽引整流機(jī)組容量一般按遠(yuǎn)期負(fù)荷確定，故選取該線路的遠(yuǎn)期高峰小時(shí)列車開行對(duì)數(shù)(30對(duì)/h)進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)上述數(shù)據(jù)可以推算出：遠(yuǎn)期高峰小時(shí)兩列列車之間的間隔約為1.167 km，且一個(gè)大雙邊供電分區(qū)可能會(huì)出現(xiàn)4列列車同時(shí)起動(dòng)的情況?？紤]到線路開通試運(yùn)營前的綜合聯(lián)調(diào)、試運(yùn)行、運(yùn)營演練等工作的統(tǒng)籌安排，牽引供電系統(tǒng)供電能力測(cè)試推薦選取以下兩種典型場(chǎng)景進(jìn)行。

3.1.1 接觸網(wǎng)單邊供電模式下的單列AW3車測(cè)試和多列AW0車測(cè)試

(1) 單邊供電模式下單列AW3車測(cè)試場(chǎng)景如圖1所示。在單列AW3車起動(dòng)情況下，通過該場(chǎng)景可以測(cè)得完整的列車起動(dòng)電流波形，該波形對(duì)牽引供電系統(tǒng)繼電保護(hù)整定值的設(shè)定與校驗(yàn)具有重要參考價(jià)值。重點(diǎn)對(duì)列車起動(dòng)過程、惰行及制動(dòng)狀態(tài)下的負(fù)載特征進(jìn)行對(duì)比測(cè)試。通過測(cè)試數(shù)據(jù)，可以對(duì)列車負(fù)載特性下的實(shí)際工程數(shù)據(jù)進(jìn)行全面分析，以進(jìn)一步為后續(xù)的故障判斷提供數(shù)據(jù)。

圖1 單邊供電模式下單列AW3車測(cè)試場(chǎng)景

(2) 單邊供電模式下2列AW0車測(cè)試場(chǎng)景如圖2所示。通過該場(chǎng)景可以測(cè)得2列AW0車同時(shí)起動(dòng)的電流波形，同時(shí)也可以考驗(yàn)單邊供電模式下牽引供電系統(tǒng)的極限能力。該極限能力是牽引供電系統(tǒng)故障情況下提供有效運(yùn)行供電的保障能力。

圖2 單邊供電模式下2列AW0車測(cè)試場(chǎng)景

3.1.2 接觸網(wǎng)大雙邊供電模式下的單列AW3車測(cè)試和多列AW0車測(cè)試

(1) 大雙邊供電模式下單列AW3車測(cè)試場(chǎng)景如圖3所示。通過該場(chǎng)景可以測(cè)得單列AW3車完整的起動(dòng)電流波形?？梢耘c單邊供電模式下單列AW3車測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析?？蔀閱蝹€(gè)牽引變電站解列情況下的供電運(yùn)行負(fù)載需求提供依據(jù)。可對(duì)線路中間點(diǎn)電壓能否滿足線路上列車運(yùn)行最低電壓需求進(jìn)行驗(yàn)證。

圖3 大雙邊供電模式下單列AW3車測(cè)試場(chǎng)景

(2) 大雙邊供電模式下4列AW0車測(cè)試場(chǎng)景如圖4所示。重點(diǎn)對(duì)大雙邊供電情況下接觸網(wǎng)的運(yùn)行負(fù)荷進(jìn)行測(cè)試，并對(duì)接觸網(wǎng)的網(wǎng)壓進(jìn)行分析。該場(chǎng)景可以測(cè)得4列AW0車同時(shí)起動(dòng)情況下的電流波形，同時(shí)也可以考驗(yàn)大雙邊供電模式下牽引供電系統(tǒng)的極限能力，并為極限情況下列車編組運(yùn)行的控制匹配性提供參考依據(jù)。

圖4 大雙邊供電模式下4列AW0車測(cè)試場(chǎng)景

3.2 供電能力測(cè)試流程

圖5為牽引供電系統(tǒng)供電能力測(cè)試流程圖。

圖5 牽引供電系統(tǒng)供電能力測(cè)試流程圖

3.3 數(shù)據(jù)采集

(1) 數(shù)據(jù)采集方法一：使用示波器在直流開關(guān)柜二次側(cè)采集電流表計(jì)的輸出信號(hào)。

(2) 數(shù)據(jù)采集方法：使用直流電流測(cè)試儀在上網(wǎng)電纜側(cè)通過安裝直流電流互感器采集電流信號(hào)。

3.4 數(shù)據(jù)的分析

以某城市軌道交通1號(hào)線為例，該線路的直流饋線保護(hù)主要有電流速斷保護(hù)、電流變化率保護(hù)、電流增量保護(hù)等，具體參數(shù)見表1。該線路的牽引供電能力測(cè)試內(nèi)容為單邊供電模式下單列AW3車測(cè)試和大雙邊供電模式下4列AW0車測(cè)試，測(cè)試使用示波器在直流開關(guān)柜二次側(cè)采集電流表計(jì)的輸出信號(hào)。

表1 直流饋線保護(hù)類型及其參數(shù)表

3.4.1 單邊供電模式下單列AW3車測(cè)試

圖6為單邊供電模式下的單列AW3車起動(dòng)電流波形。

由圖6可知：列車在運(yùn)行過程中，單列AW3車起動(dòng)電流峰值出現(xiàn)在B點(diǎn)到C點(diǎn)，數(shù)值約為2 200 A，持續(xù)時(shí)間約為4 s；列車起動(dòng)電流從A點(diǎn)到B點(diǎn)持續(xù)穩(wěn)定上升，上升率約為190 A/s。若換算成2列AW3車同時(shí)起動(dòng)，則起動(dòng)電流峰值約為4 400 A，持續(xù)時(shí)間約為4 s；上升率約為380 A/s(0.38 A/ms)。與表1中該線路直流饋線保護(hù)參數(shù)數(shù)值對(duì)比可知：

(1) 單邊供電模式下2列AW3車同時(shí)起動(dòng)電流峰值(4 400 A)未達(dá)到電流速斷保護(hù)的整定值(9 000 A)；

注：縱坐標(biāo)為電壓，每一格0.5 V，變比為10 000 A/5 V；橫坐標(biāo)為時(shí)間，每一格5 s

圖6 單邊供電模式下的單列AW3車起動(dòng)電流波形

(2) 單邊供電模式下2列AW3車同時(shí)起動(dòng)電流峰值(4 400 A)雖然超過電流變化率保護(hù)的整定值(3 500 A)，但其持續(xù)時(shí)間(4 s)遠(yuǎn)小于電流變化率保護(hù)的整定值(40 s)；

(3) 單邊供電模式下2列AW3車同時(shí)起動(dòng)電流上升率(0.38 A/ms)，電流上升斜率較低，且電流上升持續(xù)時(shí)間為秒級(jí)數(shù)據(jù)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于保護(hù)整定數(shù)據(jù)，未達(dá)到電流增量保護(hù)的整定值(25 A/ms)。

3.4.2 大雙邊供電模式下4列AW0車測(cè)試

圖7為大雙邊供電模式下的4列AW0車起動(dòng)電流波形。

注：縱坐標(biāo)為電壓，每一格0.5 V，變比為10 000 A/5 V；橫坐標(biāo)為時(shí)間，每一格5 s

圖7 大雙邊供電模式下4列AW0車起動(dòng)電流波形

由圖7可知：4列AW0車起動(dòng)電流峰值出現(xiàn)在B點(diǎn)到C點(diǎn)，最大值約為4 000 A，最小值約為3 000 A，持續(xù)時(shí)間約為7 s；列車起動(dòng)電流從A點(diǎn)到B點(diǎn)持續(xù)穩(wěn)定上升，上升率約為363 A/s(0.36 A/ms)。另一方面，對(duì)側(cè)牽引變電所直流饋線開關(guān)的電流峰值約為3 182 A。與表1中該線路直流饋線保護(hù)參數(shù)數(shù)值對(duì)比可知：

(1) 大雙邊供電模式下4列AW0車同時(shí)起動(dòng)電流峰值(4 000 A)未達(dá)到電流速斷保護(hù)的整定值(9 000 A)；

(2) 大雙邊供電模式下4列AW0車同時(shí)起動(dòng)電流峰值(4 000 A)雖然超過電流變化率保護(hù)的整定值(3 500 A)，但其持續(xù)時(shí)間(7 s)遠(yuǎn)小于電流變化率保護(hù)的整定值(40 s)；

(3) 大雙邊供電模式下4列AW0車同時(shí)起動(dòng)電流上升率(0.36 A/ms)未達(dá)到電流增量保護(hù)的整定值(25 A/ms)。

綜上所述，該線路的牽引供電系統(tǒng)在單邊供電模式下可以滿足2列AW3列車同時(shí)起動(dòng)的負(fù)荷需求，在大雙邊供電模式下可以滿足4列AW0列車同時(shí)起動(dòng)的負(fù)荷需求，其牽引供電能力滿足標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)計(jì)的相關(guān)要求。通過對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行后期分析，可以發(fā)現(xiàn)既有設(shè)計(jì)單位的基本測(cè)試數(shù)據(jù)能滿足線路初期和負(fù)載特性需求。

4 結(jié)語

進(jìn)行牽引供電系統(tǒng)供電能力的場(chǎng)景測(cè)試，對(duì)于新建線路的開通運(yùn)營具有重要意義。通過該測(cè)試，可以測(cè)量出不同載荷列車的起動(dòng)電流波形，再結(jié)合車輛和車站機(jī)電的負(fù)載特征進(jìn)行對(duì)比分析，并以此分析結(jié)果為依據(jù)，可分析出不同牽引供電模式下的列車通過能力。該測(cè)試所得數(shù)據(jù)，可為線路后期運(yùn)營階段各類故障狀態(tài)下的行車組織及對(duì)應(yīng)的負(fù)載需求提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐，為今后城市軌道交通供電系統(tǒng)運(yùn)營方式的調(diào)整提供數(shù)據(jù)支持及依據(jù)，同時(shí)也能為新建線路在牽引變電站出現(xiàn)各類故障情況下的運(yùn)行保障提供技術(shù)依據(jù)。