城市轨道交通牵引联调典型场景测试研究

沈建强

(上海地铁维护保障有限公司，201106，上海//工程师)

1 牵引供电系统设计原则

根据GB 50157—2013《地铁设计规范》，城市轨道交通牵引供电系统的主要设计原则如下：

(1) 牵引负荷应根据运营高峰小时行车密度、车辆编组、车辆类型及特性、线路资料等计算确定。牵引整流机组容量宜按远期负荷确定。

(2) 正常运行方式下，两相邻牵引变电所应对其同一供电分区采用双边供电方式。

(3) 当正线的中间牵引变电所退出运行时，应由相邻的两座牵引变电所依靠其两套牵引整流机组的过负荷能力实施大双边供电。

2 牵引供电系统联调测试

通过搭建各种测试场景进行牵引供电系统供电能力测试。测试前，对车辆负载特征进行分析，并联合设计单位对牵引供电系统和车辆的负荷特性进行分析，包括对牵引供电系统的各种运行模式所对应的负荷运行进行编排；重点对接触网在不同运行方式(双边供电、单边供电、大双边供电)下的供电能力进行检验，并记录AW0(空载)、AW3(超载)等不同载荷列车的起动电流波形；同时观察牵引供电设备(DC 1 500 V开关柜及保护、钢轨电位限制装置等)是否发生误动作，以确保牵引供电系统的供电能力满足标准及设计要求；复核设计单位关于运营过程中的负载状态，以确保线路安全运营。

(1) 测试时间——一般分两个阶段开展：第一阶段跟随AW3列车跑车测试，时间预计为1 d；第二阶段跟随AW0列车试运行高密度跑车测试，时间预计为1 d。同时，应在线路开通前满足基本行车安全保障的各项要求。

(2) 测试地点——一般选取一个单边供电分区及一个大双边供电分区进行测试，供电分区中宜包含本线路的最大坡度。同时，应对既有的供电分区条件进行确认，包括线路区间长度、既有的接触网(轨)的基本参数。

(3) 测试人员——一般由城市轨道交通建设管理单位牵头组织，供电系统施工单位与直流开关柜厂家具体实施，城市轨道交通运营管理单位、供电系统设计及监理单位参与见证，车辆厂家现场保驾。

3 牵引供电系统现场测试技术方案

3.1 测试场景的搭建

以某城市轨道交通1号线为例进行测试分析。该线路的列车旅行速度约为35 km/h。由于牵引整流机组容量一般按远期负荷确定，故选取该线路的远期高峰小时列车开行对数(30对/h)进行计算。根据上述数据可以推算出：远期高峰小时两列列车之间的间隔约为1.167 km，且一个大双边供电分区可能会出现4列列车同时起动的情况。考虑到线路开通试运营前的综合联调、试运行、运营演练等工作的统筹安排，牵引供电系统供电能力测试推荐选取以下两种典型场景进行。

3.1.1 接触网单边供电模式下的单列AW3车测试和多列AW0车测试

(1) 单边供电模式下单列AW3车测试场景如图1所示。在单列AW3车起动情况下，通过该场景可以测得完整的列车起动电流波形，该波形对牵引供电系统继电保护整定值的设定与校验具有重要参考价值。重点对列车起动过程、惰行及制动状态下的负载特征进行对比测试。通过测试数据，可以对列车负载特性下的实际工程数据进行全面分析，以进一步为后续的故障判断提供数据。

图1 单边供电模式下单列AW3车测试场景

(2) 单边供电模式下2列AW0车测试场景如图2所示。通过该场景可以测得2列AW0车同时起动的电流波形，同时也可以考验单边供电模式下牵引供电系统的极限能力。该极限能力是牵引供电系统故障情况下提供有效运行供电的保障能力。

图2 单边供电模式下2列AW0车测试场景

3.1.2 接触网大双边供电模式下的单列AW3车测试和多列AW0车测试

(1) 大双边供电模式下单列AW3车测试场景如图3所示。通过该场景可以测得单列AW3车完整的起动电流波形。可以与单边供电模式下单列AW3车测试数据进行对比分析。可为单个牵引变电站解列情况下的供电运行负载需求提供依据。可对线路中间点电压能否满足线路上列车运行最低电压需求进行验证。

图3 大双边供电模式下单列AW3车测试场景

(2) 大双边供电模式下4列AW0车测试场景如图4所示。重点对大双边供电情况下接触网的运行负荷进行测试，并对接触网的网压进行分析。该场景可以测得4列AW0车同时起动情况下的电流波形，同时也可以考验大双边供电模式下牵引供电系统的极限能力，并为极限情况下列车编组运行的控制匹配性提供参考依据。

图4 大双边供电模式下4列AW0车测试场景

3.2 供电能力测试流程

图5为牵引供电系统供电能力测试流程图。

图5 牵引供电系统供电能力测试流程图

3.3 数据采集

(1) 数据采集方法一：使用示波器在直流开关柜二次侧采集电流表计的输出信号。

(2) 数据采集方法：使用直流电流测试仪在上网电缆侧通过安装直流电流互感器采集电流信号。

3.4 数据的分析

以某城市轨道交通1号线为例，该线路的直流馈线保护主要有电流速断保护、电流变化率保护、电流增量保护等，具体参数见表1。该线路的牵引供电能力测试内容为单边供电模式下单列AW3车测试和大双边供电模式下4列AW0车测试，测试使用示波器在直流开关柜二次侧采集电流表计的输出信号。

表1 直流馈线保护类型及其参数表

3.4.1 单边供电模式下单列AW3车测试

图6为单边供电模式下的单列AW3车起动电流波形。

由图6可知：列车在运行过程中，单列AW3车起动电流峰值出现在B点到C点，数值约为2 200 A，持续时间约为4 s；列车起动电流从A点到B点持续稳定上升，上升率约为190 A/s。若换算成2列AW3车同时起动，则起动电流峰值约为4 400 A，持续时间约为4 s；上升率约为380 A/s(0.38 A/ms)。与表1中该线路直流馈线保护参数数值对比可知：

(1) 单边供电模式下2列AW3车同时起动电流峰值(4 400 A)未达到电流速断保护的整定值(9 000 A)；

注：纵坐标为电压，每一格0.5 V，变比为10 000 A/5 V；横坐标为时间，每一格5 s

图6 单边供电模式下的单列AW3车起动电流波形

(2) 单边供电模式下2列AW3车同时起动电流峰值(4 400 A)虽然超过电流变化率保护的整定值(3 500 A)，但其持续时间(4 s)远小于电流变化率保护的整定值(40 s)；

(3) 单边供电模式下2列AW3车同时起动电流上升率(0.38 A/ms)，电流上升斜率较低，且电流上升持续时间为秒级数据，远远低于保护整定数据，未达到电流增量保护的整定值(25 A/ms)。

3.4.2 大双边供电模式下4列AW0车测试

图7为大双边供电模式下的4列AW0车起动电流波形。

注：纵坐标为电压，每一格0.5 V，变比为10 000 A/5 V；横坐标为时间，每一格5 s

图7 大双边供电模式下4列AW0车起动电流波形

由图7可知：4列AW0车起动电流峰值出现在B点到C点，最大值约为4 000 A，最小值约为3 000 A，持续时间约为7 s；列车起动电流从A点到B点持续稳定上升，上升率约为363 A/s(0.36 A/ms)。另一方面，对侧牵引变电所直流馈线开关的电流峰值约为3 182 A。与表1中该线路直流馈线保护参数数值对比可知：

(1) 大双边供电模式下4列AW0车同时起动电流峰值(4 000 A)未达到电流速断保护的整定值(9 000 A)；

(2) 大双边供电模式下4列AW0车同时起动电流峰值(4 000 A)虽然超过电流变化率保护的整定值(3 500 A)，但其持续时间(7 s)远小于电流变化率保护的整定值(40 s)；

(3) 大双边供电模式下4列AW0车同时起动电流上升率(0.36 A/ms)未达到电流增量保护的整定值(25 A/ms)。

综上所述，该线路的牵引供电系统在单边供电模式下可以满足2列AW3列车同时起动的负荷需求，在大双边供电模式下可以满足4列AW0列车同时起动的负荷需求，其牵引供电能力满足标准及设计的相关要求。通过对测试数据进行后期分析，可以发现既有设计单位的基本测试数据能满足线路初期和负载特性需求。

4 结语

进行牵引供电系统供电能力的场景测试，对于新建线路的开通运营具有重要意义。通过该测试，可以测量出不同载荷列车的起动电流波形，再结合车辆和车站机电的负载特征进行对比分析，并以此分析结果为依据，可分析出不同牵引供电模式下的列车通过能力。该测试所得数据，可为线路后期运营阶段各类故障状态下的行车组织及对应的负载需求提供基础数据支撑，为今后城市轨道交通供电系统运营方式的调整提供数据支持及依据，同时也能为新建线路在牵引变电站出现各类故障情况下的运行保障提供技术依据。