巴基斯坦拉合尔橙线地铁供电电压波动处置研究

陈志健

（广州地铁集团有限公司，广东广州 510330）

1 拉合尔橙线地铁概况

1.1 基本情况

巴基斯坦拉合尔橙线地铁（简称橙线”）是巴基斯坦全国首条地铁线路，也是一带一路中巴经济走廊早期收获项目，是中国轨道交通行业在设计、制造、建设、运营维护城市轨道交通全产业链方面的中国解决方案的成功输出，项目同时被中国城市轨道交通协会选为2020年度中国城市轨道行业十件大事之一，在国内轨道交通发展历程中有着极强的历史意义。

橙线正线全长25.53 km，设有26座车站，以数字编号1～26号为站名，其中2座地下站、24座高架车站，正线两端分别设1座车辆段和停车场；全线共设2座主变电站（以下简称主电站”），26座降压变电所、14座牵引降压混合变电所（奇数站带有牵引供电功能）；信号系统采用卡斯柯信号有限公司系统，通信系统采用中兴通讯股份有限公司系统；电力系统主要采用长城电器集团和卧龙电气银川变压器有限公司的主变压器；地下站采用冷水机组集中供冷，高架车站采用多联机供冷；机电和消防系统为每站独立控制；钢轨线路为双向双轨运行，两侧设有DC750V接触轨，沿线路中央设有紧急疏散平台，平台下方装有AC33kV站间环网电缆，各站系统通过主网骨干传输网络（OTN）与中央控制中心相连。

列车采用中国中车集团有限公司5辆编组B型列车，初期配置27列车，连挂模式为A + B + C + B + A，B 车厢为动力单元车厢，A + C车厢为无动力车厢，每节车厢列装有4只集电靴（5辆编组共20只），通过每只集电靴与DC750V接触轨滑行接触获取大电流，满足列车启动和运行需求。

1.2 供电方式

橙线供电系统设有4个电压等级，分别是AC132kV、AC33kV、DC750V、AC400V；当地供电局AC220kV电站降压至AC132kV后，由构架专线和电缆线路直接供电， 2座主电站共有8路AC132kV专线、8段AC132kV外桥母线（1B1～2B2），主电站接线图如图1所示，其中大学城（UET）主电站1#、2#路进线因施工进度问题，至今仍未获得批准投入使用。其中8段AC33kV环网供电分区（TS1～2、LS1～2）的每个分区均是独立电源，通过高压AC33kV环网电缆分别连接每个车站、车辆段与停车场，供电图如图2所示。每座主电站设有4 台AC132kV主变压器，使用1#、2#主变压器负责列车牵引供电、3#、4#主变压器负责车站AC400V供电；在13 号中间站设有AC33kV环网联络开关，可以在某种紧急情况下通过合闸改变专线电源，并实现DC750V牵引和车站AC400V双回路独立供电。每1座车站设有降压变电所，从AC33kV环网供电分区获取双回路电源，降压后向车站设备提供400 V用电；奇数编号车站设有1个牵引变电所向接触轨提供DC750V电源，站间线路接触轨为DC750V双边供电，出入段线为单边供电；每座车辆段和停车场均设有1个牵引混合降压变电所，及多个降压变电所，满足车辆段和车场内牵引及场地功能的低压用电需求。

图1 拉合尔橙线地铁主电站接线图

图2 供电简介图

1.3 当地社会经济简介

拉合尔是巴基斯坦第二大城市，隶属于巴基斯坦旁遮普省，城市面积为1 772 km2，人口约1 000万，城市发展属于初级阶段，社区基层普遍属于城乡结合。由于建设发展需要，城市用电负荷逐渐变大，原有供电设备设施无法满足社会发展需求，从而时常造成电网故障和电压波动，电压值严重不足，以致超出供电设备承受范围，导致供电线路断路器跳闸，严重影响橙线运营。

2 供电问题分析

2.1 故障现象

橙线2座AC132kV主电站电力进线受当地电网供电影响，经常出现单一主电站或同时2座主电站部分线路失电而跳闸，电压值超出适应范围，最低值时常可变为0，甚至是2座主电站同时全部失电。普遍现象是电压值大幅波动，当电压超高时，容易损坏电力设备，尤其是互感器及精密检测仪器仪表；当电压急剧下降时，则出现电力线路断路器因无法承受变化的幅值，启动失压保护动作跳闸，导致同一回路主变压器停电，造成橙线半数车站和车辆段场所均出现大部分设备停电，影响车站设备正常运行和乘客服务，包括车站售票机、电扶梯、一般照明、冷水机组、通风系统以及部分车站行车牵引用电均受影响。由于1～26号站部分或半数车站DC750V接触轨供电区失去电源，多列次列车出现故障报警信息，甚至在中途停车，导致晚点5 min以上的列车最多达12列次，最长晚点时间达到15 min；半数车站扶梯及供冷设备停运。

2.2 故障分析

目前当地电网仍在长时间使用老旧设备，发电站少、设备老化、性能差、故障率高，经常出现故障跳闸及产生电压波动，AC220kV电网承载能力基本不能满足当地社会发展和人民生活用电需求。尤其是拉合尔城市电网电源是从巴基斯坦首都伊斯兰堡电力传输获得，由于多个城市电网并网，故障时容易导致多网停电，从而造成片区大面积停电。据实际数据统计，当地电网停电频率为平均每日停电3 ～8次，最高峰当日停电8次，停电时长均在1.5 h以上，月平均故障率为59%，供电局调度人员响应较慢，一般性停电故障，应急处理时间较长，且一般性故障应急处置需要15 min及以上，甚至存在无法确定处理时间的情况。因此，由于当地电网状况和电力人员响应状态，以及设备老化陈旧、电力不足等多种原因影响，橙线AC132kV主变电站经常受电压波动影响，出现线路断路器因失压保护动作而跳闸，造成橙线多数车站和车辆段场均出现部分设备停电切换，以及部分行车牵引用电停电，导致列车出现停车和其他不安全因素，不能完全满足橙线安全、可靠的用电需求。

2.3 地铁运营用电需求

为满足当地日常乘车规律，根据橙线运营方案和需求， 工作日周一至周六，组织列车上线运营20列，备用车1列，早晚高峰时段上线运营满20列，行车间隔为5 min 30 s，平峰时段上线运营14列，行车间隔为7 min 40 s，运行周期110 min；周日和节假日上线运营22 列，备用车1列，早高峰时段上线运营20列，行车间隔为5 min 30 s，平峰时段上线运营14列，行车间隔为7 min 40 s，运行周期110 min，晚高峰时段上线运营22 列，行车间隔为5 min，运行周期107 min。

鉴于上线列车行车密度和车站服务用电需求，橙线运营期间必须保证每1台主变压器负载率为25%，冗余为75%，满足应急供电方式主变压器设计承载能力；保证AC33kV环网供电母线电压在正常范围（±10%），同时保证AC400V电压在正常范围（±7%），满足AC400V车站设备用电及各个大系统用电；以及确保降压整流后DC750V接触轨正常电压值在DC500V～DC950V，2 列车及以上在同一接触轨供电区段启动电流满足约3 000 A以上（保护定值为12 000 A）。每个降压变电所设置2段AC400V母排，2段母排互为备用，作为独立电源输送电能至用电负荷，包括信号系统、通信系统、电扶梯、售票机、闸机、一般照明、供冷机组、新风系统、隧道通风系统、环控电控系统等。

3 电压大范围波动应对措施

3.1 技术和设备措施

（1）变电设备监控。标准配置下，每座主电站主图可显示在线电压值，但不能监测电压波动具体状态，针对当地电网不稳定以及频繁故障和电压波动的情况，为满足橙线安全运营需求，从技术管理上要求当值调度员24 h监测主电站AC132kV线路实时电压监测波形图幅值，电压监测波形图如图3所示，以及监测AC33kV母线和AC400V母排电压值。当出现异常时，查明原因及时做出相应调整。设备方面，从AC132kV主变压器实现有载调档，可从1档调至17档，升降档根据实际情况而决定。从AC33kV设备侧，调整AC33kV输出断路器整定值，由小变大，伴随其他相关联设备同步调整整定值，并符合设备保护动作规定。满足在应急情况下及需要改变供电方式时，AC33kV输出断路器不因负荷大而定值小导致跳闸，并且满足在特殊供电方式时1个输出断路器满足一整段供电分区供电，保证供电的连续性和可靠性。

图3 线路实时电压监测波形图

（2）行车保障。行车组织调整方案，在满足橙线安全载客运营前提下，针对电压波动和停电，在故障期间，按实际情况需要减少行车，对行车间隔做出调整，为此上线运营列车减少2～3列，行车间隔从7 min调整到10 min，采取适当降级调整，梯度运营，最大限度满足运营列车。

3.2 管理应对措施

（1）从管理手段和技术措施方面，制定相应的快速应急操作程序，以最大程度、最快速度保障故障期间设备运作，满足运营用电需求；按供电系统设计思路，结合主变压器负担的供电范围、负荷，科学合理地制定 15 种快速、可靠、有效应急操作流程，细化电调应急处置方案，满足连续性供电要求。针对UET主电站故障有3种方案：①3#专线失电，应急处置应对措施为由沙努尔（SHR）主电站1#专线供电，或由UET主电站#专线供电，电调必须按图 2 确认对应的进线断路器分闸位置，AC33kV 对应的输出断路器分闸位置，除UET、SHR 2所主电站所有专线同时失电的情况以外，应急处置同此要求；②4#专线失电，由SHR主电站2#专线供电，或由UET主电站3#专线供电；③3#、4#专线同时失电，由SHR主电站1#、2#、3#、4#专线供电，当 UET 或 SHR 主电站全部退出，只有 1 座主电站向全线供电时，密切关注电力负载运行状态，必要时退出客流较少的车站三级不重要负荷，可以考虑对 15～24 号车站停用三级负荷。针对SHR主电站故障有11种方案：①1#专线失电，由UET主电站3#专线供电，或由SHR主电站3#专线供电；②2#专线失电，由UET主电站4#专线供电，或由SHR主电站4#专线供电；③3#专线失电，由UET主电站3#专线供电，或由SHR主电站1#专线供电；④4#专线失电，由UET主电站4#专线供电，或由SHR主电站2#专线供电；⑤1#、2#专线同时失电，由UET主电站3#、4#专线供电，或分别由SHR主电站3#、4#专线供电；⑥1#、3#专线同时失电，由UET主电站3#专线供电，或由SHR主电站4#专线供电，或由SHR主电站2#专线供电；⑦1#、4#专线同时失电，由UET主电站3#、4#专线供电，或分别由SHR主电站2#、3#专线供电；⑧2#、3#专线同时失电，由UET主电站3#、4#专线供电，或分别由SHR主电站1#、4#专线供电；⑨2#、4#专线同时失电，由UET主电站3#、4#专线供电，或由SHR主电站1#专线供电，或由SHR主电站3#专线供电；⑩3#、4#专线同时失电，由UET主电站3#、4#专线供电，或分别由SHR主电站1#、2#专线供电；11 1#、2#、3#、4#专线同时失电，由UET主电站3#、4#专线供电，当 UET 或 SHR 主电站其中一座全部退出，只有 1 座主电站向全线供电时，密切关注电力负载运行状态，必要时退出客流较少的车站三级不重要负荷，可以考虑对 15～24 号车站停用三级负荷。针对UET、SHR主电站同时故障有1种方案：当2座主站所有专线同时失电时，已经没有外部主电源，不满足运营条件，应立即启动全线停电应急预案，即尽快启动每一座车站柴油发电机，通过柴油发电机向车站重要应急设备反向供电，只能满足车站客流疏散、应急照明，疏散指示、站台门应急门打开等，便于客流引导；同时，配合行调组织所有列车维持进站开门待令，减少站间乘客疏散组织工作；通知控制中心值班主任通报当地供电局和当地旁遮普省交通管理部门，了解原因及请求安排支援橙线，橙线内部安排专业人员检查主电站进线断路器是否出现长时间失电导致断路器自锁，造成无法操作，以及检查主电站蓄电池组模块，保障高压设备的二次控制电源。

（2）人员管理。优化电力调度员配班，根据技术水平和专业知识熟练程度合理安排在岗调度员工作配合；在年度和月度工作计划中，增加应急场景演练和技术培训课程，通过每月技术培训和各类典型案例技术会交流，分享经验；评估突发处置应急演练，检验培训效果，有效提高工作效率和应急处置能力。

（3）外部资源管理。每季度主动与旁遮普省交通主管部门、地方供电局交流，为橙线供电可靠性、电网改善运行质量出谋献策，既完善合约规程，并要求供电局提高处置效应和加大设备检修力度，最大程度确保电网正常运行，最大幅度减少对橙线的不良影响。

4 执行应对措施后效果

4.1 提升供电质量

全面执行应对措施和应急程序后，据系统数据统计，外部电压波动频率从原有的日均5次减少至2次，故障停电从每日最多8次下降到每日最多3次，AC33kV电压和AC400V电压波动频率环比下降60%，供电可靠性显著提高，实现DC750V接触轨零停电；与此同时，橙线控制中心、车站及当地供电局签署相关条约，当出现严重电压波动，要求当地供电局在10 min内完成应急处置，避免故障扩大，若无法实现，可由控制中心与车站有序组织处置，力求在5 min内恢复行车、10 min内恢复车站正常客运服务，减少对乘客出行影响，维持运营组织的主动权。

4.2 运营服务质量有效保障

根据运营服务指标，电压波动造成停电（含接触轨）导致5 min以上晚点事件，从最多12列次降低至3 列次，列车正点率提高60%；可靠度从原有最高晚点15 min，降低至最低晚点5 min，列车服务可靠度得到显著提高；目前，日均上线20列车，共开行290列次，日均客运量达到9万人次。

5 结语

面对拉合尔当地供电质量较差的情况，采用措施后最大限度保障了设备运行，降低主变压器及低压设备损耗，减少断路器跳闸次数，避免大量列车在运行时出现无电压停车，乘客服务和安全运营可靠性显著提高，乘客服务质量逐渐变好。但仍需继续研究学习先进技术理念，增加先进设备的使用实现自动化调控，减少人工介入操作，增强业务技能以及不断优化应急操作流程和处置方案，竭力实现运营最优状态。