浦江線供電軌系統優化研究

徐攀 翟鳴 史文釗 湯培峰

摘 要：針對浦江線供電系統運營以來發生的問題，提出優化措施，通過技術手段降低供電軌系統問題導致的故障影響，減少浦江線供電系統的維護工作量，降低運營成本，提高供電系統可靠性和壽命，也為后續中運量APM300供電系統設計提供參考建議。

關鍵詞：供電系統;優化研究;二極管裝置; APM300

APM300膠輪系統在爬坡能力、轉彎能力、噪音控制、振動控制、無人駕駛、美觀等方面，具有很好的優勢。上海浦江線牽引供電系統，采用了國內軌道交通慣用的雙電源雙整流機組方案，雙整流機組平均分布在各變電所同一35KV中壓母線分段上，即使單個牽引變電所退出運行，對牽引供電系統幾乎沒有影響。比較國外APM牽引供電系統常采用單電源單整流機組或單電源雙牽引整流機組方案，牽引供電系統可靠性更高。供電軌設備選型采用APM300專用的鋼鋁復合供電軌，供電電壓為直流±375V，采用側部授流方式。浦江線在投用運行不久，即發現車輛在經過上下行供電軌電分段時，由供電軌兩端壓差較大，最大壓差可達100V以上，拉弧嚴重并灼傷供電軌，同時也導致列車受流器碳滑塊壽命受到影響，對車輛安全穩定運行構成較大影響。

一、浦江線供電軌系統問題概述

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。GS是對應道岔區域的供電軌供電開關。GC和GCT是供電軌聯絡開關。JB是用于不同線徑電纜轉換的電纜轉接箱。ISO和AG是供電軌電分段，其中ISO通過分段絕緣器實現電分段，AG通過空氣絕緣實現電分段。

圖一種A、B兩站均為牽引站，C站無牽引。A站1、2號整流機組均來自35KV 一段母線;B站1、2號整流機組均來自35KV 二段母線。為防止單側供電軌短路故障，影響到另一側，正常運行方式下，GCT2開關為分閘狀態。GS15開關用于SW15道岔區域供電軌供電，正常運行時合于下行側。

浦江線在開通前的調試階段，列車經過AG05時，出現了一次比較嚴重的脫靴故障，維修人員下線檢查供電軌，發現接觸面存在嚴重燒蝕及磨損現象，如圖2所示，并對供電軌進行了更換。第二天下線復查，發現供電軌再次出現嚴重燒蝕及磨損情況。維修人員通過在受流器上方安裝監控視頻，發現列車經過上下行連接電分段AG05、ISO09、AG07時，均存在明顯的拉弧現象和拉弧聲音。通過電力監控系統，查看A、B兩站的NC11開關和NC22開關饋出電壓，其瞬時的最大差值達到了約100V。

二、浦江線供電軌系統原因分析

根據電弧定義，在大氣中開斷電路時，若加在觸頭上的電壓超過12-20V，被開斷的電流超過0.25-1A，在觸頭間隙（也稱弧隙）中通常產生一團溫度極高、發出強光且能夠導電的近似圓柱形的氣體。

在原有的供電軌分區設計中，由于AG05、ISO09、AG07兩側，在正常情況下為獨立的供電分區，通過設置電分段實現電氣隔離。當兩側之間供電負載不均衡時，將導致電壓差的存在，列車通過兩側牽引供電電分段時，在受流器滑過供電軌電分段的瞬間，將會在受流器和供電軌之間產生拉弧和橫跨電流，于是產生了上述供電軌拉弧損傷現象。

拉弧問題會導致以下兩個問題：（1）嚴重的拉弧造成供電軌的不銹鋼接觸面嚴重燒灼損壞，影響列車受流器的平滑過渡，且接觸面燒灼后可導致供電軌和受流器之間的接觸電阻進一步增加，拉弧現象繼續惡化。（2）嚴重的拉弧不僅損壞供電軌，且會對列車受流器造成嚴重的電腐蝕，大大降低受流器的使用壽命。

供電軌電分段處的拉弧問題，不僅導致供電軌和受流器的壽命減少，更換頻繁，并最終使APM系統的維護和運營成本增加。因此，必須采取一些技術措施，改善壓差導致的拉弧問題。

三、浦江線供電軌系統優化方案

1、并聯供電方案

GCT2為上下行供電軌聯絡開關。根據原設計，GCT2在正常運行時，為打開狀態，當任意一座變電所整體故障退出運行時，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，故上下行之間聯絡的電分段AG05、ISO09、AG07間的電勢差減少。利用該原理，運維團隊閉合了GCT2，并通過查看靴軌監控和現場檢查的方式，確認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。

該方案優點是實施簡單，經濟性高，但也存在不足：當線路上任意一點供電軌發生接地或短路故障后，將導致全線變電所直流開關跳閘，運營影響較大。對調度人員處置故障的業務能力要求較高。

2、導向導通二極管裝置消弧方案

利用二極管單向導通的特性，安裝在供電軌電分段交界處，可起到消除受流器滑過不同供電軌電分段時，由于壓差引起的拉弧或內部導線的瞬時過載現象。

圖3為安裝單向導通二極管裝置，簡化前、后的等效原理圖。具體方案如下：在既有供電軌正、負極電分段的左右兩側，各新增一個電分段。并在新增的電分段處各安裝一個二極管回路，形成兩個供電軌單向供電隔離緩沖區。

圖3中形成兩個供電軌單向供電隔離緩沖區可阻止電分斷絕緣接頭兩側不同供電區域之間的反向供電。例如圖中的供電左側區和右側區，在安裝二極管后，當整列車受流器跨接左側區和右側區之間的電分段時，電流只會從左側區和右側區供電軌流向列車負載設備，而不會產生從左側區和右側區，或從右側區和左側區的橫跨電流，這就防止了二者之間的橫跨電流的產生。

當車輛經過電分段時，2#受流器剛好跨接在斷口上，將兩側導通，同時左右兩側的二極管斷口，沒有被車輛受流器短路的情況下，整個供電軌分成了三段，即a、b-c和d段。設Ua電壓高，則由于二極管的存在，有Ua=Ub=Uc>Ud（忽略二極管導通壓降），右側二極管反向截止，兩側供電軌之間通路被阻斷。若Ub電壓高，情況亦然。

當車輛繼續前行，車輛后方1#受流器跨接在電分段上時，此時左右兩側的二極管斷口依然不會被其它車輛的受流器短路，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。