Koordinierte Optimierung von Überspannungsschutzvorrichtungen basierend auf dem Kettenreaktionsmechanismus im städtischen Schienenverkehr

• Mechanismus der Kettenreaktion von Überspannungsschutzvorrichtungen wird aufgezeigt. • Schnelle Methode zur Vorhersage des Schienenpotentials nach Auslösung des Geräts wird vorgeschlagen. • Globale koordinierte Steuerungsstrategie wird vorgeschlagen, um die elektrische Sicherheit der U-Bahn zu gewährleisten. • Methode reduziert Schutzmaßnahmen um 52,78 % und das Potential um 28,72 %. • Koordinierte Strategie garantiert Echtzeitverhalten und hohe Robustheit. Ein überhöhtes Schienenpotential im städtischen Bahnstromversorgungssystem stellt erhebliche Sicherheitsrisiken für Ausrüstung und Personal dar. Aktuell werden Überspannungsschutzvorrichtungen unabhängig auf der Grundlage des lokalen Schienenpotentials gesteuert. In der Praxis führt diese unkoordinierte Bedienung häufig zu unnötigen Geräteausschaltungen, die eine Kaskadenkette von Reaktionen auslösen und die Leckströme erhöhen sowie die Systemzuverlässigkeit gefährden. Der theoretische Mechanismus dieser Kettenreaktion bleibt jedoch unklar, und es fehlen wirkungsvolle koordinierte Steuerungsstrategien. Zur Lösung dieses Problems wird in dieser Arbeit eine neuartige koordinierte Steuerungsstrategie basierend auf dem Kettenreaktionsmechanismus vorgeschlagen. Zunächst wird eine Sensitivitätsmatrix analytisch abgeleitet, die den genauen Einfluss der Aktion einzelner Schutzgeräte auf die Verteilung des Schienenpotentials entlang der gesamten Strecke explizit quantifiziert. Dieses strenge mathematische Modell erklärt die Ursache der Kettenreaktionsphänomene bei Schutzvorrichtungen. Anschließend wird ein schneller Algorithmus zur Vorhersage des Schienenpotentials auf Basis des Sensitivitätsmodells entwickelt, welcher in einen globalen Optimierungsalgorithmus integriert wird, um unnötige Auslösungen bei gleichbleibender Sicherheit zu minimieren. Die Genauigkeit des Modells wird anhand von Felddaten einer in Betrieb befindlichen U-Bahnlinie validiert. Simulationsergebnisse zeigen, dass die Optimierungsmethode die Anzahl der Auslösungen von Schutzvorrichtungen um 52,78 % und das durchschnittliche maximale Schienenpotential um 28,72 % reduziert. Darüber hinaus bestätigen experimentelle Messungen auf einem Industriecontroller eine durchschnittliche Ausführungszeit von 0,374 ms, die strikte Echtzeitanforderungen erfüllt. Diese Forschung liefert sowohl theoretische Einblicke in den Kettenreaktionsmechanismus als auch eine praxisnahe und hocheffiziente Lösung zur Verbesserung der elektrischen Sicherheit im städtischen Schienenverkehr.