轨道交通系统中非电量保护误动作的原因分析与改进策略研究

0引言

轨道交通因其高效、准时的优点在市民出行过程中扮演着非常重要的角色,作为现代城市发展的动脉系统,轨道交通的安全运营直接关乎市民的出行安全,因此其供电系统的稳定运行越来越受到公司的关注。轨道交通供电系统不仅要为电客车提供源源不断的牵引电源,还要兼顾车站正常运转的低压供电需求。

供电设备保护装置是供电系统的24 h卫士,它时刻监测着供电系统的运行状态。在众多供电保护机制中,非电量保护系统因其独特的预警功能,正逐渐成为保障运营安全的关键防线。非电量保护主要负责监控供电系统中的温度、压力、距离等非电参数,这些数据的变化一旦超出保护定值,非电量保护便会触发报警或跳闸,因此非电量保护的准确性和可靠性对轨道交通供电系统来说非常重要。

近几年,非电量保护系统出现了不少误动作的问题,比如变压器的SF6低气压跳闸、瓦斯保护跳闸^[1]和超温跳闸^[2]误动,这些问题导致了不必要的停电或列车停运,不仅增加了维护成本,还会导致乘客滞留和运输效率下降。因此,深入研究非电量保护误动作的原因,并提出有效的改进措施变得非常重要,其能够提升轨道交通供电系统的安全性和可靠性,从而保障轨道运输的高效和安全运行。

1案例概述

近年来频发的误动作现象严重威胁了非电量保护机制的可信度。针对行业内非电量保护误动作的情况展开调研,发现几起典型的设备误动作,具体如下:

1)常州地铁2019年6月29日至9月8 日期间,因 SF6低气压表计内部节点问题造成35 kV开关柜SF6低气压误报警14次,低气压误跳闸6次,35 kV进出线开关柜跳闸影响范围较广。

2)苏州地铁新家桥站1#整流变温控仪因凝露造成温控器内超温跳闸硬接点短接,触发超温跳闸误动作。

3)武汉地铁某站因铂热电阻故障,导致温度测量错误,进而触发超温跳闸误动作。

4)广州地铁四号线因温控器内部节点松动,在振动的作用下接触电阻增大,导致测量误差增大,进而引起超温跳闸误动作。

5)南通地铁2023年8月20日振兴路站212断路器小车跳闸,1A15供电分区单边供电,经现场抢修人员检查,故障原因为DIO模块X—101/J3模块故障,导致在运行过程中小车位置信号丢失,触发断路器跳闸。

2 理论基础

2.1 非电量保护的基本原理

供电系统非电量保护主要是用来监测一些非电信号,比如温度、压力、距离等非电参数,然后把这些信息转换成电信号进行处理。这些信号经过放大、过滤和对比后,会和预设的保护定值做比较。如果某个信号超出保护定值,保护系统就会启动,通过辅助触点触发保护报警或跳闸。从技术原理层面分析,非电量保护系统的工作流程可分为三个关键环节:

1)通过铂热电阻、压力变送器等装置实现物理信号转换;

2)对现场数据进行噪声过滤、信号放大、阈值比对等数字化处理;

3)通过硬接点触发保护动作,具体回路如图1所示。

上述三个关键环节中每个环节都存在引发误动作的潜在风险,以广州地铁四号线温控器节点松动为例,机械振动导致接触电阻变大,经过信号放大后产生超过设定阈值的测量偏差,进而引发设备跳闸。

2.2 供电系统非电量保护配置情况

供电系统保护分为电量保护和非电量保护,电量保护为电流型保护,如过流、零序、过负荷,非电量保护包括瓦斯保护、超温报警及跳闸、变压器开门跳闸、低气压报警及跳闸、1500V手车位置故障跳闸等。以非电量保护中的SF6低气压跳闸误动作为例,具体非电量保护回路如图1所示。35 kV开关柜SF6低气压跳闸期间会造成单站或多站400 V一、二级负荷电源短时切换,三级负荷电源停电,车站会出现不同程度的电扶梯停梯、广告照明停电、冷水机组停机现象,其中电扶梯停梯会对运营安全造成一定的影响。

3研究方法

作为长期扎根轨道交通一线的研究者,笔者发现非电量保护系统的误动作问题存在显著的“灰箱效应”。在近两年的实地跟踪中,研究团队采用动态数据捕获技术,创新性地构建了多维分析框架。需要特别指出的是,在现场调试经历中,笔者深刻体会到设备离散性对系统可靠性的影响远超理论预期,这个发现促使本项目组重新审视传统分析方法。

3.1数据采集与特征提取

研究团队通过三个季度的时间,整合了国内六个城市轨道交通供电系统的运行数据。值得注意的是,这些数据并非单纯来自既有的运行日志,还有故障分析报告,其包含误动作发生的时间点、频率分布以及环境条件(比如温度、湿度、电磁干扰)和设备状态(比如老化程度、运行时长)等相关信息,本项目组重点提取了以下特征维度:

1)季节性特征:分析历年换季时段(温度骤变期)设备出现异常峰值;

2)环境特征:分析同一设备在雨季及干燥期不同设备房湿度情况下的设备故障率;

3)设备衰退特征:分析设备自投运以来的故障率,更精准反映设备老化时的故障率。

3.2 分析方法的革新实践

在数据处理阶段,本项目组突破传统单维度分析范式,构建了混合分析模型:

1)基于Spearman等级相关性的非线性分析显示,电磁干扰强度与误动率存在显著正相关(ρ=0.82);

2)改进型故障树分析引入模糊逻辑算法,成功量化了多重因素耦合作用下的风险概率;

3)根本原因追溯过程中,本项目组意外发现约15%的误动作案例存在设计参数与实际工况不匹配问题,这一发现对后续改进具有重要启示。

3.3 实验验证的创新设计

考虑到实验室模拟的局限性,本项目组特别设计了渐进式验证方案:

1)环境模拟子系统 :采用PID温控装置实现±0.5 ℃波动精度,电磁干扰源严格参照IEC 61000—4标准;

2)设备老化模拟:通过加速老化试验 (ASTM F1980)构建三类样本,其中重度老化组引入可控损伤机制;

3)改进措施验证:采取双盲测试设计,在三个改进周期内逐步引入抗干扰算法优化方案。

值得关注的是,实验过程中发现冗余检测通道的增设并非线性提升可靠性,当冗余度超过三通道时反而会引发信号竞争问题。

3.4研究局限与改进方向

尽管研究取得阶段性成果,仍存在以下三个亟待突破的瓶颈:

1)数据时效性问题:既有故障案例库更新周期较长,难以捕捉最新型保护装置的异常模式;

2)环境模拟偏差:实验室难以完全复现道岔区段的复合振动谱特性;

3)经济性评估缺失:改进方案的成本效益分析尚未形成完整模型。

4 结果分析

从多个角度对80起设备故障现象进行详细分析,发现非电量保护系统发生误动作主要有四个原因:设备老化、外部环境干扰、设计缺陷和维护不足,具体故障占比如图2所示。针对这些问题,下文提出了改进方法。

4.1 设备老化

长期服役设备(特别是超过设计寿命的器件)呈现出典型的失效特征:传感器非线性误差累积导致特征曲线畸变、接触界面电化学腐蚀引发阻抗突变现象。例如传感器会因为长期使用出现测量不准的情况,比如零点漂移;温度补偿曲线也会失效,无法准确反映温度变化,还会引发接触不良或线路腐蚀等问题^[3],这类故障会导致电路异常,进而引发误跳闸。

4.2 外部环境干扰

供电系统通常处于复杂的运行环境中,高温高湿的环境会让设备元件加速老化,误动率比正常条件下会有所增加。具体表现为:

1)极端的温度会导致传感器灵敏度下降,或者让材料发生形变;

2)过高的湿度会导致设备绝缘性能下降,甚至影响硬接点的开路状态^[4];

3)轨道交通中设备产生的强电磁场会导致保护系统错误触发故障^[5]。

在变电所设备数据分析中,本项目组发现环境湿度对保护装置的影响被严重低估。变电所设备房因环境湿度问题造成的误动作情况涉及多个重点设备,比如变压器温控器、SVG模块、直流开关柜等,甚至有的柜内出现了凝露现象。这些问题不仅会单独影响供电系统的可靠性,还会因为多种因素叠加(比如温度和湿度变化同时发生)而导致误动作风险显著增加。因此,在设计非电量保护系统时需要考虑环境因素,并采取相应的抗干扰措施,比如设置冗余检测通道、增加柜内干燥措施等。

4.3 设计缺陷

一些装置的非电量保护在设计上不够完善,比如通过行程开关判断1500 V手车位置故障,回路接点较多,误动作的可能性非常大,这些设计问题会导致保护装置无法正确识别故障状态,从而引发误动作。

4.4维护不足

除上述因素外,操作人员的认知偏差同样不容忽视。多数维护人员仍将非电量保护视为“黑箱系统”,这种认知也导致日常巡检流于形式。另外,维护不足和设计缺陷之间还会产生叠加效应,比如说,如果设计本身就有缺陷(比如传感器布局不合理),而维护又不到位(比如校准周期延长、检查力度减弱),问题就会被进一步放大,造成不必要的设备误动作。

5 改进策略

针对上述问题造成的非电量保护误动作问题,可以从以下三个方面进行优化:

1)可以采用优化设计、提高抗干扰能力、增加备用措施以及加强日常维护等方法^[6],这些改进措施能大幅减少误动作的发生。比如在优化保护逻辑设计的措施方面,部分地铁先后取消了35 kV开关柜SF6低气压跳闸功能,保留报警功能,部分地铁变压器温控器增加了超温的判据,部分地铁1500 V手车位置故障跳闸改为报警等等。

2)另外,还要加强维修人员的培训和教育,提高其对于设备结构和故障诊断的熟悉程度。通过模拟故障演练和实际操作培训,提升维修人员的故障处理能力和维修效率。

3)结合设备的运行数据和历史故障记录,定期对设备进行全面的检查和维护,及时发现并处理潜在的故障隐患。

4)关注设备房的温湿度状态,必要时增加一些开关柜的防潮措施,对湿度较大的设备房需重点关注其设备的运行状态,必要时可缩短检修周期。

6 结束语

本文通过深入研究轨道交通供电系统中非电量保护误动作的材料,整理了很多导致这种问题的关键原因,并提出了相应的改进策略。这些解决方法不仅在理论上站得住脚,在实际操作中也很实用。如果能落实这些改进措施,可以有效减少误动作的发生,让整个轨道交通系统的运行更加安全和可靠。

[参考文献]

[1]万书亭,韦教玲,吕鹏瑞,等.基于瓦斯继电器挡板旋转初始角加速度的油浸式变压器非电量保护方法[J].高电压技术,2021,47(7):2498-2505.

[2]张明.郑西高铁非电量保护误动分析[J].铁道运营技术,2020,26(4):8-10.

[3]蔡伟,董家斌.变压器气体保护误动作原因分析[J].电工技术,2021(5):86-88.

[4]蒙小胖,高瞻,黄瑄域,等.一起110kv变电站主变本体压力释放阀误动作分析与处理[J].农村电气化,2021(4):34-36.

[5]冯世才.厂用变压器非电量保护误动的分析与对策[J].大众标准化,2022(20):108-110.

[6]赵斌,牟瑛琦,桑建斌,等.非电量直跳保护分析与改进[J].电气应用,2024,43(12):70-74.

《机电信息》2025年第13期第17篇