不停电倒闸纵联有载装置在地铁供电系统的试运行分析

刘 辉 刘 哲

不停电倒闸纵联有载装置在地铁供电系统的试运行分析

刘 辉 刘 哲

摘 要：为满足地铁直流牵引双边供电不停电检修的要求，针对新研制的不停电倒闸纵联有载装置在北京地铁昌平线沙河站挂网试运行进行详细描述，考核了不停电倒闸纵联有载装置的各项性能指标。试运行结果表明，不停电倒闸纵联开关装置各项性能指标符合国家相关标准及轨道交通供电行业标准要求，完全满足地铁运营使用需要。

关键词：直流牵引；地铁供电；纵联有载装置；试运行；测试

刘 辉：北京市地铁运营有限公司地铁运营技术研发中心，高级工程师，北京 102208

0　引言

为了保障地铁安全可靠的运行，在其直流牵引系统中采用双边供电的方式，由1个变电所向两边的线路供电，在相邻两牵引变电所之间的接触网用分区亭中的开关连接，由两变电所同时供电，即为单线双边供电[1～2]。采用双边供电的方式能缩小接触网故障停电范围和检修停电范围。目前国内地铁多在牵引网电分段处设纵联电动隔离开关，以保证在牵引变电所解列时实行大双边供电。

为保证设备和人身安全，对纵联电动隔离开关都设置了必要的操作联锁。因闭锁逻辑复杂需要大量的硬接线和继电器，对于工程实施以及运行维护都会带来很多的不便。同时，由于要依赖大量长距离的硬接线和继电器节点来构成电气联锁回路，其可靠性也必然会受到影响，很可能因某个环节出现问题而影响地铁的实际运营。

更重要的是，利用纵联电动隔离开关实现大双边供电的过程中必须先切断对应区段的供电，会造成列车长时间暂停营运。实现大双边供电的具体操作程序为，首先分断故障变电站的直流馈出开关和上网柜开关，再分断相邻变电站给故障站供电分区供电的直流馈出开关，然后闭合故障变电站的纵联电动隔离开关，最后闭合相邻变电站给故障站供电分区供电的直流馈出开关，故障变电站解列，从而实现大双边供电。由于纵联电动隔离开关不能实现带载分合操作，故操作过程中必须停止对应区段的供电，并且需要调度协调3个站的倒闸秩序，从而导致列车较长时间暂停运营，影响列车运行图的正常运行。

因此，地铁建设迫切需求简便可靠的以纵联有载开关为核心元件的不停电倒闸纵联开关装置产品。

1　国内外现状

国内目前还没有可作为轨道交通的有载负荷开关产品。一些国内厂家正在研制此类开关产品。

国内轨道交通行业也有将纵联电动隔离开关换成直流快速断路器实现无联锁倒闸作业的方式，但其体积大，安装复杂，成本较高，同时直流快速断路器存在隔离开距小、无应急手动操作等缺点，因此，并未得到广泛应用。

国外主要从事有色金属冶炼行业的德国RITTER公司有结合铜电解灭弧系统衍生出可作为轨道交通有载负荷的开关产品。但其价格昂贵，成本很高，不适宜在国内应用。因此，开发研制具有国产自主知识产权的新型直流牵引开关电器是一件非常必要且具有现实意义的工作。

2　不停电倒闸纵联有载装置

我们研制了一种以可分断额定电流、关合短路电流的纵联有载开关为主的成套不停电倒闸纵联开关装置来替代现有的纵联电动隔离开关柜，调度人员可以根据需要随时操作纵联有载开关。任何1路馈出开关故障退出或牵引变电所检修解列，都可以快速闭合纵联有载开关，实现大双边供电，为运行中电力调度操作带来极大的便利和快捷，从根本上解决因停电倒闸作业带来列车暂停运营的问题。

根据国家相关标准及轨道交通行业标准制定了型式试验大纲，不停电倒闸纵联开关装置顺利完成检试大纲所规定的全部型式试验。为进一步验证不停电倒闸纵联开关装置的各项性能指标及在地铁供电系统内的适用性，将其在北京地铁昌平线沙河站开展了挂网试运行工作。

3　试运行方案

不停电倒闸纵联开关装置一次主回路接口与站内原纵联用断路器柜主回路接口并联，二次电气控制回路与端子柜相应端子连接，以实现不停电倒闸纵联开关装置的合、分闸操作和开关状态信号上传、与本站断路器联锁功能以及实现与相邻变电站断路器的大双边联跳功能。

在试运行中，不停电倒闸纵联开关装置在地铁列车运行的各种工况下进行倒闸投切操作，记录分断波形及试验数据，考核纵联有载装置分断能力及设计余量，并进行全工作周期挂网运行，记录电流值及温度值，以考核纵联有载装置载流能力及设计余量。

2014年11月，在北京地铁昌平线沙河站牵引变电站做挂网试运行，涉及巩华城、沙河高教园相邻2个牵引变电站。图1中B站为沙河站，813是原纵联柜，试验柜是不停电倒闸纵联有载装置。

图1　试运行供电线路示意图

4　测试项目

4.1空载大双边倒切

夜间线路停运后，线上无列车，昌平线巩华城、沙河、沙河高教园750 V送电，此时，进行空载大双边倒切。断开沙河（B）站相应的馈线柜断路器10、30和隔离开关16、36，不停电倒闸纵联有载装置执行合闸动作，动作正常，B站解列；不停电倒闸纵联有载装置执行分闸动作。每次倒闸，装置应动作正常，记录不停电倒闸纵联有载装置分断波形，测量不停电倒闸纵联有载装置断口最大电流值、过电压值、全分断时间、燃弧时间，其中燃弧时间不超过200 ms。

4.2载流能力试验（温升测试）

断开B站相应的馈线柜断路器10、30和隔离开关16、36，不停电倒闸纵联有载装置执行合闸动作，B站解列，对应区域投入大双边供电。大双边供电运行1个工作日，每隔1 h用无线测温仪测试开关规定测试点的温升，记录对应电流值，测试点温升不超过60 K，该项试验需在早上4：30地铁送电至晚上12：00停电的全天工作周期内完成。

4.3带载大双边倒切

进行载流能力试验时，选取时间段，不停电倒闸纵联有载装置进行带载大双边倒切。不停电倒闸纵联有载装置执行合闸动作，动作正常，B站解列；不停电倒闸纵联有载装置执行分闸动作。完成后，闭合不停电倒闸纵联有载装置，继续载流能力试验。每次倒闸，装置应动作正常，记录不停电倒闸纵联有载装置分断波形，测量不停电倒闸纵联有载装置断口最大电流值、过电压值、全分断时间、燃弧时间，其中燃弧时间不超过200 ms。带载大双边倒闸试验应选取客流高峰时段时地铁列车处于不同工况下进行。

5　试运行测试回路

5.1测试设备

1套不停电倒闸纵联有载装置。

数据采集仪：用于记录纵联开关的分、合闸波形，不参与系统控制。

无线测温仪：监控纵联有载开关的载流温升，超温报警。

隔离放大器：隔离试品方向过来的可能存在的高电压信号，匹配测量信号以便数据采集仪采集波形。

分压电阻器：使较低量程的测量设备可以测量较高电压等级的电压。

5.2测试回路

北京地铁现场试验线测量回路接线示意图见图2。

图2　试验测试回路示意图

6　试运行测试内容

最大电流：不停电倒闸纵联开关装置分闸操作过程中，进出线母排间出现的最大电流。

过电压：不停电倒闸纵联开关装置分闸操作过程中，进出线母排间出现的最大电压。

全分断时间：从不停电倒闸纵联开关装置分闸线圈得电到不停电倒闸纵联有载装置进出线母排间电流为零的时间。

燃弧时间：不停电倒闸纵联开关装置纵联有载开关触头之间从拉弧到电弧完全熄灭的时间。

电流：载流能力试验时，不停电倒闸纵联开关装置进出线母排间实时电流值。

温度：载流能力试验时，不停电倒闸纵联开关装置进出线母排间实时温度值。

7　试运行测试数据采集方法

7.1断口电压的测量

确认系统停电后，用2根高压导线（导线用圆形线鼻子固定在母排上）从纵联有载装置进出线母排分别接入测量板上的直流断路器（型号GM5-63 C20A OF DC1000V/4P），测量板分压电阻器（电阻值5 MΩ）的输入端也接入该断路器，在断路器10或断路器30线路测试通过并合闸送电后，合上该断路器即可实现测量回路的投入，在需要切除测量回路时，断开该断路器即可。断口电压的测量需要带电操作完成。

直流断路器、测量板和控制箱的实物图见图3。

7.2主回路电流的测量

从纵联有载装置的霍尔电流传感器取得电压信号，然后经试验柜电压跟随器后再次进入外设的隔离放大器，最后进入数据采集仪。此通道可以直接测量出试验电流波形，并与断口电压波形配合测量出燃弧时间。

7.3线圈电压的测量

从纵联有载装置分闸线圈两端并联接入分压电阻，从分压电阻信号端接入隔离放大器输入端，从输出端接入数据采集仪。此通道采集的波形可以和主回路电流波形通道配合测量出全分断时间。

图3　直流断路器、测量板和控制箱

8　试运行测试记录

8.1载流能力测试记录

载流能力试验数据见表1。

表1　载流能力试验数据记录

从表1记录的温度值可以看出，在整个工作周期内，不停电倒闸纵联有载装置进出线母排并无明显温升，可见载流能力具有较大设计余量，完全具备长期运行的能力。

8.2试验相关波形记录

测试记录了地铁列车各种工况下纵联有载装置分合闸断口电流及电压波形。以启动时纵联有载装置分闸断口电流及电压波形（图4）及试验数据（表2）为例，其中，U为不停电倒闸纵联有载装置断口两端电压；I 为不停电倒闸纵联有载装置分闸断口电流值；Uxq为不停电倒闸纵联有载装置分闸线圈电压。

图4　列车启动时纵联有载装置分闸断口电流及电压波形

表2　列车启动时纵联有载装置分闸断口试验数据

还分别测试了地铁列车惰行时、进站制动时、加速运行时纵联有载装置分闸断口电流、电压波形及试验数据，燃弧时间均不超过200 ms，过电压均不超过2倍的最高工作电压，即1 800 V，全分断时间均不超过240 ms，达到国际电工委员会标准（IEC）对铁路应用直流开关设备的要求。

根据试运行试验波形及相关试验数据，大双边供电不停电倒闸纵联开关装置各项性能指标符合国家相关标准及轨道交通供电行业标准要求，完全满足地铁运营使用需要，试运行圆满成功。

9　结束语

本装置在保证实现性能指标的前提下，采用成熟技术进行设计；开关组件中各部件相对对立，弧室和弧触头为组件形式，便于维护和更换；电磁铁和弹簧机构动作可靠性高。完全满足城市轨道交通环境使用条件，达到城市轨道交通直流供电牵引系统要求。

下一步计划在运力更大的地铁线路上进行长期挂网试运行，以进一步全面考核不停电倒闸纵联有载装置的各项性能指标。

参考文献

[1] 郑瞳炽，张明锐. 城市轨道交通牵引供电系统[M]. 北京：中国铁道出版社，2004.

[2] 董晓冬，赵国伟，袁志宏. 直流牵引供电系统横联双边运行方式分析[J]. 都市快轨交通，2012，25（3）：112-114.

责任编辑 冒一平

Commissioning Analysis of Un-interruption Power Switching Longitudinal Load Device in Metro Power Supply System

Liu Hui, Liu Zhe

Abstract:In order to meet the requirements of metro DC bilateral traction for un-interruption power supply maintenance, for trial operation of the newly developed longitudinal load device for uninterruption power switching in Shahe station, Changping line of Beijing metro, examinations have done on the performance and functions. The trial run results have shown that the performance of the un-interruption power switching longitudinal load devices are in line with the requirements of the related national standards and rail transit power supply industry standards, fully satisfying the needs of metro operation.

Keywords:DC traction, metro power supply, longitudinal load device, commissioning, test

收稿日期2014-12-25

中图分类号：U231.8