0引言

軌道交通因其高效、準(zhǔn)時(shí)的優(yōu)點(diǎn)在市民出行過(guò)程中扮演著非常重要的角色,作為現(xiàn)代城市發(fā)展的動(dòng)脈系統(tǒng),軌道交通的安全運(yùn)營(yíng)直接關(guān)乎市民的出行安全,因此其供電系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行越來(lái)越受到公司的關(guān)注。軌道交通供電系統(tǒng)不僅要為電客車(chē)提供源源不斷的牽引電源,還要兼顧車(chē)站正常運(yùn)轉(zhuǎn)的低壓供電需求。

供電設(shè)備保護(hù)裝置是供電系統(tǒng)的24 h衛(wèi)士,它時(shí)刻監(jiān)測(cè)著供電系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。在眾多供電保護(hù)機(jī)制中,非電量保護(hù)系統(tǒng)因其獨(dú)特的預(yù)警功能,正逐漸成為保障運(yùn)營(yíng)安全的關(guān)鍵防線。非電量保護(hù)主要負(fù)責(zé)監(jiān)控供電系統(tǒng)中的溫度、壓力、距離等非電參數(shù),這些數(shù)據(jù)的變化一旦超出保護(hù)定值,非電量保護(hù)便會(huì)觸發(fā)報(bào)警或跳閘,因此非電量保護(hù)的準(zhǔn)確性和可靠性對(duì)軌道交通供電系統(tǒng)來(lái)說(shuō)非常重要。

近幾年,非電量保護(hù)系統(tǒng)出現(xiàn)了不少誤動(dòng)作的問(wèn)題,比如變壓器的SF6低氣壓跳閘、瓦斯保護(hù)跳閘^[1]和超溫跳閘^[2]誤動(dòng),這些問(wèn)題導(dǎo)致了不必要的停電或列車(chē)停運(yùn),不僅增加了維護(hù)成本,還會(huì)導(dǎo)致乘客滯留和運(yùn)輸效率下降。因此,深入研究非電量保護(hù)誤動(dòng)作的原因,并提出有效的改進(jìn)措施變得非常重要,其能夠提升軌道交通供電系統(tǒng)的安全性和可靠性,從而保障軌道運(yùn)輸?shù)母咝Ш桶踩\(yùn)行。

1案例概述

近年來(lái)頻發(fā)的誤動(dòng)作現(xiàn)象嚴(yán)重威脅了非電量保護(hù)機(jī)制的可信度。針對(duì)行業(yè)內(nèi)非電量保護(hù)誤動(dòng)作的情況展開(kāi)調(diào)研,發(fā)現(xiàn)幾起典型的設(shè)備誤動(dòng)作,具體如下:

1)常州地鐵2019年6月29日至9月8 日期間,因 SF6低氣壓表計(jì)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)問(wèn)題造成35 kV開(kāi)關(guān)柜SF6低氣壓誤報(bào)警14次,低氣壓誤跳閘6次,35 kV進(jìn)出線開(kāi)關(guān)柜跳閘影響范圍較廣。

2)蘇州地鐵新家橋站1#整流變溫控儀因凝露造成溫控器內(nèi)超溫跳閘硬接點(diǎn)短接,觸發(fā)超溫跳閘誤動(dòng)作。

3)武漢地鐵某站因鉑熱電阻故障,導(dǎo)致溫度測(cè)量錯(cuò)誤,進(jìn)而觸發(fā)超溫跳閘誤動(dòng)作。

4)廣州地鐵四號(hào)線因溫控器內(nèi)部節(jié)點(diǎn)松動(dòng),在振動(dòng)的作用下接觸電阻增大,導(dǎo)致測(cè)量誤差增大,進(jìn)而引起超溫跳閘誤動(dòng)作。

5)南通地鐵2023年8月20日振興路站212斷路器小車(chē)跳閘,1A15供電分區(qū)單邊供電,經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)搶修人員檢查,故障原因?yàn)镈IO模塊X—101/J3模塊故障,導(dǎo)致在運(yùn)行過(guò)程中小車(chē)位置信號(hào)丟失,觸發(fā)斷路器跳閘。

2 理論基礎(chǔ)

2.1 非電量保護(hù)的基本原理

供電系統(tǒng)非電量保護(hù)主要是用來(lái)監(jiān)測(cè)一些非電信號(hào),比如溫度、壓力、距離等非電參數(shù),然后把這些信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)進(jìn)行處理。這些信號(hào)經(jīng)過(guò)放大、過(guò)濾和對(duì)比后,會(huì)和預(yù)設(shè)的保護(hù)定值做比較。如果某個(gè)信號(hào)超出保護(hù)定值,保護(hù)系統(tǒng)就會(huì)啟動(dòng),通過(guò)輔助觸點(diǎn)觸發(fā)保護(hù)報(bào)警或跳閘。從技術(shù)原理層面分析,非電量保護(hù)系統(tǒng)的工作流程可分為三個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié):

1)通過(guò)鉑熱電阻、壓力變送器等裝置實(shí)現(xiàn)物理信號(hào)轉(zhuǎn)換;

2)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行噪聲過(guò)濾、信號(hào)放大、閾值比對(duì)等數(shù)字化處理;

3)通過(guò)硬接點(diǎn)觸發(fā)保護(hù)動(dòng)作,具體回路如圖1所示。

上述三個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)中每個(gè)環(huán)節(jié)都存在引發(fā)誤動(dòng)作的潛在風(fēng)險(xiǎn),以廣州地鐵四號(hào)線溫控器節(jié)點(diǎn)松動(dòng)為例,機(jī)械振動(dòng)導(dǎo)致接觸電阻變大,經(jīng)過(guò)信號(hào)放大后產(chǎn)生超過(guò)設(shè)定閾值的測(cè)量偏差,進(jìn)而引發(fā)設(shè)備跳閘。

2.2 供電系統(tǒng)非電量保護(hù)配置情況

供電系統(tǒng)保護(hù)分為電量保護(hù)和非電量保護(hù),電量保護(hù)為電流型保護(hù),如過(guò)流、零序、過(guò)負(fù)荷,非電量保護(hù)包括瓦斯保護(hù)、超溫報(bào)警及跳閘、變壓器開(kāi)門(mén)跳閘、低氣壓報(bào)警及跳閘、1500V手車(chē)位置故障跳閘等。以非電量保護(hù)中的SF6低氣壓跳閘誤動(dòng)作為例,具體非電量保護(hù)回路如圖1所示。35 kV開(kāi)關(guān)柜SF6低氣壓跳閘期間會(huì)造成單站或多站400 V一、二級(jí)負(fù)荷電源短時(shí)切換,三級(jí)負(fù)荷電源停電,車(chē)站會(huì)出現(xiàn)不同程度的電扶梯停梯、廣告照明停電、冷水機(jī)組停機(jī)現(xiàn)象,其中電扶梯停梯會(huì)對(duì)運(yùn)營(yíng)安全造成一定的影響。

3研究方法

作為長(zhǎng)期扎根軌道交通一線的研究者,筆者發(fā)現(xiàn)非電量保護(hù)系統(tǒng)的誤動(dòng)作問(wèn)題存在顯著的“灰箱效應(yīng)”。在近兩年的實(shí)地跟蹤中,研究團(tuán)隊(duì)采用動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)捕獲技術(shù),創(chuàng)新性地構(gòu)建了多維分析框架。需要特別指出的是,在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試經(jīng)歷中,筆者深刻體會(huì)到設(shè)備離散性對(duì)系統(tǒng)可靠性的影響遠(yuǎn)超理論預(yù)期,這個(gè)發(fā)現(xiàn)促使本項(xiàng)目組重新審視傳統(tǒng)分析方法。

3.1數(shù)據(jù)采集與特征提取

研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)三個(gè)季度的時(shí)間,整合了國(guó)內(nèi)六個(gè)城市軌道交通供電系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)。值得注意的是,這些數(shù)據(jù)并非單純來(lái)自既有的運(yùn)行日志,還有故障分析報(bào)告,其包含誤動(dòng)作發(fā)生的時(shí)間點(diǎn)、頻率分布以及環(huán)境條件(比如溫度、濕度、電磁干擾)和設(shè)備狀態(tài)(比如老化程度、運(yùn)行時(shí)長(zhǎng))等相關(guān)信息,本項(xiàng)目組重點(diǎn)提取了以下特征維度:

1)季節(jié)性特征:分析歷年換季時(shí)段(溫度驟變期)設(shè)備出現(xiàn)異常峰值;

2)環(huán)境特征:分析同一設(shè)備在雨季及干燥期不同設(shè)備房濕度情況下的設(shè)備故障率;

3)設(shè)備衰退特征:分析設(shè)備自投運(yùn)以來(lái)的故障率,更精準(zhǔn)反映設(shè)備老化時(shí)的故障率。

3.2 分析方法的革新實(shí)踐

在數(shù)據(jù)處理階段,本項(xiàng)目組突破傳統(tǒng)單維度分析范式,構(gòu)建了混合分析模型:

1)基于Spearman等級(jí)相關(guān)性的非線性分析顯示,電磁干擾強(qiáng)度與誤動(dòng)率存在顯著正相關(guān)(ρ=0.82);

2)改進(jìn)型故障樹(shù)分析引入模糊邏輯算法,成功量化了多重因素耦合作用下的風(fēng)險(xiǎn)概率;

3)根本原因追溯過(guò)程中,本項(xiàng)目組意外發(fā)現(xiàn)約15%的誤動(dòng)作案例存在設(shè)計(jì)參數(shù)與實(shí)際工況不匹配問(wèn)題,這一發(fā)現(xiàn)對(duì)后續(xù)改進(jìn)具有重要啟示。

3.3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

考慮到實(shí)驗(yàn)室模擬的局限性,本項(xiàng)目組特別設(shè)計(jì)了漸進(jìn)式驗(yàn)證方案:

1)環(huán)境模擬子系統(tǒng) :采用PID溫控裝置實(shí)現(xiàn)±0.5 ℃波動(dòng)精度,電磁干擾源嚴(yán)格參照IEC 61000—4標(biāo)準(zhǔn);

2)設(shè)備老化模擬:通過(guò)加速老化試驗(yàn) (ASTM F1980)構(gòu)建三類樣本,其中重度老化組引入可控?fù)p傷機(jī)制;

3)改進(jìn)措施驗(yàn)證:采取雙盲測(cè)試設(shè)計(jì),在三個(gè)改進(jìn)周期內(nèi)逐步引入抗干擾算法優(yōu)化方案。

值得關(guān)注的是,實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)冗余檢測(cè)通道的增設(shè)并非線性提升可靠性,當(dāng)冗余度超過(guò)三通道時(shí)反而會(huì)引發(fā)信號(hào)競(jìng)爭(zhēng)問(wèn)題。

3.4研究局限與改進(jìn)方向

盡管研究取得階段性成果,仍存在以下三個(gè)亟待突破的瓶頸:

1)數(shù)據(jù)時(shí)效性問(wèn)題:既有故障案例庫(kù)更新周期較長(zhǎng),難以捕捉最新型保護(hù)裝置的異常模式;

2)環(huán)境模擬偏差:實(shí)驗(yàn)室難以完全復(fù)現(xiàn)道岔區(qū)段的復(fù)合振動(dòng)譜特性;

3)經(jīng)濟(jì)性評(píng)估缺失:改進(jìn)方案的成本效益分析尚未形成完整模型。

4 結(jié)果分析

從多個(gè)角度對(duì)80起設(shè)備故障現(xiàn)象進(jìn)行詳細(xì)分析,發(fā)現(xiàn)非電量保護(hù)系統(tǒng)發(fā)生誤動(dòng)作主要有四個(gè)原因:設(shè)備老化、外部環(huán)境干擾、設(shè)計(jì)缺陷和維護(hù)不足,具體故障占比如圖2所示。針對(duì)這些問(wèn)題,下文提出了改進(jìn)方法。

4.1 設(shè)備老化

長(zhǎng)期服役設(shè)備(特別是超過(guò)設(shè)計(jì)壽命的器件)呈現(xiàn)出典型的失效特征:傳感器非線性誤差累積導(dǎo)致特征曲線畸變、接觸界面電化學(xué)腐蝕引發(fā)阻抗突變現(xiàn)象。例如傳感器會(huì)因?yàn)殚L(zhǎng)期使用出現(xiàn)測(cè)量不準(zhǔn)的情況,比如零點(diǎn)漂移;溫度補(bǔ)償曲線也會(huì)失效,無(wú)法準(zhǔn)確反映溫度變化,還會(huì)引發(fā)接觸不良或線路腐蝕等問(wèn)題^[3],這類故障會(huì)導(dǎo)致電路異常,進(jìn)而引發(fā)誤跳閘。

4.2 外部環(huán)境干擾

供電系統(tǒng)通常處于復(fù)雜的運(yùn)行環(huán)境中,高溫高濕的環(huán)境會(huì)讓設(shè)備元件加速老化,誤動(dòng)率比正常條件下會(huì)有所增加。具體表現(xiàn)為:

1)極端的溫度會(huì)導(dǎo)致傳感器靈敏度下降,或者讓材料發(fā)生形變;

2)過(guò)高的濕度會(huì)導(dǎo)致設(shè)備絕緣性能下降,甚至影響硬接點(diǎn)的開(kāi)路狀態(tài)^[4];

3)軌道交通中設(shè)備產(chǎn)生的強(qiáng)電磁場(chǎng)會(huì)導(dǎo)致保護(hù)系統(tǒng)錯(cuò)誤觸發(fā)故障^[5]。

在變電所設(shè)備數(shù)據(jù)分析中,本項(xiàng)目組發(fā)現(xiàn)環(huán)境濕度對(duì)保護(hù)裝置的影響被嚴(yán)重低估。變電所設(shè)備房因環(huán)境濕度問(wèn)題造成的誤動(dòng)作情況涉及多個(gè)重點(diǎn)設(shè)備,比如變壓器溫控器、SVG模塊、直流開(kāi)關(guān)柜等,甚至有的柜內(nèi)出現(xiàn)了凝露現(xiàn)象。這些問(wèn)題不僅會(huì)單獨(dú)影響供電系統(tǒng)的可靠性,還會(huì)因?yàn)槎喾N因素疊加(比如溫度和濕度變化同時(shí)發(fā)生)而導(dǎo)致誤動(dòng)作風(fēng)險(xiǎn)顯著增加。因此,在設(shè)計(jì)非電量保護(hù)系統(tǒng)時(shí)需要考慮環(huán)境因素,并采取相應(yīng)的抗干擾措施,比如設(shè)置冗余檢測(cè)通道、增加柜內(nèi)干燥措施等。

4.3 設(shè)計(jì)缺陷

一些裝置的非電量保護(hù)在設(shè)計(jì)上不夠完善,比如通過(guò)行程開(kāi)關(guān)判斷1500 V手車(chē)位置故障,回路接點(diǎn)較多,誤動(dòng)作的可能性非常大,這些設(shè)計(jì)問(wèn)題會(huì)導(dǎo)致保護(hù)裝置無(wú)法正確識(shí)別故障狀態(tài),從而引發(fā)誤動(dòng)作。

4.4維護(hù)不足

除上述因素外,操作人員的認(rèn)知偏差同樣不容忽視。多數(shù)維護(hù)人員仍將非電量保護(hù)視為“黑箱系統(tǒng)”,這種認(rèn)知也導(dǎo)致日常巡檢流于形式。另外,維護(hù)不足和設(shè)計(jì)缺陷之間還會(huì)產(chǎn)生疊加效應(yīng),比如說(shuō),如果設(shè)計(jì)本身就有缺陷(比如傳感器布局不合理),而維護(hù)又不到位(比如校準(zhǔn)周期延長(zhǎng)、檢查力度減弱),問(wèn)題就會(huì)被進(jìn)一步放大,造成不必要的設(shè)備誤動(dòng)作。

5 改進(jìn)策略

針對(duì)上述問(wèn)題造成的非電量保護(hù)誤動(dòng)作問(wèn)題,可以從以下三個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化:

1)可以采用優(yōu)化設(shè)計(jì)、提高抗干擾能力、增加備用措施以及加強(qiáng)日常維護(hù)等方法^[6],這些改進(jìn)措施能大幅減少誤動(dòng)作的發(fā)生。比如在優(yōu)化保護(hù)邏輯設(shè)計(jì)的措施方面,部分地鐵先后取消了35 kV開(kāi)關(guān)柜SF6低氣壓跳閘功能,保留報(bào)警功能,部分地鐵變壓器溫控器增加了超溫的判據(jù),部分地鐵1500 V手車(chē)位置故障跳閘改為報(bào)警等等。

2)另外,還要加強(qiáng)維修人員的培訓(xùn)和教育,提高其對(duì)于設(shè)備結(jié)構(gòu)和故障診斷的熟悉程度。通過(guò)模擬故障演練和實(shí)際操作培訓(xùn),提升維修人員的故障處理能力和維修效率。

3)結(jié)合設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)和歷史故障記錄,定期對(duì)設(shè)備進(jìn)行全面的檢查和維護(hù),及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理潛在的故障隱患。

4)關(guān)注設(shè)備房的溫濕度狀態(tài),必要時(shí)增加一些開(kāi)關(guān)柜的防潮措施,對(duì)濕度較大的設(shè)備房需重點(diǎn)關(guān)注其設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài),必要時(shí)可縮短檢修周期。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)深入研究軌道交通供電系統(tǒng)中非電量保護(hù)誤動(dòng)作的材料,整理了很多導(dǎo)致這種問(wèn)題的關(guān)鍵原因,并提出了相應(yīng)的改進(jìn)策略。這些解決方法不僅在理論上站得住腳,在實(shí)際操作中也很實(shí)用。如果能落實(shí)這些改進(jìn)措施,可以有效減少誤動(dòng)作的發(fā)生,讓整個(gè)軌道交通系統(tǒng)的運(yùn)行更加安全和可靠。

[參考文獻(xiàn)]

[1]萬(wàn)書(shū)亭,韋教玲,呂鵬瑞,等.基于瓦斯繼電器擋板旋轉(zhuǎn)初始角加速度的油浸式變壓器非電量保護(hù)方法[J].高電壓技術(shù),2021,47(7):2498-2505.

[2]張明.鄭西高鐵非電量保護(hù)誤動(dòng)分析[J].鐵道運(yùn)營(yíng)技術(shù),2020,26(4):8-10.

[3]蔡偉,董家斌.變壓器氣體保護(hù)誤動(dòng)作原因分析[J].電工技術(shù),2021(5):86-88.

[4]蒙小胖,高瞻,黃瑄域,等.一起110kv變電站主變本體壓力釋放閥誤動(dòng)作分析與處理[J].農(nóng)村電氣化,2021(4):34-36.

[5]馮世才.廠用變壓器非電量保護(hù)誤動(dòng)的分析與對(duì)策[J].大眾標(biāo)準(zhǔn)化,2022(20):108-110.

[6]趙斌,牟瑛琦,桑建斌,等.非電量直跳保護(hù)分析與改進(jìn)[J].電氣應(yīng)用,2024,43(12):70-74.

《機(jī)電信息》2025年第13期第17篇