從直流網壓越上限問題引發的地鐵節能思考

李瑜龍

摘 要：根據西安地鐵三號線發生的直流1 500 V網壓越上限頻繁報警問題，本文通過系統性分析，查找出問題的根源，并由此引發制動電阻啟動電壓對于地鐵節能影響的思考，綜合論證后最終提出問題的最優解決方案，同時對城市軌道交通項目設計階段關于制動電阻啟動電壓提出相應的工作建議。

關鍵詞：地鐵;直流網壓;節能;制動電阻

電力調度作為電力設備的遠程監控、調管人員，需通過監控工作站隨時掌握電力設備運行狀態，現場電力設備信息主要通過綜合監控系統上傳后中央，西安地鐵三號線開通初期出現了牽引直流網壓越上限頻繁報警的典型問題，本文通過研究分析，查找出問題根源與列車制動電阻啟動電壓值的設置大小關系密切，同時因制動電阻啟動電壓關系到地鐵節能問題，繼而進行綜合論證，最終提出問題的最優解決方案，并對城市軌道交通項目設計階段關于制動電阻啟動電壓提出相關工作建議。

1 故障描述

西安地鐵三號線設置直流1 500 V網壓越上限報警功能，當綜合監控系統現場采集變電所直流1 500 V母線電壓大于設定報警值（DC1 750 V）時，中央電調工作站發出直流1 500 V網壓越上限報警信息。自該條線路開通運營以來，電調工作站頻繁出現直流1 500 V網壓越上限報警問題，報警頻率約為35條/分鐘，最高每日可達到3萬余條，嚴重干擾電力調度對電力設備的正常監控，期間發生了因電調工作站信息量過大，導致人員遺漏重要開關跳閘信息，影響故障處置效率。

2 臨時措施

鑒于西安地鐵前期開通線路運營初期也存在同類問題，將網壓越上限報警設定值調高后，報警信息量減少，因此三號線采取相同的處理方式，將越上限報警值由1 750 V提高至1 785 V。經運行觀察，報警信息量未減少，問題并未徹底消除。

3 直流牽引網壓分析

3.1 供電系統分析

供電系統采用中壓環網AC35 kV向直流牽引變電所供電，直流側通過24脈波整流機組將AC35 kV轉化為DC1 500 V，為車輛提供直流電源，牽引供電主電路見圖1。按照設計要求，直流側空載情況下，當整流變壓器高壓側為35×（1+5%）kV時，直流輸出電壓不應超過1 800 V。

3.1.1 直流網壓理論計算

（1）整流變壓器參數。采用無勵磁分級調壓;原邊額定電壓35 kV;次邊額定電壓1 180 V;原邊分接抽頭的分接范圍±2×2.5%。

（2）最大網壓計算值。晚間運營線路停運后，在無車狀態下（模擬直流側空載）對三號線全線35 kV電壓數據進行采集，其最大電壓值=36.5 kV;

三號線全線整流變壓器均設置在中間檔位，變比==29.7;

整流變壓器次邊輸出最大交流電壓==1.229 kV;

雙臺整流機組24脈波直流側空載輸出電壓=1.738 kV。

根據以上理論計算，在供電系統正向電源注入下，目前西安地鐵三號線直流1 500 V最大網壓值應為1 738 V。

3.1.2 直流網壓實測數據

考慮夜間運營停運，線路無車狀態下，直流負載最小，末端1 500 V網壓最高。在此期間對三號線直流1 500 V實時網壓數據進行分時段監測，監測統計結果見表1。根據統計結果，三號線直流1 500 V網壓最高值為1 741 V，與3.1.1中理論計算的最大網壓值基本吻合。

3.1.3 供電系統分析結論

（1）地鐵三號線直流1 500 V實際網壓大小在既有供電設備的工況下，與理論計算結果基本吻合，網壓處于正常水平。

（2）目前三號線直流1 500 V網壓最高為1 741 V，遠低于直流越上限1 785 V報警設定值，供電系統電源電壓非直流越上限報警問題的主因。

3.2 車輛系統分析

列車制動分為機械制動和電氣制動，其中電氣制動又分為再生制動和電阻制動，再生制動是在列車制動時把車輛的動能轉化為電能并反饋至供電電網，多余的電能將通過制動電阻以熱量形式消耗。

3.2.1 再生制動工作原理

列車制動時電動機的工作方式從原來的受電轉動改變為輪對帶動電動機轉動而發電，此時電動機等效于發電機使用，此過程把列車的動能轉成電能通過供電電網饋送出去進行儲存或供后續列車使用，實現電能的再生循環使用，再生制動電流流向如圖2所示。

列車再生制動產生的電能不斷的累加，相鄰列車無法完全吸收時，會造成電網電壓抬高，當網壓超出一定的范圍時，為了保證設備安全運行及列車正常制動，此時制動電阻投入工作，將多余的電能通過熱量形式消耗，實現強制降壓，電阻制動電流流向如圖3所示。

3.2.2 列車制動過程中網壓變化趨勢分析

三號線列車采用阿爾斯通牽引系統，電阻制動啟動閾值為DC1 800 V（打開常數為8%），全功率投入閾值為DC1 850 V（打開常數為100%）。由此可見，該牽引系統下列車制動過程中向電網反饋電能，促使供電系統直流1 500 V網壓反向上升，該過程中列車電制動可分為三個階段：

（1）第一階段：網壓升高至DC1 800 V之前。再生制動完全工作，轉化的電能全部反饋至電網被相鄰列車吸收，此階段網壓上升率最高。

（2）第二階段：網壓升高至DC1 800 V～DC1 850 V之間。再生制動逐漸削弱，電阻制動啟動并逐步投入工作，轉化的電能一部分反饋至電網被相鄰列車吸收，另一部分被車載制動電阻消耗，此階段網壓上升率逐步下降。

（3）第三階段：網壓升高至DC1 850 V之后。再生制動停止工作，電阻制動全功率投入工作，轉化的電能全部被車載制動電阻消耗，此階段制動列車停止向電網反饋電能，網壓因其它啟動列車取流開始逐步下降。

列車電制動過程中對直流網壓變化趨勢的影響如圖4所示：

3.2.3 列車制動實際網壓值

運營高峰時段選取一列運營列車，統計列車啟、停循環過程中的牽引-制動實際網壓值，統計結果見表2。根據統計數據可以看出：

（1）列車正常運行階段，網壓維持在DC1 580 V～DC1 620 V之間。

（2）列車再生制動階段，網壓在22 s內由DC1 621 V上升至DC1 793 V，上升率約為8 V/s。

（3）列車再生制動+電阻制動階段，網壓在31 s內由DC1 803 V上升至DC1 820 V，上升率約為0.5 V/s。

以上網壓大小實際統計數據與3.2.2中分析的網壓變化趨勢情況基本相符，并且列車在制動過程中對網壓的抬升已超過1 500 V直流網壓越上限報警設定值DC1 785 V。

3.2.4 車輛系統分析結論

與一、二號線日立牽引系統相比，三號線電阻制動啟動電壓變高（一、二號線為DC1 720 V啟動，DC1 800 V再生制動完全停止，電阻制動全功率投入），反饋到直流1 500 V供電電網中的再生能量較一、二號線增多，由此導致網壓抬升也相對較大。此結論與一、二號線直流網壓越上限報警信息量、網壓抬升量遠遠小于三號線的實際表象相符。

4 直流網壓越上限報警問題根源

根據供電系統、車輛系統對于直流1 500 V網壓上升影響的分析，發現三號線出現直流1 500 V網壓升高、直流越上限頻繁報警問題的主要原因為列車電制動過程中，電阻制動的啟動電壓設定值較高，達到直流1 500 V供電系統網壓上限值1 800 V，全功率投入工作電壓設定值更是達到了1 850 V，此參數設置下列車再生制動的能量更多的傳遞至供電直流電網，促使網壓抬升較大，遠超出直流網壓越上限報警值（DC1 785 V）。

5 電阻制動啟動電壓對于地鐵節能的影響

列車電阻制動啟動電壓設置過高，是引發直流網壓越上限報警問題的根源所在，調低啟動電壓值是否為最理想的解決報警問題的方案？以下重點從電阻制動啟動電壓對于地鐵節能的影響方面做進一步分析。

5.1 電阻制動啟動電壓對于列車再生制動能量大小的影響

電阻制動啟動電壓越高，列車電制動反饋電網的能量就越大，對于廣泛采用再生制動功能的列車來說，越有利于吸收此部分能量，達到牽引節能的效果，此結論的提出，主要基于以下兩方面考慮：

（1）電位差的存在更有利于電能的傳導。電阻制動啟動電壓越高，列車再生制動過程中，促使網壓抬升越高，此時再生制動列車電能輸出點的網壓高于臨近牽引列車取流點的網壓，兩者之間形成的電位差，更加有利于電能的傳導，提高了再生制動能量被臨近列車吸收的概率。

（2）電阻制動工作時間越長再生制動能量吸收量越小。降低電阻制動的啟動電壓，無形中延長了電阻制動的工作時間，此時列車再生制動的能量將更多地被電阻消耗，大大降低了被臨近牽引列車的吸收量，從而加大直流牽引供電系統的輸出功率，不利于牽引節能。

國內相關研究結果表明，車載制動電阻啟動電壓值由1 800 V下調至1 750 V，列車再生制動能量利用率下降約3%，牽引供電系統能耗增漲約1.4%。根據西安地鐵實際數據對比，發現三號線在高架線路爬坡較多、列車采用四動兩拖的運行工況下，其平均每列公里牽引能耗比一、二號線全地下站、列車采用三動三拖的平均牽引能耗低1.1%，每年節省的牽引用電量可達到60萬度左右。

5.2 電阻制動啟動電壓對于地鐵隧道溫度的影響

電阻制動啟動電壓越低，制動電阻的投切時間越長，電阻發熱量越大，產生的高溫會進一步加大隧道及站臺的環境溫度，車站通風空調設備的工作功率將隨之增加，由此可加大車站的動力能耗，造成一定的電能浪費。

6 問題解決方案

降低列車電阻制動的啟動電壓值，可以有效緩解直流網壓越上限頻繁報警問題，但是由此所犧牲的巨大節能潛力，在目前行業能源消耗不斷加劇，節能降耗工作現狀不容樂觀的客觀現實下，是不應被忽視的。相反，系統中設置的直流網壓越上限報警功能，僅為綜合監控系統自身配備的一種輔助預警功能，非列車和供電設備的主保護，一旦網壓抬升，列車高速斷路器分閘并牽引封鎖，能夠安全保護車輛設備，供電牽引整流機組的逆流保護同樣能夠有效防止整流器二極管反向擊穿。同時過多的報警信息對于電力調度正常監控干擾較大，且報警均為瞬間恢復，無法制定有效的人員現場應對措施，報警作用體現不明顯，必要性不強，據了解，目前國內多數地鐵線路中也并未設置該報警功能。因此，直流網壓越上限報警功能無論從必要性或是安全性上，對于保障地鐵設備的正常運行意義不大，在充分考慮地鐵節能的前提下，取消該報警功能不失為一種簡單有效的問題解決方案。

7 結語

本文在分析西安地鐵三號線直流網壓越上限頻繁報警問題的過程中，引發了電阻制動啟動電壓對于地鐵節能影響的思考并加以論證，最終在不影響設備安全運行且有利于地鐵節能的前提下，提出了網壓越上限報警問題的最優解決方案，同時也對城市軌道交通設計過程中提出了以下建議：

（1）電阻制動啟動電壓的高低，對于地鐵節能影響較大，具體設置的閾值，需車輛、供電系統設計共同研究確認，避免出現關聯系統參數設定不匹配問題。

（2）隧道風機、車站通風空調設備容量設計過程中，需將列車電阻制動啟動電壓對于車站及隧道環境溫度的影響考慮在內。

（3）電阻制動啟動電壓、行車間隔以及列車再生制動能量吸收效率三者之間的關系研究，對于列車牽引節能意義重大，建議城市軌道交通項目設計階段進行重點研究。

參考文獻：

[1]陳磊，胡文斌，孫其升，等.網壓上限值對地鐵列車再生制動能量利用的影響[J].電氣化鐵道，2014（5）：47-50.