徐攀 翟鳴 史文釗 湯培峰

摘 要：針對(duì)浦江線供電系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)以來(lái)發(fā)生的問(wèn)題，提出優(yōu)化措施，通過(guò)技術(shù)手段降低供電軌系統(tǒng)問(wèn)題導(dǎo)致的故障影響，減少浦江線供電系統(tǒng)的維護(hù)工作量，降低運(yùn)營(yíng)成本，提高供電系統(tǒng)可靠性和壽命，也為后續(xù)中運(yùn)量APM300供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考建議。

關(guān)鍵詞：供電系統(tǒng);優(yōu)化研究;二極管裝置; APM300

APM300膠輪系統(tǒng)在爬坡能力、轉(zhuǎn)彎能力、噪音控制、振動(dòng)控制、無(wú)人駕駛、美觀等方面，具有很好的優(yōu)勢(shì)。上海浦江線牽引供電系統(tǒng)，采用了國(guó)內(nèi)軌道交通慣用的雙電源雙整流機(jī)組方案，雙整流機(jī)組平均分布在各變電所同一35KV中壓母線分段上，即使單個(gè)牽引變電所退出運(yùn)行，對(duì)牽引供電系統(tǒng)幾乎沒(méi)有影響。比較國(guó)外APM牽引供電系統(tǒng)常采用單電源單整流機(jī)組或單電源雙牽引整流機(jī)組方案，牽引供電系統(tǒng)可靠性更高。供電軌設(shè)備選型采用APM300專(zhuān)用的鋼鋁復(fù)合供電軌，供電電壓為直流±375V，采用側(cè)部授流方式。浦江線在投用運(yùn)行不久，即發(fā)現(xiàn)車(chē)輛在經(jīng)過(guò)上下行供電軌電分段時(shí)，由供電軌兩端壓差較大，最大壓差可達(dá)100V以上，拉弧嚴(yán)重并灼傷供電軌，同時(shí)也導(dǎo)致列車(chē)受流器碳滑塊壽命受到影響，對(duì)車(chē)輛安全穩(wěn)定運(yùn)行構(gòu)成較大影響。

一、浦江線供電軌系統(tǒng)問(wèn)題概述

浦江線正線供電軌牽引供電如圖1所示，圖中SW是道岔編號(hào)。GS是對(duì)應(yīng)道岔區(qū)域的供電軌供電開(kāi)關(guān)。GC和GCT是供電軌聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)。JB是用于不同線徑電纜轉(zhuǎn)換的電纜轉(zhuǎn)接箱。ISO和AG是供電軌電分段，其中ISO通過(guò)分段絕緣器實(shí)現(xiàn)電分段，AG通過(guò)空氣絕緣實(shí)現(xiàn)電分段。

圖一種A、B兩站均為牽引站，C站無(wú)牽引。A站1、2號(hào)整流機(jī)組均來(lái)自35KV 一段母線;B站1、2號(hào)整流機(jī)組均來(lái)自35KV 二段母線。為防止單側(cè)供電軌短路故障，影響到另一側(cè)，正常運(yùn)行方式下，GCT2開(kāi)關(guān)為分閘狀態(tài)。GS15開(kāi)關(guān)用于SW15道岔區(qū)域供電軌供電，正常運(yùn)行時(shí)合于下行側(cè)。

浦江線在開(kāi)通前的調(diào)試階段，列車(chē)經(jīng)過(guò)AG05時(shí)，出現(xiàn)了一次比較嚴(yán)重的脫靴故障，維修人員下線檢查供電軌，發(fā)現(xiàn)接觸面存在嚴(yán)重?zé)g及磨損現(xiàn)象，如圖2所示，并對(duì)供電軌進(jìn)行了更換。第二天下線復(fù)查，發(fā)現(xiàn)供電軌再次出現(xiàn)嚴(yán)重?zé)g及磨損情況。維修人員通過(guò)在受流器上方安裝監(jiān)控視頻，發(fā)現(xiàn)列車(chē)經(jīng)過(guò)上下行連接電分段AG05、ISO09、AG07時(shí)，均存在明顯的拉弧現(xiàn)象和拉弧聲音。通過(guò)電力監(jiān)控系統(tǒng)，查看A、B兩站的NC11開(kāi)關(guān)和NC22開(kāi)關(guān)饋出電壓，其瞬時(shí)的最大差值達(dá)到了約100V。

二、浦江線供電軌系統(tǒng)原因分析

根據(jù)電弧定義，在大氣中開(kāi)斷電路時(shí)，若加在觸頭上的電壓超過(guò)12-20V，被開(kāi)斷的電流超過(guò)0.25-1A，在觸頭間隙（也稱(chēng)弧隙）中通常產(chǎn)生一團(tuán)溫度極高、發(fā)出強(qiáng)光且能夠?qū)щ姷慕茍A柱形的氣體。

在原有的供電軌分區(qū)設(shè)計(jì)中，由于AG05、ISO09、AG07兩側(cè)，在正常情況下為獨(dú)立的供電分區(qū)，通過(guò)設(shè)置電分段實(shí)現(xiàn)電氣隔離。當(dāng)兩側(cè)之間供電負(fù)載不均衡時(shí)，將導(dǎo)致電壓差的存在，列車(chē)通過(guò)兩側(cè)牽引供電電分段時(shí)，在受流器滑過(guò)供電軌電分段的瞬間，將會(huì)在受流器和供電軌之間產(chǎn)生拉弧和橫跨電流，于是產(chǎn)生了上述供電軌拉弧損傷現(xiàn)象。

拉弧問(wèn)題會(huì)導(dǎo)致以下兩個(gè)問(wèn)題：（1）嚴(yán)重的拉弧造成供電軌的不銹鋼接觸面嚴(yán)重?zé)茡p壞，影響列車(chē)受流器的平滑過(guò)渡，且接觸面燒灼后可導(dǎo)致供電軌和受流器之間的接觸電阻進(jìn)一步增加，拉弧現(xiàn)象繼續(xù)惡化。（2）嚴(yán)重的拉弧不僅損壞供電軌，且會(huì)對(duì)列車(chē)受流器造成嚴(yán)重的電腐蝕，大大降低受流器的使用壽命。

供電軌電分段處的拉弧問(wèn)題，不僅導(dǎo)致供電軌和受流器的壽命減少，更換頻繁，并最終使APM系統(tǒng)的維護(hù)和運(yùn)營(yíng)成本增加。因此，必須采取一些技術(shù)措施，改善壓差導(dǎo)致的拉弧問(wèn)題。

三、浦江線供電軌系統(tǒng)優(yōu)化方案

1、并聯(lián)供電方案

GCT2為上下行供電軌聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)。根據(jù)原設(shè)計(jì)，GCT2在正常運(yùn)行時(shí)，為打開(kāi)狀態(tài)，當(dāng)任意一座變電所整體故障退出運(yùn)行時(shí)，將GCT2閉合，可以提高供電軌電壓。GCT2閉合后，由于上下行供電軌被并聯(lián)，故上下行之間聯(lián)絡(luò)的電分段AG05、ISO09、AG07間的電勢(shì)差減少。利用該原理，運(yùn)維團(tuán)隊(duì)閉合了GCT2，并通過(guò)查看靴軌監(jiān)控和現(xiàn)場(chǎng)檢查的方式，確認(rèn)AG05、ISO09、AG07拉弧及供電軌磨損情況明顯減少，證明閉合GCT2，可以改善壓差拉弧情況。

該方案優(yōu)點(diǎn)是實(shí)施簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)性高，但也存在不足：當(dāng)線路上任意一點(diǎn)供電軌發(fā)生接地或短路故障后，將導(dǎo)致全線變電所直流開(kāi)關(guān)跳閘，運(yùn)營(yíng)影響較大。對(duì)調(diào)度人員處置故障的業(yè)務(wù)能力要求較高。

2、導(dǎo)向?qū)ǘO管裝置消弧方案

利用二極管單向?qū)ǖ奶匦?，安裝在供電軌電分段交界處，可起到消除受流器滑過(guò)不同供電軌電分段時(shí)，由于壓差引起的拉弧或內(nèi)部導(dǎo)線的瞬時(shí)過(guò)載現(xiàn)象。

圖3為安裝單向?qū)ǘO管裝置，簡(jiǎn)化前、后的等效原理圖。具體方案如下：在既有供電軌正、負(fù)極電分段的左右兩側(cè)，各新增一個(gè)電分段。并在新增的電分段處各安裝一個(gè)二極管回路，形成兩個(gè)供電軌單向供電隔離緩沖區(qū)。

圖3中形成兩個(gè)供電軌單向供電隔離緩沖區(qū)可阻止電分?jǐn)嘟^緣接頭兩側(cè)不同供電區(qū)域之間的反向供電。例如圖中的供電左側(cè)區(qū)和右側(cè)區(qū)，在安裝二極管后，當(dāng)整列車(chē)受流器跨接左側(cè)區(qū)和右側(cè)區(qū)之間的電分段時(shí)，電流只會(huì)從左側(cè)區(qū)和右側(cè)區(qū)供電軌流向列車(chē)負(fù)載設(shè)備，而不會(huì)產(chǎn)生從左側(cè)區(qū)和右側(cè)區(qū)，或從右側(cè)區(qū)和左側(cè)區(qū)的橫跨電流，這就防止了二者之間的橫跨電流的產(chǎn)生。

當(dāng)車(chē)輛經(jīng)過(guò)電分段時(shí)，2#受流器剛好跨接在斷口上，將兩側(cè)導(dǎo)通，同時(shí)左右兩側(cè)的二極管斷口，沒(méi)有被車(chē)輛受流器短路的情況下，整個(gè)供電軌分成了三段，即a、b-c和d段。設(shè)Ua電壓高，則由于二極管的存在，有Ua=Ub=Uc>Ud（忽略二極管導(dǎo)通壓降），右側(cè)二極管反向截止，兩側(cè)供電軌之間通路被阻斷。若Ub電壓高，情況亦然。

當(dāng)車(chē)輛繼續(xù)前行，車(chē)輛后方1#受流器跨接在電分段上時(shí)，此時(shí)左右兩側(cè)的二極管斷口依然不會(huì)被其它車(chē)輛的受流器短路，則仍然可以保持單向截止的功能，阻斷了供電軌壓差形成的橫跨電流。