0引言

軌道交通因其高效、準(zhǔn)時的優(yōu)點在市民出行過程中扮演著非常重要的角色,作為現(xiàn)代城市發(fā)展的動脈系統(tǒng),軌道交通的安全運營直接關(guān)乎市民的出行安全,因此其供電系統(tǒng)的穩(wěn)定運行越來越受到公司的關(guān)注。軌道交通供電系統(tǒng)不僅要為電客車提供源源不斷的牽引電源,還要兼顧車站正常運轉(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,它時刻監(jiān)測著供電系統(tǒng)的運行狀態(tài)。在眾多供電保護(hù)機制中,非電量保護(hù)系統(tǒng)因其獨特的預(yù)警功能,正逐漸成為保障運營安全的關(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)便會觸發(fā)報警或跳閘,因此非電量保護(hù)的準(zhǔn)確性和可靠性對軌道交通供電系統(tǒng)來說非常重要。

近幾年,非電量保護(hù)系統(tǒng)出現(xiàn)了不少誤動作的問題,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,這些問題導(dǎo)致了不必要的停電或列車停運,不僅增加了維護(hù)成本,還會導(dǎo)致乘客滯留和運輸效率下降。因此,深入研究非電量保護(hù)誤動作的原因,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,從而保障軌道運輸?shù)母咝Ш桶踩\行。

1案例概述

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

1)常州地鐵2019年6月29日至9月8 日期間,因 SF6低氣壓表計內(nèi)部節(jié)點問題造成35 kV開關(guān)柜SF6低氣壓誤報警14次,低氣壓誤跳閘6次,35 kV進(jìn)出線開關(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)超溫跳閘硬接點短接,觸發(fā)超溫跳閘誤動作。

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

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

5)南通地鐵2023年8月20日振興路站212斷路器小車跳閘,1A15供電分區(qū)單邊供電,經(jīng)現(xiàn)場搶修人員檢查,故障原因為DIO模塊X—101/J3模塊故障,導(dǎo)致在運行過程中小車位置信號丟失,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)主要是用來監(jiān)測一些非電信號,比如溫度、壓力、距離等非電參數(shù),然后把這些信息轉(zhuǎn)換成電信號進(jìn)行處理。這些信號經(jīng)過放大、過濾和對比后,會和預(yù)設(shè)的保護(hù)定值做比較。如果某個信號超出保護(hù)定值,保護(hù)系統(tǒng)就會啟動,通過輔助觸點觸發(fā)保護(hù)報警或跳閘。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關(guān)鍵環(huán)節(jié):

1)通過鉑熱電阻、壓力變送器等裝置實現(xiàn)物理信號轉(zhuǎn)換;

2)對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行噪聲過濾、信號放大、閾值比對等數(shù)字化處理;

3)通過硬接點觸發(fā)保護(hù)動作,具體回路如圖1所示。

上述三個關(guān)鍵環(huán)節(jié)中每個環(huán)節(jié)都存在引發(fā)誤動作的潛在風(fēng)險,以廣州地鐵四號線溫控器節(jié)點松動為例,機械振動導(dǎo)致接觸電阻變大,經(jīng)過信號放大后產(chǎn)生超過設(shè)定閾值的測量偏差,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),如過流、零序、過負(fù)荷,非電量保護(hù)包括瓦斯保護(hù)、超溫報警及跳閘、變壓器開門跳閘、低氣壓報警及跳閘、1500V手車位置故障跳閘等。以非電量保護(hù)中的SF6低氣壓跳閘誤動作為例,具體非電量保護(hù)回路如圖1所示。35 kV開關(guān)柜SF6低氣壓跳閘期間會造成單站或多站400 V一、二級負(fù)荷電源短時切換,三級負(fù)荷電源停電,車站會出現(xiàn)不同程度的電扶梯停梯、廣告照明停電、冷水機組停機現(xiàn)象,其中電扶梯停梯會對運營安全造成一定的影響。

3研究方法

作為長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)的誤動作問題存在顯著的“灰箱效應(yīng)”。在近兩年的實地跟蹤中,研究團(tuán)隊采用動態(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)場調(diào)試經(jīng)歷中,筆者深刻體會到設(shè)備離散性對系統(tǒng)可靠性的影響遠(yuǎn)超理論預(yù)期,這個發(fā)現(xiàn)促使本項目組重新審視傳統(tǒng)分析方法。

3.1數(shù)據(jù)采集與特征提取

研究團(tuán)隊通過三個季度的時間,整合了國內(nèi)六個城市軌道交通供電系統(tǒng)的運行數(shù)據(jù)。值得注意的是,這些數(shù)據(jù)并非單純來自既有的運行日志,還有故障分析報告,其包含誤動作發(fā)生的時間點、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、運行時長)等相關(guān)信息,本項目組重點提取了以下特征維度:

1)季節(jié)性特征:分析歷年換季時段(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)備自投運以來的故障率,更精準(zhǔn)反映設(shè)備老化時的故障率。

3.2 分析方法的革新實踐

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

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

2)改進(jìn)型故障樹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)險概率;

3)根本原因追溯過程中,本項目組意外發(fā)現(xiàn)約15%的誤動作案例存在設(shè)計參數(shù)與實際工況不匹配問題,這一發(fā)現(xiàn)對后續(xù)改進(jìn)具有重要啟示。

3.3 實驗驗證的創(chuàng)新設(shè)計

考慮到實驗室模擬的局限性,本項目組特別設(shè)計了漸進(jìn)式驗證方案:

1)環(huán)境模擬子系統(tǒng) :采用PID溫控裝置實現(xiàn)±0.5 ℃波動精度,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:通過加速老化試驗 (ASTM F1980)構(gòu)建三類樣本,其中重度老化組引入可控?fù)p傷機制;

3)改進(jìn)措施驗證:采取雙盲測試設(shè)計,在三個改進(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,實驗過程中發(fā)現(xiàn)冗余檢測通道的增設(shè)并非線性提升可靠性,當(dāng)冗余度超過三通道時反而會引發(fā)信號競爭問題。

3.4研究局限與改進(jìn)方向

盡管研究取得階段性成果,仍存在以下三個亟待突破的瓶頸:

1)數(shù)據(jù)時效性問題:既有故障案例庫更新周期較長,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:實驗室難以完全復(fù)現(xiàn)道岔區(qū)段的復(fù)合振動譜特性;

3)經(jīng)濟性評估缺失: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

從多個角度對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)生誤動作主要有四個原因:設(shè)備老化、外部環(huán)境干擾、設(shè)計缺陷和維護(hù)不足,具體故障占比如圖2所示。針對這些問題,下文提出了改進(jìn)方法。

4.1 設(shè)備老化

長期服役設(shè)備(特別是超過設(shè)計壽命的器件)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。例如傳感器會因為長期使用出現(xiàn)測量不準(zhǔn)的情況,比如零點漂移;溫度補償曲線也會失效,無法準(zhǔn)確反映溫度變化,還會引發(fā)接觸不良或線路腐蝕等問題^[3],這類故障會導(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)雜的運行環(huán)境中,高溫高濕的環(huán)境會讓設(shè)備元件加速老化,誤動率比正常條件下會有所增加。具體表現(xiàn)為:

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

2)過高的濕度會導(dǎo)致設(shè)備絕緣性能下降,甚至影響硬接點的開路狀態(tài)^[4];

3)軌道交通中設(shè)備產(chǎn)生的強電磁場會導(dǎo)致保護(hù)系統(tǒng)錯誤觸發(fā)故障^[5]。

在變電所設(shè)備數(shù)據(jù)分析中,本項目組發(fā)現(xiàn)環(huán)境濕度對保護(hù)裝置的影響被嚴(yán)重低估。變電所設(shè)備房因環(huán)境濕度問題造成的誤動作情況涉及多個重點設(shè)備,比如變壓器溫控器、SVG模塊、直流開關(guān)柜等,甚至有的柜內(nèi)出現(xiàn)了凝露現(xiàn)象。這些問題不僅會單獨影響供電系統(tǒng)的可靠性,還會因為多種因素疊加(比如溫度和濕度變化同時發(fā)生)而導(dǎo)致誤動作風(fēng)險顯著增加。因此,在設(shè)計非電量保護(hù)系統(tǒng)時需要考慮環(huán)境因素,并采取相應(yīng)的抗干擾措施,比如設(shè)置冗余檢測通道、增加柜內(nèi)干燥措施等。

4.3 設(shè)計缺陷

一些裝置的非電量保護(hù)在設(shè)計上不夠完善,比如通過行程開關(guān)判斷1500 V手車位置故障,回路接點較多,誤動作的可能性非常大,這些設(shè)計問題會導(dǎo)致保護(hù)裝置無法正確識別故障狀態(tài),從而引發(fā)誤動作。

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)計缺陷之間還會產(chǎn)生疊加效應(yīng),比如說,如果設(shè)計本身就有缺陷(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、檢查力度減弱),問題就會被進(jìn)一步放大,造成不必要的設(shè)備誤動作。

5 改進(jìn)策略

針對上述問題造成的非電量保護(hù)誤動作問題,可以從以下三個方面進(jìn)行優(yōu)化:

1)可以采用優(yōu)化設(shè)計、提高抗干擾能力、增加備用措施以及加強日常維護(hù)等方法^[6],這些改進(jìn)措施能大幅減少誤動作的發(fā)生。比如在優(yōu)化保護(hù)邏輯設(shè)計的措施方面,部分地鐵先后取消了35 kV開關(guān)柜SF6低氣壓跳閘功能,保留報警功能,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手車位置故障跳閘改為報警等等。

2)另外,還要加強維修人員的培訓(xùn)和教育,提高其對于設(shè)備結(jié)構(gòu)和故障診斷的熟悉程度。通過模擬故障演練和實際操作培訓(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)備的運行數(shù)據(jù)和歷史故障記錄,定期對設(shè)備進(jìn)行全面的檢查和維護(hù),及時發(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),必要時增加一些開關(guān)柜的防潮措施,對濕度較大的設(shè)備房需重點關(guān)注其設(shè)備的運行狀態(tài),必要時可縮短檢修周期。

6 結(jié)束語

本文通過深入研究軌道交通供電系統(tǒng)中非電量保護(hù)誤動作的材料,整理了很多導(dǎo)致這種問題的關(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,在實際操作中也很實用。如果能落實這些改進(jìn)措施,可以有效減少誤動作的發(fā)生,讓整個軌道交通系統(tǒng)的運行更加安全和可靠。

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《機電信息》2025年第13期第17篇