城市軌道交通供電系統風險分析與防范研究

李立新 房慧辰 趙偉浩 李全陽 許紅杰

（1.天津東方泰瑞科技有限公司，天津 300113；2.天津一號線軌道交通運營有限公司，天津 300350）

0 引言

城市軌道交通供電系統作為其基礎設施之一，承擔著向列車提供穩定可靠電力的重要任務。然而，由于供電系統的復雜性和特殊性，其存在一系列的潛在風險，可能會對軌道交通的正常運營和乘客的安全產生重大影響。因此，對城市軌道交通供電系統的風險進行深入分析和研究，是確保供電系統的可靠性和安全性的關鍵所在。企業通過識別和評估風險，可以采取相應的管理措施，減少事故的發生，提高供電系統的運行效率和穩定性[1-3]。

1 供電系統研究

城市軌道交通供電系統一般包括中壓供電網絡、牽引供電系統、動力照明供電系統、電力監控系統、雜散電流防護系統。牽引供電系統又包括牽引變電所與牽引網；動力照明供電系統又包括降壓變電所與動力照明配電系統。

1.1 中壓供電網絡

中壓供電網絡是城市軌道交通供電系統的起始環節，其主要功能是將高壓輸電線路的電能轉換為適合城市軌道交通的中壓電能。中壓供電網絡由變電站、開關站等設施組成，通過中壓配電線路將電能輸送到各個牽引變電所和動力照明變電所。中壓供電網絡的穩定性和可靠性對于整個供電系統的運行起著關鍵作用。中壓網絡接線原則每個分區由主變電所引兩路獨立電纜回路供電，中壓網絡線路末端電壓損失不宜超過其額定電壓值的5%。

1.2 牽引供電系統

牽引供電系統是為城市軌道交通列車提供動力的關鍵子系統。它由牽引變電所和牽引網兩部分組成。牽引變電所主要負責將中壓電能轉換為適合列車運行的直流電，供給牽引網。牽引網則是一種通過接觸線與集電裝置實現列車動力傳輸的系統，它覆蓋在鐵路軌道上方，為列車提供電力。牽引供電系統的安全性和穩定性直接影響著列車的正常運行和乘客的出行體驗。

正線牽引變電所分布方案是根據線路平縱斷面狀況、行車組織方案、車輛編組及負荷需求等條件，通過牽引供電計算確定，為保證工程的供電可靠性。

1.3 動力照明供電系統

動力照明供電系統為城市軌道交通車站和隧道等區域提供照明和輔助設備的電力。它由降壓變電所和動力照明配電系統組成。降壓變電所將中壓電能轉換為適合照明和輔助設備的低壓電能。動力照明配電系統負責將電能輸送到車站、站臺、通道等各個照明設備和輔助設備。動力照明供電系統的穩定性和效率對于乘客的安全和舒適乘車環境至關重要。

每個地下車站一般設置一座降壓變電所（當該站設有牽引變電所時與其合建，形成牽引降壓混合變電所），降壓變電所設置在車站重負荷端，以減少供電距離。車站內燈具均采用LED 節能型燈具。站臺板下安全照明及疏散指示照明采用LED 燈。地下區間正常照明及應急照明均采用防水、防塵、防震LED節能型燈具。照明設計為既可以就地控制（站廳、站臺為照明配電室）也可以由設在車站綜合控制室BAS系統控制，在照明配電室公共區照明配電箱的饋出回路中設照明控制模塊。公共區及隧道內的應急照明可由FAS 系統強啟。

1.4 電力監控系統

電力監控系統用于實時監測和管理城市軌道交通供電系統的運行狀態。它包括監控中心、監測設備和數據傳輸系統等組成部分。電力監控系統可以對供電設備進行遠程監控和故障診斷，及時發現并解決潛在問題，提高供電系統的可靠性和運行效率。

電力監控系統（SCADA）對牽引降壓混合變電所、降壓變電所、牽引網等主要供電設施的運行狀態及雜散電流的相關參數進行實時監視、控制、數據采集及處理，實現供電設備的自動化調度管理，以確保牽引供電系統和全線的電力變配電系統安全可靠和經濟運行。

電力監控系統分為三層：控制中心主站系統、數據傳輸通信通道、被控站系統。被控站設在牽引降壓混合所。監控系統的功能：控制中心主站采用計算機網絡技術，整個監控系統按功能分散、任務分擔、信息共享的原則設計。被控站為設在各所的綜合自動化系統，負責執行端的數據采集、發送及執行監控中心下達的命令。

整個系統能利用顯示終端和大屏幕顯示器組對各變電所的運行狀態進行遠方監視，具有遙控、遙信、遙測、遙調功能，并對事故故障信號進行處理，包括燈光、音響信號及記錄；系統具有計算、制表等功能，以及在線自檢、防干擾、系統自啟動、自恢復等功能。

1.5 雜散電流防護

雜散電流防護系統用于防止城市軌道交通供電系統產生的雜散電流對其他設備和系統造成干擾和損害。它采用接地措施和屏蔽裝置等技術手段，有效地限制和隔離雜散電流的傳播，確保供電系統的穩定運行和其他設備的正常工作。

1.5.1 雜散電流防護方案

1）應確保暢通的牽引回流系統。

2）回流軌系統采用絕緣法安裝，以減少雜散電流。

3）利用整體道床內部鋼筋作主排流網。盾構隧道采用隔離法。

4）為限制迷流對隧道內各種金屬管線的腐蝕及侵入，對管線的布置及接地不可與隧道結構鋼筋有直接接觸。

5）道床結構段端部必須引出測量和連接端子，以便在適當時機將屏蔽網全部連通。

6）在各牽引變電所內設置排流柜，當軌道絕緣水平降低時啟動排流柜排流，限制雜散電流對隧道結構鋼筋及隧道內金屬構件的腐蝕。并控制雜散電流向隧道外擴散。

7）對地鐵內部的金屬管線及設備加強絕緣防腐，并限制雜散電流對金屬管線及設備的侵入及向地鐵系統外部泄漏。

8）迷流防護的測量端子、排流端子盡量采用埋入式端子，其安裝位置應靠近走行軌，保證區間作業人員行走安全。

1.5.2 雜散電流監測系統

在車站兩端以內50 m 左右的上下行道床及主體結構鋼筋上分別設置監測點，在區間內的上下行道床及主體結構鋼筋上每250 m 分別設置一處監測點，監測點由傳感器和參比電極組成，傳感器將采集的模擬信號轉換為數字信號，并送至牽引所監測裝置進行信息處理，所內監測裝置可對傳感器實時發布指令進行監測，并將處理信息通過牽引所自動化裝置送至控制中心，進行全線的信息處理。監測系統由參比電極、測量端子、傳感器、轉接器、監測裝置及信息傳輸通道組成。

2 供電系統風險分析

地鐵供電系統是城市軌道交通系統中最為重要的基礎能源設施，負責為地鐵車輛和動力照明負荷提供電源。城市軌道交通用電系統多數為一級用電負荷，須由可靠的電源保證。地鐵供電系統要保證軌道交通暢通無阻，安全、可靠、正常運營，防止各類電氣事故和災害的發生。供電系統主要風險及系統可靠性的影響因素如下。

2.1 觸電

1）地鐵是以電能為牽引動力的城市公共交通運輸方式，車輛為電動車組，工程涉及的電氣設備種類多、數量多，電壓等級不同（高、低、交、直、強、弱）、線路長，容量大；各種高低壓變配電裝置、動力設備、照明設備、控制電器、電氣線路等。如果設計、制造、安裝未按有關標準、規范執行；缺少接地、接零保護及剩余電流保護等安全保護措施或保護措施失靈；缺少安全管理，未實施嚴格的規章制度和操作規程，使運行和維護不當；或因環境條件惡劣（潮濕、腐蝕、振動、高低溫等）；或設備自然老化及意外原因遭到破壞與損傷，導致帶電部位裸露，當人體不慎觸及或過分靠近帶電部位及異常情況的跨步電壓等，有可能發生電擊、電灼傷的觸電事故。特別是在檢查、檢修作業中發生觸電事故概率較大。

2）牽引供電接觸網有直流電壓，正常情況下，對周圍的金屬結構物會產生靜電感應和過電壓，若防護措施不當或損壞，當人體不慎觸及帶電金屬結構物，可能發生觸電事故。架空接觸網檢修、維護中易發生觸電事故，還易發生高處墜落、車輛傷害事故。

3）日常有帶電檢修作業，若檢修人員違犯操作規程、未佩戴有效的勞動防護用品或使用的工器具絕緣電阻不符合要求，均可能導致檢修人員觸電。

4）觸電事故的特點：事故多因缺乏安全用電知識或不遵守安全操作規程，違章作業所致；低壓（220 V ～380 V）觸電事故多發。

2.2 火災、爆炸

1）電氣系統的設備、裝置、線路因短路、過載、接地、接觸不良等故障，會產生電氣火花、電弧或者過熱，若控制、隔離等防護措施設置不當或失效，均可引起電氣火災。當有瞬時超強短路、過載電流流過時，還會使導線（含母線、開關、觸頭等）過熱，因金屬迅速氣化而引起爆炸。

2）瓷絕緣由于破損、裂紋及表面嚴重污穢，其表面絕緣電阻大幅度下降，在空氣潮濕或過電壓情況下發生電暈、擊穿，會使電氣設備的瓷絕緣爆裂。

3）由于電纜防護層和絕緣層是由可燃物組成的，若電纜選型、購置、安裝不符合工藝規范和安全性要求，或使用中長時間過負荷運行、散熱不良，或受外力破壞短路擊穿，或因動火作業等外部火源靠近，都會引起電纜著火。由于電氣火災有沿著線路迅速蔓延的特點，如不及時撲滅，會導致事故擴大。

4）不良的自然條件（風、雨、雪、高低溫）和工作環境（小動物進入、導電性粉塵、燃爆物堆放、振動、外力破壞等）也可能造成電氣設備和線路的絕緣破壞，引發火災或爆炸事故。

2.3 中毒窒息

35 kV 側開關柜配置SF6 斷路器。SF6 氣體相對空氣密度為5.11 kg/m3，一旦泄漏并積存于室內空間下部，若通風不好，當SF6 濃度超標、空氣中含氧量低于18%時，人員就有缺氧窒息危險。另外SF6 本身雖無毒，但在電弧的高溫作用下會分解出或反應生成一些有毒的低氟化物，或與所含微量水分反應產生氟化氫等有強烈腐蝕性的劇毒物質，一旦泄漏會導致人員中毒，尤其當屋內檢修SF6 斷路器時，若不按規程規定進行或處理不當，其危險更大。另外，電纜絕緣層著火分解出來的有毒氣體也能產生使人中毒窒息危險。由于地下相對密閉，危害性更大。

2.4 高處墜落及物體打擊

供電系統高處維護檢修作業時，若梯、凳、臺等的防護措施不符合規范要求，監護不到位，作業人員未佩戴安全帶時，有發生高處墜落的危險；也有高處作業人員攜帶的工具、物品失手墜落，傷及地面人員的物體打擊危險。

2.5 電磁輻射

地鐵的供變電系統和牽引系統輻射的電磁波可能對線路兩側居民區開路電視信號的接收產生一定的影響。接觸網故障放電與受流器離線放電、變電所內變電設施和整流設施運行都會產生高頻電磁波，對人有電磁輻射危險。電磁輻射會使人體組織、器官受到傷害，造成功能障礙，甚至會引發人身事故和設備事故。

2.6 電腐蝕

電腐蝕是雜散電流流經地下金屬物，如土建結構的鋼筋、設備的金屬外殼、金屬管道、電纜外皮等產生的電化學腐蝕，破壞其強度，降低使用壽命，若維護檢修不及時，將威脅列車安全運營，同時雜散電流流經路徑產生對地電壓，嚴重時危及人身安全。

2.7 斷電危險

電能的供應和傳輸是地下鐵道安全、可靠運行的保證，盡管采取各種措施以保證供電的連續和可靠，但外部城網供電與內部供電網絡都不可能永久零故障，中斷或部分中斷供電的可能是存在的。地鐵作為城市交通骨干線路，是出行人員集中的公共場所，特別是地下段，若一旦供電中斷，除影響正常運營外，各種不安全因素都有可能造成人員傷害、社會影響和經濟損失。

電力系統過電壓主要有雷電過電壓、操作過電壓和諧振過電壓；其中諧振過電壓在正常運行操作中出現頻繁，其危害性較大；過電壓一旦發生，往往造成電氣設備損壞和大面積的停電事故。特別在中低壓電網中過電壓事故大多數都是由諧振現象引起的。

繼電保護裝置是保證電網安全穩定運行的重要設施，在運行中發生誤動或拒動，將可能導致電力系統的穩定被破壞、造成相關重大設備嚴重損壞、或電網瓦解的大面積停電事故。

3 管理措施分析與研究

有效的管理措施對于減少地鐵供電系統的風險至關重要。為了應對這些風險，以下是一些管理措施建議：

1）針對觸電風險，交通運營公司應按照相關標準和規范設計、制造和安裝電氣設備，并確保設備的保護措施齊全。嚴格的安全管理措施、規章制度和操作規程的實施能夠確保運營和維護的安全性。此外，定期進行設備檢查和維護，及時更換老化設備，修復受損的部件，能夠減少觸電事故的潛在風險。提供必要的安全培訓，確保所有工作人員了解并遵守安全操作規程也是必要的。

2）要應對火災和爆炸風險，交通運營公司必須定期檢查和維護電氣設備，確保其正常運行和防護措施的有效性。保持設備的良好通風和散熱，以防止過熱引發火災和爆炸。同時，要確?？刂?、隔離和滅火設備的有效性，并及時處理潛在的引發火災的因素，如瓷絕緣件。適當的防護措施和培訓也很重要，以確保員工能夠正確操作和應對火災和爆炸風險。

3）針對中毒和窒息風險，交通運營公司需要嚴格遵守操作規程，正確操作、維護和處理SF6 斷路器，確保其不泄漏并保持良好的通風狀態。此外，也需要對工作人員提供適當的防護設備和培訓，以防止中毒和窒息的危險。定期檢查電纜絕緣層和防護設施的完整性，可以避免有毒氣體泄漏和中毒風險。

4）針對高處墜落和物體打擊風險，交通運營公司需要針對員工工作情況提供適當的安全設備和培訓，確保在高處維護和檢修作業中的員工佩戴安全帶并采取防護措施。監護和監督高處作業，確保防護措施符合規范要求。此外，正確使用和固定工具和物品，以防止意外墜落和物體打擊也很重要。

5）針對電磁輻射風險，交通運營公司需要根據相關標準和規范限制供變電系統和牽引系統產生的電磁輻射，確保其不會對居民區電視信號和人體健康產生重大影響。定期檢測和評估電磁輻射水平，并采取必要的措施以保護員工和居民的健康。

6）針對電腐蝕風險，交通運營公司需要建立定期的維護計劃，及時處理電腐蝕問題，防止其對地下金屬物和使用壽命造成威脅。保持設備的良好絕緣和接地，以減少對地電壓的產生也是重要的措施之一。

7）為了應對斷電危險，交通運營公司應配備備用電源和自動切換裝置，以確保供電連續性。定期檢查和維護外部城網供電和內部供電網絡，以減少中斷供電的可能性。制定應急響應計劃，以便及時應對斷電情況，并保障乘客和員工的安全。

所有這些管理措施應與適當的培訓和教育配套使用，以確保員工和運營人員了解和遵守相關的安全規定和操作指南。

4 小結

通過本文的研究，期望能進一步改進和完善城市軌道交通供電系統的可靠性和安全性，為未來的研究和實踐提供新的思路和方法，為城市軌道交通的可持續發展和乘客的出行安全做出貢獻。