城市轨道交通供电系统综合联调项目研究

孙陈勇

(上海申通轨道交通研究咨询有限公司,201103,上海∥工程师)



城市轨道交通供电系统综合联调项目研究

孙陈勇

(上海申通轨道交通研究咨询有限公司,201103,上海∥工程师)

根据在地铁供电系统综合联调项目中的实际经验,结合《地铁设计规范》和线路开通试运营专家评审要求,有针对性地提出了相应的联调项目及其实现方式,包括电力监控(PSCADA)子系统功能测试、直流牵引供电能力测试、交流降压负荷能力测试、主变电所支援供电能力测试以及牵引网钢轨回路阻抗测试。并对项目实施过程中的重点难点进行了归纳分析。

城市轨道交通; 供电系统; 综合联调

Author′s address Shanghai Shentong Metro Research & Consultancy Co.,Ltd.,201103,Shanghai,China

城市轨道交通建设末期开展综合联调工作的必要性和重要性被越来越多的地铁建设单位所认同,工作实施的效果立竿见影。综合联调工作已逐步成为线路建设阶段与运营接收管理阶段之间的过渡桥梁,甚至可能在将来发展成独立的综合联调阶段。因此,地铁各专业系统应明确在该阶段需要具体执行的工作内容。工作内容应包含专业系统内各个方面,同时还应考虑到后期运营接收管理需求。

1 地铁供电系统综合联调特点

地铁供电系统相对于其他机电专业属于基础专业。其主要特点是建设完成时间相对靠前,供电设备一般在线路开通试运营前9个月可以完成送电。作为电源系统,它与车辆和车站所有机电系统都有关联,需要分别进行负载能力及供电稳定性测试。供电设备停役调试通常会影响到下级负载设备。供电系统内部子专业较多,包括主变电所、牵引变电所、降压变电所、牵引网、电力监控系统、杂散电流系统、不间断电源系统等。供电系统联调需要运营单位参加,部分项目应由运营人员主调,这有利于后期施工申请、熟悉设备、缺陷排查以及交接验收。

2 供电专业主导综合联调项目

2.1 电力监控(PSCADA)子系统功能测试

测试内容包括:检验ISCS(综合监控系统)PSCADA功能、布局、配置、供电可靠性程度等能否满足相关设计标准;检验中央级和车站级综合监控系统、车站变电所内电力自动化监控系统,以及与变电所供电设备之间的接口功能是否与设计相符。对发现的问题进行及时有效的整改,确保系统能满足运营要求。

该项工作范围应当包含线路所有车站变电所、主变电所及车场变电所。测试分别在控制中心和变电所内同时进行。

项目前置条件:①主变电所、车站变电所供电设备和所内电力自动化监控屏均安装到位、单体调试完成,并且两者之间的单体对点调试完成;②供电一次系统所有设备的编号、回路名称已明确;③电力监控系统完成控制中心设备机房和调度大厅调度工作台的安装、调试;④控制中心机房至各车站、各车站至各变电所通信线缆敷设完毕,通信通道调试畅通,数据传输稳定。完成1个牵引变电所的调试一般需要3 d,完成1个降压变电所的调试一般需要2 d,完成1个110 kV主变电所的调试一般需要6 d。以一条地铁线约24个车站变电所、15个人的调试团队配置为例:调试工作应在试运营专家评审前3.5个月开始逐步进行,以每周完成2个牵引变电所,或者3个降压变电所调试的速度推进。第1个变电所的调试时间可放宽为5 d,用以熟悉设备功能逻辑和调试人员的磨合。

全部车站变电所调试完成后,应进行全线程控卡片测试,需要4 d工作时间。

调试需根据点表内容,对供电设备分别进行遥控、遥信、遥测功能的验证,以确认相关信息及结果的正确性。一个典型牵引变电所一般约包含1 800个点位。由控制中心电力调度在工作台直接操作,现场人员确认各设备的动作情况、位置状态、信号数据。内容包括:交流110 kV、35 kV、400 V系统，直流1 500 V系统，轨电位装置，所内电力自动化监控屏，交直流屏，测控屏等。

现阶段新建地铁线路已广泛采用综合监控系统,原有独立的供电中央级SCADA(数据采集与监控)系统已被整合到综合监控系统中,供电设备与其属于两个不同系统,如图1所示,有必要开展功能联调。

图1 综合监控与供电系统接口

测试要点分析:

(1) 测试过程中会导致车站内出现短时停电,需要提前通知负载单位做好设备停、送电防护。

(2) 通信、信号、综合监控设备的应急电源以及EPS(消防应急电源)照明电源需要投入使用。

(3) 涉及主变电所调试需要明确负责设备停役、复役请点工作的单位,并提前与市级供电部门协调。

2.2 直流牵引供电能力测试

测试模拟在多列车运行工况下,检验直流1 500 V牵引网的供电能力,以及直流馈线开关整定值设置的合理性,明确牵引供电系统的极限能力。当供电牵引设备发生故障时,测试获得的数据可作为判断故障区段是否需要采取限流措施的依据。

项目前置条件:①车辆专业可提供充足数量的列车,并且均已完成上线动车调试,能够模拟正常运营状态,并具备本体保护功能;②测试区段具备多列车同时行车能力,信号系统具备ATP(列车自动防护系统)防护功能;③对应牵引所接触网联络闸刀具备合闸送电能力;④通信系统满足列车与控制中心的通信功能,测试区段及变电所具备手持对讲机无线通信功能。

先确定区段可能出现的极限列车数量。一般情况下,地铁线路2个牵引变电所之间会存在2～3个行车区间,该项测试需要在2个连续的牵引网直流供电区域内进行,测试区段会包含3个牵引变电所,以及5～6个行车区间,测试应选择线路中较长或存在坡道的区间进行。以某线为例:6车站5区间距离5 433 m,列车对数28列/h,列车旅行速度35 km/h,可计算出相邻两列车间隔约为1 167 m,该区段内可能会同时存在4列列车。

测试需要4列列车和1台数字示波器(如HIOKI MR8875),连接在车站A牵引所211开关柜中,用于记录直流馈线电流数据,如图2所示。测试项目根据设计要求确定,直流开关的容量应该可以满足1个供电区段在单边供电模式下或2个供电区段在大双边供电模式下的列车正常行驶用能。以下从3个方面对列车用能进行验证:

(1) 单边供电模式下1列列车起动。车站A牵引所1单独向接触网供电,测试区段内1列列车全牵引起动,通过示波器记录起动电流曲线。

(2) 单边供电模式下2列列车同时起动。单边供电模式不变,分别在车站A和车站B站台放置1列列车,行车调度通过车载倒数发令,两名司机同时全牵引起动列车,所内人员记录电流曲线。

(3) 大双边供电模式下4列列车同时起动。更改供电模式,退出牵引所2,并合上联络闸刀,使得车站A至车站F接触网构成大双边供电模式,测试区段内安排4列列车,并且同时起动,记录电流曲线。

图2 4列车起动位置示意图

每一次列车起动时,需要安排6名人员分别记录车站A至车站F变电所内的“轨电位装置”的峰值电压。测试结束后,通过测试数据,可以分别得出1列列车、2列列车、4列列车同时起动时的电流峰值和起动时间,计算出电流上升率。再将上述数据分别与直流开关保护类型中的电流速断保护、过流保护延时和电流上升率保护的整定值相比较。

测试要点分析:

(1) 测试的多列车起动必须同时进行,才能测得最大电流值,要求列车司机精神集中,按指令操作。

(2) 测试过程中,可能会出现直流开关跳闸,为安全考虑,各列车应缓停待命，记录相关数据,作为调整保护定值依据。

(3) 有条件的情况下,可以进行单列车AW3(超载)状态下的起动测试,该数据与空载列车测试数据相比较,以获得更准确的极限负荷。

2.3 交流降压负荷能力测试

为了验证车站降压系统的设备容量、可靠性、稳定性及其功能是否满足地铁车站动力照明负荷设计要求,需模拟车站可能出现的最大负荷状况,用以确认其运行能力;检查车站降压供电系统与消防控制系统可能存在的问题。

项目前置条件包括:①降压所400 V开关的切非回路已完成连接并投入使用,与相关专业接口测试完成;②降压所400 V系统可以实现单配电变运行模式;③车站消防相关系统、风机、风阀已完成安装、调试,车控室IBP(综合后备盘)已完成各项消防联动模式测试,相关设备均可按照模式表正确运转。

在理想情况下,本测试应在车站所有机电设备安装、调试完毕后进行,按照地铁运营状态,同时开启所有设备,以检测可能达到的最大负荷值。但在实际建设过程中,由于机电设备繁多,安装时间不同,故无法达到上述条件要求。因此采用“站台层火灾模式”的设备工况进行代替。该工况下包含车站多台事故风机、排热风机等大功率风机设备起动,短时间内会出现6～8倍额定电流的起动电流,也是车站可能出现的最大负荷电流,其值大于正常运营时的机电设备用能。

400 V降压站采用单台配电变压器带全站负荷的运行模式,以检测降压系统各配电开关整定值是否正确,是否满足GB 50157—2013《地铁设计规范》中15.2.10条的规定[1]。

测试需要1台电能质量分析仪(如Fluke 435),连接在400 V进线处,如图3和图4所示。

图3 降压供电系统示意图

图4 测试现场柜内接线图

选择开启风机最多的一个消防工况,并确认各风机初始状态为静止。测试前记录一次电流值,为车站原有负载。整体测试后,通过波形获得模式起动总时间、最大电流峰值、到达峰值时间以及峰值持续时间等数据。同时,为保证分析数据的充分,还需要对每个测试风机进行单独的起动测试。测试数据可作为运营后车站机电设备状态依据。

测试要点分析:

(1) 测试可能会引起400 V进线开关跳闸,造成全站失电,应提前通知机电专业做好准备。

(2) 测试发生跳闸,需要分析原因。若是开关整定值问题,则通过测试数据重新整定;若是设备逻辑问题,则通过设置风机错时起动进行改善。

2.4 主变电所支援供电能力测试

为了验证地铁供电系统主变电所和环网变电所的设备容量、可靠性、稳定性及设备功能是否满足设计要求,需检验在一座主变电所全部失电的情况下,采用另一座主变电所进行支援的供电模式。测试时需要记录供电恢复时间,以及短暂停电对车站、牵引负荷可能产生的影响。

项目前置条件包括:①相关主变电所均已建设完成,环网电缆敷设完毕,设备投入运行;②35 kV环网变电所联络开关通过各项测试,具备合闸送电能力;③所有环网变电所开关的继电保护整定值组具备远程切换功能;④控制中心电力调度台已具备远程监控全线车站变电所及主变电所设备功能;⑤控制中心调度台与车站变电所及主变电所已具备良好的通信功能;⑥全线车站降压变电所400 V系统已具备自投自复功能。

一般情况下,一条地铁线路会设置2个主变电所。当一座主变电所退出运行时,应由另一座主变电所承担退出主变电所供电范围内的用电负荷。测试开始时,在正常供电模式下,同时分闸某个主变电所的35 kV Ⅰ、Ⅱ段母线进线开关,模拟这个主变电所2路进线电源失电故障。相关信息反映到控制中心调度台上,此时开始计时。

主变电所支援供电的倒闸方式,采用电力调度远程操作。第1步,将失电主变电所的两段35 kV母排上除环网馈线外的其他馈线开关全部分闸,每段约有2～3个开关,即对应相等数量的供电分区;第2步,合闸环网站的一段联络开关,使该站所在供电分区一段恢复供电,并将电源送至失电主变电所一段母排。第3步,逐一合闸一段母排上的馈线开关,恢复对应供电分区的一段电源;第4步,重复上述操作,对35 kV Ⅱ段进行恢复。相比一次性所有电源恢复的方式,这种按照供电分区恢复的方式,每次带负荷合闸冲击较小,不易产生系统震荡或设备损坏,并且操作的开关数量也较少,缩短电源恢复时间。

供电系统电源恢复后,记录时间;调度通知车站人员,对之前失电造成停役的车站机电设备进行统计,并进行恢复,完毕后记录机电设备恢复时间。供电系统整体恢复时间应控制在15 min左右,车站机电设备恢复时间应控制在20 min左右。

地铁线路在主变电所支援供电模式下,保持运行3 d。白天地铁列车正常进行跑图,车站内正常进行设备调试,值班人员定时记录主变压器负荷率、主变电所、环网站的馈线电流、电压,以及末端变电所交、直流母线压降情况等数据。3 d后供电系统恢复正常运行模式。

测试要点分析:

(1) 该项测试会造成半条线的车站停电,地铁正式运营后将不再具备进行测试的条件。测试采用的操作方式及时间,将作为以后此类突发故障应急处理的依据,调度人员有必要进行一次实际操作。

(2) 可选择供电范围包含有控制中心变电所的主变电所,以检验控制中心设备在失电情况下的状态。

(3) 测试前确认车站重要负荷的应急电源装置功能正常,倒闸结束后,由相关专业汇报设备切换情况。每个供电分区至少安排一名机电人员,做好设备恢复工作。

(4) 倒闸操作前,需要先将相关车站变电所和环网变电所35 kV母联开关的设备自投功能切除,倒闸完毕后需要调整整定值组。PSCADA系统应具备远程切除功能和整定值组切换功能,并且记录两者过程时间。

(5) 可同时测试降压所400 V设备的自投/自复功能是否正常。

2.5 牵引网及钢轨回路阻抗测试

检测直流牵引系统回路阻抗,测量并记录各供电区段上、下行牵引网和钢轨的单位长度纵向阻抗值,验证整个牵引回路的连接可靠性和完整性,从侧面对杂散电流系统进行验证。

项目前置条件包括:测试区段牵引网安装和受电完成,测试区段钢轨均流线已全部安装完毕。

测试利用2个牵引所直流馈线开关、负极柜,以及牵引网和钢轨形成测量回路,分别进行上行+下行牵引网、上行牵引网+钢轨和下行牵引网+钢轨3组阻抗数据测量,如图5和图6所示。

上行+下行牵引网阻抗测试时,将牵引所A对应的上、下行211、213直流开关合闸,通过1 500 V直流母线构成回路;在变电所B中,将阻抗测试仪的正、负极输出端可靠地接到对应的213、214直流开关馈线上。重复测量3次,阻抗测试仪分别输出50 A、75 A、100 A电流,读取整个回路阻抗值R1+R2,计算平均值。

图6 下行牵引网+钢轨阻抗测试

下行牵引网+钢轨回路阻抗测试时,在牵引所A中,用铜质短接线将正极和负极可靠短接,并测出短接线阻抗;在牵引所B中,将阻抗测试仪的正极接到直流馈线上,将负极接到负回流电缆上。测试3次数据,获得R2+R3值。上行牵引网+钢轨测试方式相同,只需要更换两侧接线开关位置,获得R1+R3值。

求解三元一次方程,扣除短接线阻抗后,分别获得R1、R2、R3数值。结合所测区间长度,分别计算出上、下行牵引网和钢轨的单位长度阻抗值。

测试要点分析:

(1) 统计所有测试数据,与厂商提供的参数进行对比,检查数据异常的区段,是否存在电缆、螺栓、钢轨、均流线等连接不可靠或缺失情况。

(2) 阻抗测试仪的性能需要满足可输出直流电流50～100 A,可测负载范围不小于100 mΩ。如CZ3100型回路阻抗测试仪。

(3) 测试线缆连接部分,需要涂抹导电膏,降低接触电阻。

3 配合其他专业联调项目

综合联调过程中,有一些项目由其他专业主导,供电专业负责配合。具体有以下项目:①消防模式测试中,400 V低压馈线开关切非功能验证;②车站机电专业低压进线,双路自切开关(ATS)功能测试,以及上下级开关核对;③应急照明系统(EPS)或应急电源系统(UPS)进线双路切换功能及放电时间测试。

4 供电专业内重要测试项目

联调阶段中还可以实施部分属于供电专业的测试项目。该部分内容与运营关系密切、使用频繁且重要性高,应引起运营单位重视。内容如下:①直流馈线开关双边、大双边联跳测试;②牵引系统电流型框架保护动作测试;③上网闸刀、联络闸刀闭锁功能测试;④变电所蓄电池核容测试。

5 结语

明确城市轨道交通各专业综合联调项目,有利于平滑过渡地铁设备建设与运营交接,为运营提供设备接管指导方向,同时,也可以为地铁试运营评审提供相关标准和依据,规范评审范围和内容。

本文主要针对地铁供电系统提出了相关内容,其他专业也有必要进行梳理和编制,形成一套完整的适用于城市轨道交通各个系统的调试规范,进一步提高地铁建设和运营水平。

[1] 中华人民共和国住房和城乡建设部.地铁设计规范:GB 50157—2013[S].北京:中国建筑工业出版社,2014.

Research on the United Test Project of Urban Rail Transit Power Supply System

SUN Chenyong

According to the practical experiences of united test project in metro power supply system,combined with the “Code for Design of Metro Line” and expert reviewing requirements for the opening of trial operation line, corresponding united test projects and the implementations, including monitoring(PSCADA)function test,DC traction power ability test,AC voltage load capacity test, main substation support power capacity test and traction rail loop impedance test are put forward, difficulties in the process of project implementation are inductively analyzed.

urban rail transit; power supply system; united test

U 231.8

10.16037/j.1007-869x.2017.05.016

2016-06-13)