地铁供电系统及常见故障分析

地铁供电系统及常见故障 分析

李文龙

中国铁建电气化局第二工程有限公司 山西太原 030023

摘要：随着我国城市化水平的不断完善，城市交通成为城市化进程中的一个重要问题。城市轨道交通具有大运量、高速、安全、准时、环保、节约能源和土地等特点。世界各国普遍认识到：优先发展以轨道交通为主干的城市交通系统是解决城市的交通问题的根本出路。牵引供电系统是城市轨道交通的最重要子系统之一，牵引供电系统是城市轨道交通的动力来源，只有牵引供电系统的正常运行才能保证城市轨道交通的正常运营，因此牵引供电系统对城市轨道交通来说显得尤为重要。

牵引供电系统是城市轨道交通系统中最为重要的基础能源设施，其功能是为轨道交通系统中的电力车辆供电，确保轨道交通列车车辆的正常运行。通过对供电方案的比较，地铁供电系统采用大双边供电方式，系统包含电业局地区变电所与轨道交通主变电所之间的输电线路、轨道交通供电系统内部牵引降压输配电网络、直流牵引供电网和车站低压配电网；牵引供电系统由主变电所、高压/中压供电网络、牵引供电系统、电力监控系统、接触网系统、杂散电流防护和接地系统、供电车间等组成。本篇论文是介绍了地铁牵引供电系统的结构成以及供电方式，论述了牵引供电系统各组成部分的运行方式，详细分析了几种典型故障的产生原因及处理方案。

关键词：地铁；牵引供电系统；牵引网供电方式；运行方式；故障分析

近年来我国许多大城市城市都在着力发展城市轨道交通，如北京、西安、成都、杭州、深圳等，其中地铁成为城市轨道交通的重点发展方向，这主要在于地铁有运量大、速度快、安全、准点、保护环境、节约能源和用地等特点。这也是世界各国普遍的认识：解决城市的交通问题的根本出路在于优先发展以轨道交通为主干的城市交通系统，如地铁、轻轨等。在地铁建设和运营过程中动力来源是一个非常重要的问题，牵引供电系统是地铁的动力来源，只有牵引供电系统的正常运行才能保证城市轨道交通的正常运营，因此牵引供电系统对地铁的正常运营来说显得尤为重要。

一、地铁牵引供电系统简介：

地铁供电系统主要包括主变电所、牵引供电系统、牵引网系统、变配电系统、电力监控系统（SCADA）和杂散电流保护系统。它的主要功能是向轨道交通各机电设备提供安全和可靠的电力供应，满足各系统的供电要求。

主变电所将来自城市电网的高压电源，降压为地铁使用的中压，供给牵引系统和变配电系统。

牵引供电系统将来自于变电所的中压电源，通过中压环网供电网络分配给各牵引变电所，并通过牵引变电所降压整流，变成供地铁车辆使用的直流电源。

变配电系统将来自于变电所的中压电源，通过中压环网供电网络分配给各降压变电所，并通过降压变电所降压，变成供地铁动力照明等设备使用。

牵引网系统将来自于牵引变电所的直流电源，通过架空接触网和回流网供给地铁车辆使用。

电力监控系统（SCADA）在地铁控制中心，通过调度端、通道和执行端对整个地铁供电系统的主要设备进行控制、监视和测量。

杂散电流防护系统的目标是尽量减少杂散电流，对地铁内部及其附近金属结构的腐蚀在地铁工程设计寿命年限内不超过有关设计标准所规定的指标。

牵引供电系统由牵引变电所和牵引网两部分组成，两者在运行中应相互协调、统一调度。牵引供电系统根据需要可以有以下几种运行方式：

1.牵引变电所正常为双机组并列运行，以构成等效 24 脉波整流。

2.一台机组退出运行时也可以有条件地单机组运行。

3.系统中允许几座牵引变电所解列退出运行，条件是解列的变电所必须是只少相隔两座牵引变电所。

4.牵引网正常实行双边供电，当一座牵引变电所故障解列退出运行时，应实行大双边供电。

5.只有在末端牵引变电所故障解列时才采用单边供电，如列车在牵引网末端起动时电压降超过允许值，可通过横向电动隔离开关将上下行接触网并联，以减小回路电阻，降低电压损失。

牵引变电所是牵引供电系统的核心，它担负为电动列车供应直流电能，它的站位设置、容量大小，需根据所采用的车辆型式、车流密度、列车编组经过牵引供电计算，经多方案比选确定。牵引变电所有两种形式：户内式变电所和户外式箱式变电所，前者适宜地下线路，后者适宜地面线路。

牵引网有两部分组成：正极接触网供电，负极走行轨回流。从接触网的结构形式分，接触网可分为接触轨和架空接触网两种基本形式。

1.接触轨根据接触轨与电动车辆受流器的接触面位置不同，接触轨可以分为 3种形式：上部授流接触轨、下部授流接触轨和侧部授流接触轨。目前接触轨的材质有两种，一种为低碳钢接触轨，一种为钢铝复合接触轨。低碳钢轨的电阻率为 0.125Ωmm/m2，低碳钢接触轨在早期地铁多采用，随着科学技术的发展，目前广泛 采用重量轻、导电性能好的钢铝复合轨作为接触轨的材料。

2.架空接触网根据接触悬挂结构的不同，架空接触网可分为刚性悬挂和柔性悬挂两种形式。刚性悬挂接触网，适用于地下线路，刚性接触网的最大优点是结构简单、占用空间小、载流量大、不易产生断线、寿命长、电阻低，接触网压降小等优点，因此适用于地下线路。柔性悬挂接触网，用于地下线路由于受地下空间的限制，多采用占用空间小的两种悬挂形式：全补偿简单链形悬挂，承力索和接触导线皆设补偿装置；补偿简单弹性悬挂，采用弹性腕臂，接触导线进行补偿。

二、地铁供电系统中常见故障分析

在牵引供电系统运行过程中，通常会发生的故障有：DC1500V 开关柜故障、负极柜故障、AC35KV 开关柜故障等故障。处理故障的原则是：故障处理及事故抢修，要遵循“先通后复”的原则。有备用设备，首先考虑先投备用，采用简便、易行、正确、可行的方案，沉着、冷静、迅速、果断地进行处理和事故抢修，以最快的速度设法先行送电。然后通知有关部门再修复或更换故障设备，恢复正常运行状态。

在DC1500V 开关柜中，最常见的故障有开关联跳故障、上网开关故障、电流速断保护故障等。下面将做详细介绍：

联跳保护是直流牵引系统的一项重要保护措施。它是指同一供电臂双边供电的开关柜，当一台开关接收到故障跳闸指令后，同时向邻所对应开关发出联跳信号，使双边供电的另一台开关柜同时跳闸，将接触网从供电系统中及时切除，从而最大限度的限制短路电流的危害，达到保护接触网及变电所供电设备的目的。 SEPCOS 控制和保护系统是基于几个微处理器的功能齐全的系统。可用于保护 和控制直流变电所中的馈线柜、正、负极柜和整流器。SEPCOS 控制和保护系统是 一个独立的、模块化的、可扩展的、可编程的系统。

对高压来讲，过流保护一般是对线路或设备进行过负荷及短路保护，而电流速断一般用于短路保护。过流保护设定值往往较小（一般只需躲过正常工作引起的电流），动作带有一定延时；而电流速断保护Imax+按被保护设备的短路电流整定值，当短路电流超过整定值时，则保护装置动作，断路器瞬间跳闸。

当本变电所一台断路器跳闸时，必须使相邻变电所内向同一区间供电的断路器同时跳闸；其功能可通过联跳电缆及两侧直流开关柜中的联跳继电器来实现，每条馈线SEPCOS数字式保护监控单元的联跳接收与发送采用独立的回路。

负极柜故障。所有直流开关柜 、整流器和负极柜的金属柜体称为“框架”,且均采用对地绝缘安装,但集中在一点接地 。如此设置的目的在于当金属柜体异常带电时，一方面由接地网将柜体上的电压强行降低，以防止人体接触柜体造成伤害，另一方面便于接地点检测到各种类型故障的集中入地电流已启动保护切断故障。当电压型框架保护装置检测到设备外壳对负极电压超过整定值时，大于95V时发出报警信号，大于150V时向交直流开关发出跳闸命令，联跳本所和相邻2个牵引变电所的12个开关柜。

AC35KV 开关柜故障。①PT(电压互感器）损坏或发生故障，从而产生以下影响：系统图不能正确反映实际母线电压；造成直流系统失电和车站失去动照电源；威胁值班及巡检人员的人生安全；保护及测量装置无工作电压。②差动保护装置故障导致开关差动保护动作。

三、结语

本篇是基于地铁直流机车DC1500V 牵引供电系统进行论述。对于轨道交通而言，安全稳定运行是至关重要的，针对牵引变电所的故障分析，可以采取以下措施来提高其供电可靠度:一是采用超声波检测仪器，提高设备的运行可靠性。认真做好日常运行维护工作，提高设备健康水平，运行人员加强巡视维护质量，可以及时发现或消除设备隐患，提高供电可靠性。二是全方位配合开展设备状态检修，利用绝缘在线监测、带电测试和超声波检测仪监测发热点等措施，加强对设备的监测工作。

参考文献：

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