地鐵線路殘壓過高無法正常送電故障及行車組織研究

肖 磊

(南京地鐵運營有限責任公司,江蘇 南京 211300)

1 線路特點

南京市山水城林融為一體,江河湖泉相得益彰,長江穿城而過,雨量充沛,春秋短、冬夏長,冬夏溫差顯著。南京地鐵線路分布在南京市區及浦口、江寧、六合、溧水、高淳各區,城郊線路相結合,線路及客流特點差異明顯,跨江、湖線路較多,接觸網殘壓故障易受氣溫、溫差、濕度等影響,易頻繁發生于郊區線路秋冬季節。運輸管理事業部南京南調度室控制著5條線路的運營,其中三號線比較特殊,基本都是地下的線路,其余線路均是郊區或高架地面車站較多的線路,受外界環境影響較大。

2 地鐵接觸網殘壓產生的原因(以機場線為例)

(1)分布電容。

正吉區間至吉印大道高架段接觸網附近存在高壓電纜。兩個導體平行時會在導體間產生“分布電容”。尤其是高壓電纜,高壓電纜與接觸網之間的空氣都可能是個電容體,電容可以儲能,就會產生殘壓。

電容計算公式為

C=ε×ε0×s/d

(1)

式中:C為電容;ε為相對介電常數;s為兩級板正對面積;d為兩極板間垂距離。

由于故障當晚該區段恰逢大霧天氣,空氣潮濕,相對介電常數比平日偏大,電容也相應增大。在高壓電纜與接觸網之間的空氣中儲存了比正常情況下更多的電荷,從而導致線路殘壓高過整定值,線路測試不通過。

(2)感應電壓。

正吉區間至吉印大道高架段接觸網附近存在高壓電纜,如果高壓電纜通有交變電流,該電纜周圍就存在交變磁場。因為交變磁場切割靜止的導線與導線切割靜止的磁場是一樣的(相對運動),因此處在該磁場中的接觸網中會存在電勢差,殘壓就此產生。

(3)數據分析。

目前南京地鐵既有線路中,三號線與寧和線為市區線路,機場線、寧高線及寧溧線為郊區線路。2019年9—12月份接觸網殘壓故障統計如圖1所示。

圖1 2019年9—12月份接觸網殘壓故障統計

結論:接觸網殘壓故障頻發期為10—12月份;接觸網殘壓故障較易發生在郊區線路;接觸網殘壓故障易受天氣及溫度的變化影響。

(4)機場線殘壓影響送電實例。

南京地鐵接觸網供電系統架構如圖2所示,其中編號三位數代表斷路器開關,編號四位數且尾數為1是隔離開關,其余四位數編號均為越區開關。

圖2 南京地鐵接觸網供電示意圖

2019年11月20號機場線在夜間施工結束后送電,發生正吉區間213、214開關,吉印大道211、212無法合閘。具體經過如下。

11月20日2∶50～3∶50,氣溫7～8 ℃,部分地區有霧。2∶53電調執行程控全線送電。

2∶55程控執行完畢,正吉區間213、214開關;吉印大道211、212開關線路測試不通過未合閘;2∶59執行復歸操作后,合正吉區間213開關,線路測試不通過;2∶59～3∶18期間試過分開刀閘后合斷路器,均成功。合上刀閘后再合斷路器則線路測試不通過。對分閘開關執行一次分閘操作后依然不能合上。3∶20分開吉印大道213開關;3∶20分開佛城西路211開關;3∶21合上吉印大道2113越區開關;3∶21合上佛城西路211開關,線路測試不通過;3∶29分開正吉區間211開關;3∶30合上正吉區間2113越區開關;3∶30合上正方中路213開關,線路測試通過合閘;3∶30～3∶34利用正吉區間2124開關對上行送電成功。并取消上下行越區方式,恢復正常雙邊供電。

3 故障處理措施

線路接觸網停電后,停電區域送電時因殘壓較高,線路測試不通過,導致接觸網無法正常送電,針對無法正常送電基本上電調有四種解決方案。

(1)越區送電。

如果越區送電成功,則取消越區操作后恢復正常供電方式。如果越區不成功,則利用越區開關執行相同操作,如果不成功即無法通過越區送電方式恢復送電。

(2)如果第一種方法不成功,調整線路測試整流電壓值。

線路測試:SEPCOS在斷路器合閘前進行線路測試,主要監測Ur母線電壓,饋線電壓Uf。防止斷路器合到故障線路上,進行的對饋出回路電阻*的測試。Ur為母線電壓,Uf為饋線電壓,Uresidue為線路殘壓(150 V),Uflow為線路最小工作電壓(1 050 V)。斷路器合閘前進行線路測試的五種場景如圖3所示。Rectifier voltage 為整流器進線電壓,Feeder voltage為直流饋線電壓。Feeder low為最低進線電壓,Feeder residue為殘壓。

圖3 斷路器合閘線路測試

UrUflow,直接合閘。

Ur>Uflow,且Uf>Uflow,直接合閘。

Ur>Uflow,且Uf

圖3中第3種、第5種場景均為閉鎖斷路器合閘。

南京南調度大廳的五條地鐵線路通常線路測試整定值為600 V,當線路發生殘壓故障導致線路殘留電壓超過600 V后,線路測試將會失敗,相關送電刀閘將無法動作,SCADA系統產生報警。電調建議高壓在現場調Uresidue整定值:通知電調與高壓專業工程師,由工程師提出臨時修改定值,當殘壓低于Uresidue整定值時,即可通過線路測試方可正常送電。

(3)不可調整Uresidue整定值時則掛地線釋放殘壓。

通知接觸網專業到送電失敗的接觸網上掛地線,電調同行調確認送電失敗區段,接觸網到達就近車站登記臨時作業,得到行調及電調同意后下軌行區作業。通過將存在殘壓的線路區間進行接觸網掛地線,將殘壓導入大地釋放殘壓,待殘壓釋放完畢或達到整定值后,拆除地線后作業人員與觸網保持安全距離,通過線路測試電調即可恢復正常送電。

(4)以上方法均不可用。

通知高壓到達現場,電調遠方進行數次送電操作,高壓觀察現場設備情況,確認設備無其他故障;接觸網確認地線已拆,觸網設備正常后,可通知高壓通過SEPCOS將線路測試功能退出,電調控合送電。

4 相關預想及行車調整

(1)冬運或殘壓高發時期夜間施工原則上嚴格按照施工計劃進行停電類施工,盡量不多停供電分區或取消部分停電施工。

地鐵運營運管關于《運輸管理事業部冬運防寒工作細化方案》中提到:①運營期間接到預警信息或突發惡劣天氣時,值班主任應根據公司冬運防寒工作方案中施工取消條件的規定,結合實際情況,根據天氣預警及壓道安排提前做好施工作業調整。如接到供電專業匯報不適合停電施工,調度室及時確認后取消相關作業計劃。

(2)夜間施工期間或施工結束送電期間出現殘壓故障第一時間匯報。

夜間施工期間出現供電故障,電調通知行調故障信息并通知專業,行調亦及時匯報值班主任及綜調,防止故障信息傳遞閉塞,導致處理時間延長造成更大的影響。

(3)及時通知供電接觸網和供電高壓兩個專業隊伍到達現場。針對具體故障原因,一般多為刀閘故障或殘壓過高故障,為避免故障處置期間兩個專業之間互相推諉或出現到達現場時間間隔較大,因此出現供電故障時,電調應及時通知接觸網及高壓兩個專業均到達現場,協同處置,提高效率。

(4)做好越區供電的預想并做好配合調整。

正常工作狀態下,正線接觸網通過兩個相鄰的牽引變電所構成雙邊供電;當某個中間牽引變電所退出運行時,相關正線接觸網由與該牽引變電所相鄰的2個牽引變電所通過直流母線或縱向聯絡開關越區供電,構成大雙邊供電。采用直流母線構成大雙邊供電的優點是簡單方便,容易實現,利用故障變電所的牽引母線將上下行接觸網并聯,改善了牽引網電壓質量,缺點是當故障涉及故障變電所的直流母線或饋線開關時不再適用,當接觸網某處再次發生短路故障時,可能引起多路饋線開關跳閘,從而擴大事故范圍。

因此當出現殘壓送不上電故障,電調提供越區供電的方案時,行調應及時與電調確認需要配合的要求。在采用越區供電前,需將相鄰的兩個供電分區先停電再合相關刀閘開關后執行越區供電。然而越區供電的第二個弊端就是接觸網某處再次發生短路故障時,可能引起另外兩個相鄰的好的供電分區發生跳閘,從而擴大事故范圍。

(5)采用越區供電成功后,根據電調要求調整該區段的行車要求。

電壓質量是作為考核電力系統運行質量的重要內容之一。供電電壓主要受系統電壓、供電線路導線線徑、供電線路長度(供電半徑)、用電負荷等因素影響。一般來說,系統電壓一定,地鐵供電接觸網的直徑一定,供電接觸網線路越長,末端電壓越低,電壓質量越低。

當采用越區供電的區段,可能存在上下行線路同時有一列及以上的電客車同時啟動或制動時,此時接觸網末端的電壓質量較低,造成后趟列車牽引力不夠的現象出現。因此行調需調整線路上下行列車的間隔,可適當調整越區供電區段,同一時間點線路上下行只有一趟列車在牽引或制動,以確保列車能正常得電工作。

(6)當出現無法送上電或越區供電不成功,相關接觸網供電區段中斷,行調做好相關的行車調整。

根據《線網接觸網分區失電應急處置指導書》相關要求,發生接觸網分區失電時,需明確故障原因及現場情況,遵循“先通后復”的原則進行處置,嚴禁臆測。同一分區短期內連續出現跳閘失電時,無論“三檢查,一限速”規定是否已執行,均做好小交路準備,不得將載客列車駛入跳閘的供電分區內,合理組織交路最大限度維持運營。遇同兩條進路須同站臺換乘時,需從以下幾方面做好安全卡控:①行調做好監控根據行車間隔,做好鄰站扣車,避免兩列車同時進入同一站臺;②列車進站前須停車鳴笛,憑車站人員引導手信號進站;③值班主任/調度長安排專人重點監控列車位置,并通過CCTV監控共用站臺列車占用情況。

5 結 論

殘壓過高現象集中在每年11月至次年2月期間,氣溫突降、逢大霧天氣易發生,并集中發生于臨近水域、山丘的正線或車輛段,調度員班前應做好類似故障學習總結,當班期間做好充分預想,加強監控,夜間須加強對停送電作業情況關注,供電類施工盡量不延遲銷點,為接觸網送電早做準備。供電類施工結束,布置施工人員留守保障至送電成功,接報故障后行調及時與電調確認故障原因及影響,通知電調按就近原則優先安排正線接觸網駐點班組前往處置,及時跟蹤故障處置進展,做好與專業間配合,提高處置效率,減少對運營影響。