劉 輝 劉 哲

不停電倒閘縱聯(lián)有載裝置在地鐵供電系統(tǒng)的試運(yùn)行分析

劉 輝 劉 哲

摘 要：為滿足地鐵直流牽引雙邊供電不停電檢修的要求，針對(duì)新研制的不停電倒閘縱聯(lián)有載裝置在北京地鐵昌平線沙河站掛網(wǎng)試運(yùn)行進(jìn)行詳細(xì)描述，考核了不停電倒閘縱聯(lián)有載裝置的各項(xiàng)性能指標(biāo)。試運(yùn)行結(jié)果表明，不停電倒閘縱聯(lián)開關(guān)裝置各項(xiàng)性能指標(biāo)符合國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及軌道交通供電行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，完全滿足地鐵運(yùn)營(yíng)使用需要。

關(guān)鍵詞：直流牽引；地鐵供電；縱聯(lián)有載裝置；試運(yùn)行；測(cè)試

劉 輝：北京市地鐵運(yùn)營(yíng)有限公司地鐵運(yùn)營(yíng)技術(shù)研發(fā)中心，高級(jí)工程師，北京 102208

0　引言

為了保障地鐵安全可靠的運(yùn)行，在其直流牽引系統(tǒng)中采用雙邊供電的方式，由1個(gè)變電所向兩邊的線路供電，在相鄰兩牽引變電所之間的接觸網(wǎng)用分區(qū)亭中的開關(guān)連接，由兩變電所同時(shí)供電，即為單線雙邊供電[1～2]。采用雙邊供電的方式能縮小接觸網(wǎng)故障停電范圍和檢修停電范圍。目前國(guó)內(nèi)地鐵多在牽引網(wǎng)電分段處設(shè)縱聯(lián)電動(dòng)隔離開關(guān)，以保證在牽引變電所解列時(shí)實(shí)行大雙邊供電。

為保證設(shè)備和人身安全，對(duì)縱聯(lián)電動(dòng)隔離開關(guān)都設(shè)置了必要的操作聯(lián)鎖。因閉鎖邏輯復(fù)雜需要大量的硬接線和繼電器，對(duì)于工程實(shí)施以及運(yùn)行維護(hù)都會(huì)帶來(lái)很多的不便。同時(shí)，由于要依賴大量長(zhǎng)距離的硬接線和繼電器節(jié)點(diǎn)來(lái)構(gòu)成電氣聯(lián)鎖回路，其可靠性也必然會(huì)受到影響，很可能因某個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題而影響地鐵的實(shí)際運(yùn)營(yíng)。

更重要的是，利用縱聯(lián)電動(dòng)隔離開關(guān)實(shí)現(xiàn)大雙邊供電的過(guò)程中必須先切斷對(duì)應(yīng)區(qū)段的供電，會(huì)造成列車長(zhǎng)時(shí)間暫停營(yíng)運(yùn)。實(shí)現(xiàn)大雙邊供電的具體操作程序?yàn)?，首先分?jǐn)喙收献冸娬镜闹绷黟伋鲩_關(guān)和上網(wǎng)柜開關(guān)，再分?jǐn)嘞噜徸冸娬窘o故障站供電分區(qū)供電的直流饋出開關(guān)，然后閉合故障變電站的縱聯(lián)電動(dòng)隔離開關(guān)，最后閉合相鄰變電站給故障站供電分區(qū)供電的直流饋出開關(guān)，故障變電站解列，從而實(shí)現(xiàn)大雙邊供電。由于縱聯(lián)電動(dòng)隔離開關(guān)不能實(shí)現(xiàn)帶載分合操作，故操作過(guò)程中必須停止對(duì)應(yīng)區(qū)段的供電，并且需要調(diào)度協(xié)調(diào)3個(gè)站的倒閘秩序，從而導(dǎo)致列車較長(zhǎng)時(shí)間暫停運(yùn)營(yíng)，影響列車運(yùn)行圖的正常運(yùn)行。

因此，地鐵建設(shè)迫切需求簡(jiǎn)便可靠的以縱聯(lián)有載開關(guān)為核心元件的不停電倒閘縱聯(lián)開關(guān)裝置產(chǎn)品。

1　國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)目前還沒有可作為軌道交通的有載負(fù)荷開關(guān)產(chǎn)品。一些國(guó)內(nèi)廠家正在研制此類開關(guān)產(chǎn)品。

國(guó)內(nèi)軌道交通行業(yè)也有將縱聯(lián)電動(dòng)隔離開關(guān)換成直流快速斷路器實(shí)現(xiàn)無(wú)聯(lián)鎖倒閘作業(yè)的方式，但其體積大，安裝復(fù)雜，成本較高，同時(shí)直流快速斷路器存在隔離開距小、無(wú)應(yīng)急手動(dòng)操作等缺點(diǎn)，因此，并未得到廣泛應(yīng)用。

國(guó)外主要從事有色金屬冶煉行業(yè)的德國(guó)RITTER公司有結(jié)合銅電解滅弧系統(tǒng)衍生出可作為軌道交通有載負(fù)荷的開關(guān)產(chǎn)品。但其價(jià)格昂貴，成本很高，不適宜在國(guó)內(nèi)應(yīng)用。因此，開發(fā)研制具有國(guó)產(chǎn)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新型直流牽引開關(guān)電器是一件非常必要且具有現(xiàn)實(shí)意義的工作。

2　不停電倒閘縱聯(lián)有載裝置

我們研制了一種以可分?jǐn)囝~定電流、關(guān)合短路電流的縱聯(lián)有載開關(guān)為主的成套不停電倒閘縱聯(lián)開關(guān)裝置來(lái)替代現(xiàn)有的縱聯(lián)電動(dòng)隔離開關(guān)柜，調(diào)度人員可以根據(jù)需要隨時(shí)操作縱聯(lián)有載開關(guān)。任何1路饋出開關(guān)故障退出或牽引變電所檢修解列，都可以快速閉合縱聯(lián)有載開關(guān)，實(shí)現(xiàn)大雙邊供電，為運(yùn)行中電力調(diào)度操作帶來(lái)極大的便利和快捷，從根本上解決因停電倒閘作業(yè)帶來(lái)列車暫停運(yùn)營(yíng)的問題。

根據(jù)國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及軌道交通行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制定了型式試驗(yàn)大綱，不停電倒閘縱聯(lián)開關(guān)裝置順利完成檢試大綱所規(guī)定的全部型式試驗(yàn)。為進(jìn)一步驗(yàn)證不停電倒閘縱聯(lián)開關(guān)裝置的各項(xiàng)性能指標(biāo)及在地鐵供電系統(tǒng)內(nèi)的適用性，將其在北京地鐵昌平線沙河站開展了掛網(wǎng)試運(yùn)行工作。

3　試運(yùn)行方案

不停電倒閘縱聯(lián)開關(guān)裝置一次主回路接口與站內(nèi)原縱聯(lián)用斷路器柜主回路接口并聯(lián)，二次電氣控制回路與端子柜相應(yīng)端子連接，以實(shí)現(xiàn)不停電倒閘縱聯(lián)開關(guān)裝置的合、分閘操作和開關(guān)狀態(tài)信號(hào)上傳、與本站斷路器聯(lián)鎖功能以及實(shí)現(xiàn)與相鄰變電站斷路器的大雙邊聯(lián)跳功能。

在試運(yùn)行中，不停電倒閘縱聯(lián)開關(guān)裝置在地鐵列車運(yùn)行的各種工況下進(jìn)行倒閘投切操作，記錄分?jǐn)嗖ㄐ渭霸囼?yàn)數(shù)據(jù)，考核縱聯(lián)有載裝置分?jǐn)嗄芰霸O(shè)計(jì)余量，并進(jìn)行全工作周期掛網(wǎng)運(yùn)行，記錄電流值及溫度值，以考核縱聯(lián)有載裝置載流能力及設(shè)計(jì)余量。

2014年11月，在北京地鐵昌平線沙河站牽引變電站做掛網(wǎng)試運(yùn)行，涉及鞏華城、沙河高教園相鄰2個(gè)牽引變電站。圖1中B站為沙河站，813是原縱聯(lián)柜，試驗(yàn)柜是不停電倒閘縱聯(lián)有載裝置。

圖1　試運(yùn)行供電線路示意圖

4　測(cè)試項(xiàng)目

4.1空載大雙邊倒切

夜間線路停運(yùn)后，線上無(wú)列車，昌平線鞏華城、沙河、沙河高教園750 V送電，此時(shí)，進(jìn)行空載大雙邊倒切。斷開沙河（B）站相應(yīng)的饋線柜斷路器10、30和隔離開關(guān)16、36，不停電倒閘縱聯(lián)有載裝置執(zhí)行合閘動(dòng)作，動(dòng)作正常，B站解列；不停電倒閘縱聯(lián)有載裝置執(zhí)行分閘動(dòng)作。每次倒閘，裝置應(yīng)動(dòng)作正常，記錄不停電倒閘縱聯(lián)有載裝置分?jǐn)嗖ㄐ?，測(cè)量不停電倒閘縱聯(lián)有載裝置斷口最大電流值、過(guò)電壓值、全分?jǐn)鄷r(shí)間、燃弧時(shí)間，其中燃弧時(shí)間不超過(guò)200 ms。

4.2載流能力試驗(yàn)（溫升測(cè)試）

斷開B站相應(yīng)的饋線柜斷路器10、30和隔離開關(guān)16、36，不停電倒閘縱聯(lián)有載裝置執(zhí)行合閘動(dòng)作，B站解列，對(duì)應(yīng)區(qū)域投入大雙邊供電。大雙邊供電運(yùn)行1個(gè)工作日，每隔1 h用無(wú)線測(cè)溫儀測(cè)試開關(guān)規(guī)定測(cè)試點(diǎn)的溫升，記錄對(duì)應(yīng)電流值，測(cè)試點(diǎn)溫升不超過(guò)60 K，該項(xiàng)試驗(yàn)需在早上4：30地鐵送電至晚上12：00停電的全天工作周期內(nèi)完成。

4.3帶載大雙邊倒切

進(jìn)行載流能力試驗(yàn)時(shí)，選取時(shí)間段，不停電倒閘縱聯(lián)有載裝置進(jìn)行帶載大雙邊倒切。不停電倒閘縱聯(lián)有載裝置執(zhí)行合閘動(dòng)作，動(dòng)作正常，B站解列；不停電倒閘縱聯(lián)有載裝置執(zhí)行分閘動(dòng)作。完成后，閉合不停電倒閘縱聯(lián)有載裝置，繼續(xù)載流能力試驗(yàn)。每次倒閘，裝置應(yīng)動(dòng)作正常，記錄不停電倒閘縱聯(lián)有載裝置分?jǐn)嗖ㄐ?，測(cè)量不停電倒閘縱聯(lián)有載裝置斷口最大電流值、過(guò)電壓值、全分?jǐn)鄷r(shí)間、燃弧時(shí)間，其中燃弧時(shí)間不超過(guò)200 ms。帶載大雙邊倒閘試驗(yàn)應(yīng)選取客流高峰時(shí)段時(shí)地鐵列車處于不同工況下進(jìn)行。

5　試運(yùn)行測(cè)試回路

5.1測(cè)試設(shè)備

1套不停電倒閘縱聯(lián)有載裝置。

數(shù)據(jù)采集儀：用于記錄縱聯(lián)開關(guān)的分、合閘波形，不參與系統(tǒng)控制。

無(wú)線測(cè)溫儀：監(jiān)控縱聯(lián)有載開關(guān)的載流溫升，超溫報(bào)警。

隔離放大器：隔離試品方向過(guò)來(lái)的可能存在的高電壓信號(hào)，匹配測(cè)量信號(hào)以便數(shù)據(jù)采集儀采集波形。

分壓電阻器：使較低量程的測(cè)量設(shè)備可以測(cè)量較高電壓等級(jí)的電壓。

5.2測(cè)試回路

北京地鐵現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)線測(cè)量回路接線示意圖見圖2。

圖2　試驗(yàn)測(cè)試回路示意圖

6　試運(yùn)行測(cè)試內(nèi)容

最大電流：不停電倒閘縱聯(lián)開關(guān)裝置分閘操作過(guò)程中，進(jìn)出線母排間出現(xiàn)的最大電流。

過(guò)電壓：不停電倒閘縱聯(lián)開關(guān)裝置分閘操作過(guò)程中，進(jìn)出線母排間出現(xiàn)的最大電壓。

全分?jǐn)鄷r(shí)間：從不停電倒閘縱聯(lián)開關(guān)裝置分閘線圈得電到不停電倒閘縱聯(lián)有載裝置進(jìn)出線母排間電流為零的時(shí)間。

燃弧時(shí)間：不停電倒閘縱聯(lián)開關(guān)裝置縱聯(lián)有載開關(guān)觸頭之間從拉弧到電弧完全熄滅的時(shí)間。

電流：載流能力試驗(yàn)時(shí)，不停電倒閘縱聯(lián)開關(guān)裝置進(jìn)出線母排間實(shí)時(shí)電流值。

溫度：載流能力試驗(yàn)時(shí)，不停電倒閘縱聯(lián)開關(guān)裝置進(jìn)出線母排間實(shí)時(shí)溫度值。

7　試運(yùn)行測(cè)試數(shù)據(jù)采集方法

7.1斷口電壓的測(cè)量

確認(rèn)系統(tǒng)停電后，用2根高壓導(dǎo)線（導(dǎo)線用圓形線鼻子固定在母排上）從縱聯(lián)有載裝置進(jìn)出線母排分別接入測(cè)量板上的直流斷路器（型號(hào)GM5-63 C20A OF DC1000V/4P），測(cè)量板分壓電阻器（電阻值5 MΩ）的輸入端也接入該斷路器，在斷路器10或斷路器30線路測(cè)試通過(guò)并合閘送電后，合上該斷路器即可實(shí)現(xiàn)測(cè)量回路的投入，在需要切除測(cè)量回路時(shí)，斷開該斷路器即可。斷口電壓的測(cè)量需要帶電操作完成。

直流斷路器、測(cè)量板和控制箱的實(shí)物圖見圖3。

7.2主回路電流的測(cè)量

從縱聯(lián)有載裝置的霍爾電流傳感器取得電壓信號(hào)，然后經(jīng)試驗(yàn)柜電壓跟隨器后再次進(jìn)入外設(shè)的隔離放大器，最后進(jìn)入數(shù)據(jù)采集儀。此通道可以直接測(cè)量出試驗(yàn)電流波形，并與斷口電壓波形配合測(cè)量出燃弧時(shí)間。

7.3線圈電壓的測(cè)量

從縱聯(lián)有載裝置分閘線圈兩端并聯(lián)接入分壓電阻，從分壓電阻信號(hào)端接入隔離放大器輸入端，從輸出端接入數(shù)據(jù)采集儀。此通道采集的波形可以和主回路電流波形通道配合測(cè)量出全分?jǐn)鄷r(shí)間。

圖3　直流斷路器、測(cè)量板和控制箱

8　試運(yùn)行測(cè)試記錄

8.1載流能力測(cè)試記錄

載流能力試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

表1　載流能力試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄

從表1記錄的溫度值可以看出，在整個(gè)工作周期內(nèi)，不停電倒閘縱聯(lián)有載裝置進(jìn)出線母排并無(wú)明顯溫升，可見載流能力具有較大設(shè)計(jì)余量，完全具備長(zhǎng)期運(yùn)行的能力。

8.2試驗(yàn)相關(guān)波形記錄

測(cè)試記錄了地鐵列車各種工況下縱聯(lián)有載裝置分合閘斷口電流及電壓波形。以啟動(dòng)時(shí)縱聯(lián)有載裝置分閘斷口電流及電壓波形（圖4）及試驗(yàn)數(shù)據(jù)（表2）為例，其中，U為不停電倒閘縱聯(lián)有載裝置斷口兩端電壓；I 為不停電倒閘縱聯(lián)有載裝置分閘斷口電流值；Uxq為不停電倒閘縱聯(lián)有載裝置分閘線圈電壓。

圖4　列車啟動(dòng)時(shí)縱聯(lián)有載裝置分閘斷口電流及電壓波形

表2　列車啟動(dòng)時(shí)縱聯(lián)有載裝置分閘斷口試驗(yàn)數(shù)據(jù)

還分別測(cè)試了地鐵列車惰行時(shí)、進(jìn)站制動(dòng)時(shí)、加速運(yùn)行時(shí)縱聯(lián)有載裝置分閘斷口電流、電壓波形及試驗(yàn)數(shù)據(jù)，燃弧時(shí)間均不超過(guò)200 ms，過(guò)電壓均不超過(guò)2倍的最高工作電壓，即1 800 V，全分?jǐn)鄷r(shí)間均不超過(guò)240 ms，達(dá)到國(guó)際電工委員會(huì)標(biāo)準(zhǔn)（IEC）對(duì)鐵路應(yīng)用直流開關(guān)設(shè)備的要求。

根據(jù)試運(yùn)行試驗(yàn)波形及相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，大雙邊供電不停電倒閘縱聯(lián)開關(guān)裝置各項(xiàng)性能指標(biāo)符合國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及軌道交通供電行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，完全滿足地鐵運(yùn)營(yíng)使用需要，試運(yùn)行圓滿成功。

9　結(jié)束語(yǔ)

本裝置在保證實(shí)現(xiàn)性能指標(biāo)的前提下，采用成熟技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)；開關(guān)組件中各部件相對(duì)對(duì)立，弧室和弧觸頭為組件形式，便于維護(hù)和更換；電磁鐵和彈簧機(jī)構(gòu)動(dòng)作可靠性高。完全滿足城市軌道交通環(huán)境使用條件，達(dá)到城市軌道交通直流供電牽引系統(tǒng)要求。

下一步計(jì)劃在運(yùn)力更大的地鐵線路上進(jìn)行長(zhǎng)期掛網(wǎng)試運(yùn)行，以進(jìn)一步全面考核不停電倒閘縱聯(lián)有載裝置的各項(xiàng)性能指標(biāo)。

參考文獻(xiàn)

[1] 鄭瞳熾，張明銳. 城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)[M]. 北京：中國(guó)鐵道出版社，2004.

[2] 董曉冬，趙國(guó)偉，袁志宏. 直流牽引供電系統(tǒng)橫聯(lián)雙邊運(yùn)行方式分析[J]. 都市快軌交通，2012，25（3）：112-114.

責(zé)任編輯 冒一平

Commissioning Analysis of Un-interruption Power Switching Longitudinal Load Device in Metro Power Supply System

Liu Hui, Liu Zhe

Abstract:In order to meet the requirements of metro DC bilateral traction for un-interruption power supply maintenance, for trial operation of the newly developed longitudinal load device for uninterruption power switching in Shahe station, Changping line of Beijing metro, examinations have done on the performance and functions. The trial run results have shown that the performance of the un-interruption power switching longitudinal load devices are in line with the requirements of the related national standards and rail transit power supply industry standards, fully satisfying the needs of metro operation.

Keywords:DC traction, metro power supply, longitudinal load device, commissioning, test

收稿日期2014-12-25

中圖分類號(hào)：U231.8