从直流网压越上限问题引发的地铁节能思考

李瑜龙

摘 要：根据西安地铁三号线发生的直流1 500 V网压越上限频繁报警问题，本文通过系统性分析，查找出问题的根源，并由此引发制动电阻启动电压对于地铁节能影响的思考，綜合论证后最终提出问题的最优解决方案，同时对城市轨道交通项目设计阶段关于制动电阻启动电压提出相应的工作建议。

关键词：地铁;直流网压;节能;制动电阻

电力调度作为电力设备的远程监控、调管人员，需通过监控工作站随时掌握电力设备运行状态，现场电力设备信息主要通过综合监控系统上传后中央，西安地铁三号线开通初期出现了牵引直流网压越上限频繁报警的典型问题，本文通过研究分析，查找出问题根源与列车制动电阻启动电压值的设置大小关系密切，同时因制动电阻启动电压关系到地铁节能问题，继而进行综合论证，最终提出问题的最优解决方案，并对城市轨道交通项目设计阶段关于制动电阻启动电压提出相关工作建议。

1 故障描述

西安地铁三号线设置直流1 500 V网压越上限报警功能，当综合监控系统现场采集变电所直流1 500 V母线电压大于设定报警值（DC1 750 V）时，中央电调工作站发出直流1 500 V网压越上限报警信息。自该条线路开通运营以来，电调工作站频繁出现直流1 500 V网压越上限报警问题，报警频率约为35条/分钟，最高每日可达到3万余条，严重干扰电力调度对电力设备的正常监控，期间发生了因电调工作站信息量过大，导致人员遗漏重要开关跳闸信息，影响故障处置效率。

2 临时措施

鉴于西安地铁前期开通线路运营初期也存在同类问题，将网压越上限报警设定值调高后，报警信息量减少，因此三号线采取相同的处理方式，将越上限报警值由1 750 V提高至1 785 V。经运行观察，报警信息量未减少，问题并未彻底消除。

3 直流牵引网压分析

3.1 供电系统分析

供电系统采用中压环网AC35 kV向直流牵引变电所供电，直流侧通过24脉波整流机组将AC35 kV转化为DC1 500 V，为车辆提供直流电源，牵引供电主电路见图1。按照设计要求，直流侧空载情况下，当整流变压器高压侧为35×（1+5%）kV时，直流输出电压不应超过1 800 V。

3.1.1 直流网压理论计算

（1）整流变压器参数。采用无励磁分级调压;原边额定电压35 kV;次边额定电压1 180 V;原边分接抽头的分接范围±2×2.5%。

（2）最大网压计算值。晚间运营线路停运后，在无车状态下（模拟直流侧空载）对三号线全线35 kV电压数据进行采集，其最大电压值=36.5 kV;

三号线全线整流变压器均设置在中间档位，变比==29.7;

整流变压器次边输出最大交流电压==1.229 kV;

双台整流机组24脉波直流侧空载输出电压=1.738 kV。

根据以上理论计算，在供电系统正向电源注入下，目前西安地铁三号线直流1 500 V最大网压值应为1 738 V。

3.1.2 直流网压实测数据

考虑夜间运营停运，线路无车状态下，直流负载最小，末端1 500 V网压最高。在此期间对三号线直流1 500 V实时网压数据进行分时段监测，监测统计结果见表1。根据统计结果，三号线直流1 500 V网压最高值为1 741 V，与3.1.1中理论计算的最大网压值基本吻合。

3.1.3 供电系统分析结论

（1）地铁三号线直流1 500 V实际网压大小在既有供电设备的工况下，与理论计算结果基本吻合，网压处于正常水平。

（2）目前三号线直流1 500 V网压最高为1 741 V，远低于直流越上限1 785 V报警设定值，供电系统电源电压非直流越上限报警问题的主因。

3.2 车辆系统分析

列车制动分为机械制动和电气制动，其中电气制动又分为再生制动和电阻制动，再生制动是在列车制动时把车辆的动能转化为电能并反馈至供电电网，多余的电能将通过制动电阻以热量形式消耗。

3.2.1 再生制动工作原理

列车制动时电动机的工作方式从原来的受电转动改变为轮对带动电动机转动而发电，此时电动机等效于发电机使用，此过程把列车的动能转成电能通过供电电网馈送出去进行储存或供后续列车使用，实现电能的再生循环使用，再生制动电流流向如图2所示。

列车再生制动产生的电能不断的累加，相邻列车无法完全吸收时，会造成电网电压抬高，当网压超出一定的范围时，为了保证设备安全运行及列车正常制动，此时制动电阻投入工作，将多余的电能通过热量形式消耗，实现强制降压，电阻制动电流流向如图3所示。

3.2.2 列车制动过程中网压变化趋势分析

三号线列车采用阿尔斯通牵引系统，电阻制动启动阈值为DC1 800 V（打开常数为8%），全功率投入阈值为DC1 850 V（打开常数为100%）。由此可见，该牵引系统下列车制动过程中向电网反馈电能，促使供电系统直流1 500 V网压反向上升，该过程中列车电制动可分为三个阶段：

（1）第一阶段：网压升高至DC1 800 V之前。再生制动完全工作，转化的电能全部反馈至电网被相邻列车吸收，此阶段网压上升率最高。

（2）第二阶段：网压升高至DC1 800 V～DC1 850 V之间。再生制动逐渐削弱，电阻制动启动并逐步投入工作，转化的电能一部分反馈至电网被相邻列车吸收，另一部分被车载制动电阻消耗，此阶段网压上升率逐步下降。

（3）第三阶段：网压升高至DC1 850 V之后。再生制动停止工作，电阻制动全功率投入工作，转化的电能全部被车载制动电阻消耗，此阶段制动列车停止向电网反馈电能，网压因其它启动列车取流开始逐步下降。

列车电制动过程中对直流网压变化趋势的影响如图4所示：

3.2.3 列车制动实际网压值

运营高峰时段选取一列运营列车，统计列車启、停循环过程中的牵引-制动实际网压值，统计结果见表2。根据统计数据可以看出：

（1）列车正常运行阶段，网压维持在DC1 580 V～DC1 620 V之间。

（2）列车再生制动阶段，网压在22 s内由DC1 621 V上升至DC1 793 V，上升率约为8 V/s。

（3）列车再生制动+电阻制动阶段，网压在31 s内由DC1 803 V上升至DC1 820 V，上升率约为0.5 V/s。

以上网压大小实际统计数据与3.2.2中分析的网压变化趋势情况基本相符，并且列车在制动过程中对网压的抬升已超过1 500 V直流网压越上限报警设定值DC1 785 V。

3.2.4 车辆系统分析结论

与一、二号线日立牵引系统相比，三号线电阻制动启动电压变高（一、二号线为DC1 720 V启动，DC1 800 V再生制动完全停止，电阻制动全功率投入），反馈到直流1 500 V供电电网中的再生能量较一、二号线增多，由此导致网压抬升也相对较大。此结论与一、二号线直流网压越上限报警信息量、网压抬升量远远小于三号线的实际表象相符。

4 直流网压越上限报警问题根源

根据供电系统、车辆系统对于直流1 500 V网压上升影响的分析，发现三号线出现直流1 500 V网压升高、直流越上限频繁报警问题的主要原因为列车电制动过程中，电阻制动的启动电压设定值较高，达到直流1 500 V供电系统网压上限值1 800 V，全功率投入工作电压设定值更是达到了1 850 V，此参数设置下列车再生制动的能量更多的传递至供电直流电网，促使网压抬升较大，远超出直流网压越上限报警值（DC1 785 V）。

5 电阻制动启动电压对于地铁节能的影响

列车电阻制动启动电压设置过高，是引发直流网压越上限报警问题的根源所在，调低启动电压值是否为最理想的解决报警问题的方案？以下重点从电阻制动启动电压对于地铁节能的影响方面做进一步分析。

5.1 电阻制动启动电压对于列车再生制动能量大小的影响

电阻制动启动电压越高，列车电制动反馈电网的能量就越大，对于广泛采用再生制动功能的列车来说，越有利于吸收此部分能量，达到牵引节能的效果，此结论的提出，主要基于以下两方面考虑：

（1）电位差的存在更有利于电能的传导。电阻制动启动电压越高，列车再生制动过程中，促使网压抬升越高，此时再生制动列车电能输出点的网压高于临近牵引列车取流点的网压，两者之间形成的电位差，更加有利于电能的传导，提高了再生制动能量被临近列车吸收的概率。

（2）电阻制动工作时间越长再生制动能量吸收量越小。降低电阻制动的启动电压，无形中延长了电阻制动的工作时间，此时列车再生制动的能量将更多地被电阻消耗，大大降低了被临近牵引列车的吸收量，从而加大直流牵引供电系统的输出功率，不利于牵引节能。

国内相关研究结果表明，车载制动电阻启动电压值由1 800 V下调至1 750 V，列车再生制动能量利用率下降约3%，牵引供电系统能耗增涨约1.4%。根据西安地铁实际数据对比，发现三号线在高架线路爬坡较多、列车采用四动两拖的运行工况下，其平均每列公里牵引能耗比一、二号线全地下站、列车采用三动三拖的平均牵引能耗低1.1%，每年节省的牵引用电量可达到60万度左右。

5.2 电阻制动启动电压对于地铁隧道温度的影响

电阻制动启动电压越低，制动电阻的投切时间越长，电阻发热量越大，产生的高温会进一步加大隧道及站台的环境温度，车站通风空调设备的工作功率将随之增加，由此可加大车站的动力能耗，造成一定的电能浪费。

6 问题解决方案

降低列车电阻制动的启动电压值，可以有效缓解直流网压越上限频繁报警问题，但是由此所牺牲的巨大节能潜力，在目前行业能源消耗不断加剧，节能降耗工作现状不容乐观的客观现实下，是不应被忽视的。相反，系统中设置的直流网压越上限报警功能，仅为综合监控系统自身配备的一种辅助预警功能，非列车和供电设备的主保护，一旦网压抬升，列车高速断路器分闸并牵引封锁，能够安全保护车辆设备，供电牵引整流机组的逆流保护同样能够有效防止整流器二极管反向击穿。同时过多的报警信息对于电力调度正常监控干扰较大，且报警均为瞬间恢复，无法制定有效的人员现场应对措施，报警作用体现不明显，必要性不强，据了解，目前国内多数地铁线路中也并未设置该报警功能。因此，直流网压越上限报警功能无论从必要性或是安全性上，对于保障地铁设备的正常运行意义不大，在充分考虑地铁节能的前提下，取消该报警功能不失为一种简单有效的问题解决方案。

7 结语

本文在分析西安地铁三号线直流网压越上限频繁报警问题的过程中，引发了电阻制动启动电压对于地铁节能影响的思考并加以论证，最终在不影响设备安全运行且有利于地铁节能的前提下，提出了网压越上限报警问题的最优解决方案，同时也对城市轨道交通设计过程中提出了以下建议：

（1）电阻制动启动电压的高低，对于地铁节能影响较大，具体设置的阈值，需车辆、供电系统设计共同研究确认，避免出现关联系统参数设定不匹配问题。

（2）隧道风机、车站通风空调设备容量设计过程中，需将列车电阻制动启动电压对于车站及隧道环境温度的影响考虑在内。

（3）电阻制动启动电压、行车间隔以及列车再生制动能量吸收效率三者之间的关系研究，对于列车牵引节能意义重大，建议城市轨道交通项目设计阶段进行重点研究。

参考文献：

[1]陈磊，胡文斌，孙其升，等.网压上限值对地铁列车再生制动能量利用的影响[J].电气化铁道，2014（5）：47-50.