城市軌道交通牽引聯調典型場景測試研究

沈建強

(上海地鐵維護保障有限公司，201106，上海//工程師)

1 牽引供電系統設計原則

根據GB 50157—2013《地鐵設計規范》，城市軌道交通牽引供電系統的主要設計原則如下：

(1) 牽引負荷應根據運營高峰小時行車密度、車輛編組、車輛類型及特性、線路資料等計算確定。牽引整流機組容量宜按遠期負荷確定。

(2) 正常運行方式下，兩相鄰牽引變電所應對其同一供電分區采用雙邊供電方式。

(3) 當正線的中間牽引變電所退出運行時，應由相鄰的兩座牽引變電所依靠其兩套牽引整流機組的過負荷能力實施大雙邊供電。

2 牽引供電系統聯調測試

通過搭建各種測試場景進行牽引供電系統供電能力測試。測試前，對車輛負載特征進行分析，并聯合設計單位對牽引供電系統和車輛的負荷特性進行分析，包括對牽引供電系統的各種運行模式所對應的負荷運行進行編排；重點對接觸網在不同運行方式(雙邊供電、單邊供電、大雙邊供電)下的供電能力進行檢驗，并記錄AW0(空載)、AW3(超載)等不同載荷列車的起動電流波形；同時觀察牽引供電設備(DC 1 500 V開關柜及保護、鋼軌電位限制裝置等)是否發生誤動作，以確保牽引供電系統的供電能力滿足標準及設計要求；復核設計單位關于運營過程中的負載狀態，以確保線路安全運營。

(1) 測試時間——一般分兩個階段開展：第一階段跟隨AW3列車跑車測試，時間預計為1 d；第二階段跟隨AW0列車試運行高密度跑車測試，時間預計為1 d。同時，應在線路開通前滿足基本行車安全保障的各項要求。

(2) 測試地點——一般選取一個單邊供電分區及一個大雙邊供電分區進行測試，供電分區中宜包含本線路的最大坡度。同時，應對既有的供電分區條件進行確認，包括線路區間長度、既有的接觸網(軌)的基本參數。

(3) 測試人員——一般由城市軌道交通建設管理單位牽頭組織，供電系統施工單位與直流開關柜廠家具體實施，城市軌道交通運營管理單位、供電系統設計及監理單位參與見證，車輛廠家現場保駕。

3 牽引供電系統現場測試技術方案

3.1 測試場景的搭建

以某城市軌道交通1號線為例進行測試分析。該線路的列車旅行速度約為35 km/h。由于牽引整流機組容量一般按遠期負荷確定，故選取該線路的遠期高峰小時列車開行對數(30對/h)進行計算。根據上述數據可以推算出：遠期高峰小時兩列列車之間的間隔約為1.167 km，且一個大雙邊供電分區可能會出現4列列車同時起動的情況。考慮到線路開通試運營前的綜合聯調、試運行、運營演練等工作的統籌安排，牽引供電系統供電能力測試推薦選取以下兩種典型場景進行。

3.1.1 接觸網單邊供電模式下的單列AW3車測試和多列AW0車測試

(1) 單邊供電模式下單列AW3車測試場景如圖1所示。在單列AW3車起動情況下，通過該場景可以測得完整的列車起動電流波形，該波形對牽引供電系統繼電保護整定值的設定與校驗具有重要參考價值。重點對列車起動過程、惰行及制動狀態下的負載特征進行對比測試。通過測試數據，可以對列車負載特性下的實際工程數據進行全面分析，以進一步為后續的故障判斷提供數據。

圖1 單邊供電模式下單列AW3車測試場景

(2) 單邊供電模式下2列AW0車測試場景如圖2所示。通過該場景可以測得2列AW0車同時起動的電流波形，同時也可以考驗單邊供電模式下牽引供電系統的極限能力。該極限能力是牽引供電系統故障情況下提供有效運行供電的保障能力。

圖2 單邊供電模式下2列AW0車測試場景

3.1.2 接觸網大雙邊供電模式下的單列AW3車測試和多列AW0車測試

(1) 大雙邊供電模式下單列AW3車測試場景如圖3所示。通過該場景可以測得單列AW3車完整的起動電流波形。可以與單邊供電模式下單列AW3車測試數據進行對比分析。可為單個牽引變電站解列情況下的供電運行負載需求提供依據。可對線路中間點電壓能否滿足線路上列車運行最低電壓需求進行驗證。

圖3 大雙邊供電模式下單列AW3車測試場景

(2) 大雙邊供電模式下4列AW0車測試場景如圖4所示。重點對大雙邊供電情況下接觸網的運行負荷進行測試，并對接觸網的網壓進行分析。該場景可以測得4列AW0車同時起動情況下的電流波形，同時也可以考驗大雙邊供電模式下牽引供電系統的極限能力，并為極限情況下列車編組運行的控制匹配性提供參考依據。

圖4 大雙邊供電模式下4列AW0車測試場景

3.2 供電能力測試流程

圖5為牽引供電系統供電能力測試流程圖。

圖5 牽引供電系統供電能力測試流程圖

3.3 數據采集

(1) 數據采集方法一：使用示波器在直流開關柜二次側采集電流表計的輸出信號。

(2) 數據采集方法：使用直流電流測試儀在上網電纜側通過安裝直流電流互感器采集電流信號。

3.4 數據的分析

以某城市軌道交通1號線為例，該線路的直流饋線保護主要有電流速斷保護、電流變化率保護、電流增量保護等，具體參數見表1。該線路的牽引供電能力測試內容為單邊供電模式下單列AW3車測試和大雙邊供電模式下4列AW0車測試，測試使用示波器在直流開關柜二次側采集電流表計的輸出信號。

表1 直流饋線保護類型及其參數表

3.4.1 單邊供電模式下單列AW3車測試

圖6為單邊供電模式下的單列AW3車起動電流波形。

由圖6可知：列車在運行過程中，單列AW3車起動電流峰值出現在B點到C點，數值約為2 200 A，持續時間約為4 s；列車起動電流從A點到B點持續穩定上升，上升率約為190 A/s。若換算成2列AW3車同時起動，則起動電流峰值約為4 400 A，持續時間約為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參數數值對比可知：

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

注：縱坐標為電壓，每一格0.5 V，變比為10 000 A/5 V；橫坐標為時間，每一格5 s

圖6 單邊供電模式下的單列AW3車起動電流波形

(2) 單邊供電模式下2列AW3車同時起動電流峰值(4 400 A)雖然超過電流變化率保護的整定值(3 500 A)，但其持續時間(4 s)遠小于電流變化率保護的整定值(40 s)；

(3) 單邊供電模式下2列AW3車同時起動電流上升率(0.38 A/ms)，電流上升斜率較低，且電流上升持續時間為秒級數據，遠遠低于保護整定數據，未達到電流增量保護的整定值(25 A/ms)。

3.4.2 大雙邊供電模式下4列AW0車測試

圖7為大雙邊供電模式下的4列AW0車起動電流波形。

注：縱坐標為電壓，每一格0.5 V，變比為10 000 A/5 V；橫坐標為時間，每一格5 s

圖7 大雙邊供電模式下4列AW0車起動電流波形

由圖7可知：4列AW0車起動電流峰值出現在B點到C點，最大值約為4 000 A，最小值約為3 000 A，持續時間約為7 s；列車起動電流從A點到B點持續穩定上升，上升率約為363 A/s(0.36 A/ms)。另一方面，對側牽引變電所直流饋線開關的電流峰值約為3 182 A。與表1中該線路直流饋線保護參數數值對比可知：

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

(2) 大雙邊供電模式下4列AW0車同時起動電流峰值(4 000 A)雖然超過電流變化率保護的整定值(3 500 A)，但其持續時間(7 s)遠小于電流變化率保護的整定值(40 s)；

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

綜上所述，該線路的牽引供電系統在單邊供電模式下可以滿足2列AW3列車同時起動的負荷需求，在大雙邊供電模式下可以滿足4列AW0列車同時起動的負荷需求，其牽引供電能力滿足標準及設計的相關要求。通過對測試數據進行后期分析，可以發現既有設計單位的基本測試數據能滿足線路初期和負載特性需求。

4 結語

進行牽引供電系統供電能力的場景測試，對于新建線路的開通運營具有重要意義。通過該測試，可以測量出不同載荷列車的起動電流波形，再結合車輛和車站機電的負載特征進行對比分析，并以此分析結果為依據，可分析出不同牽引供電模式下的列車通過能力。該測試所得數據，可為線路后期運營階段各類故障狀態下的行車組織及對應的負載需求提供基礎數據支撐，為今后城市軌道交通供電系統運營方式的調整提供數據支持及依據，同時也能為新建線路在牽引變電站出現各類故障情況下的運行保障提供技術依據。