地鐵供電系統(tǒng)自動(dòng)重合閘與線路測(cè)試

陳 靜

(西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，710014，西安∥講師)

城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)普遍采用DC 750 V和DC 1 500 V的供電制式，并采用架空柔性接觸網(wǎng)、架空剛性接觸網(wǎng)或第三軌向列車供電。西安地鐵已建的2號(hào)線及正在建設(shè)中的1號(hào)線均采用DC 1 500 V的供電制式。其中，車輛段(或停車場(chǎng))采用架空柔性接觸網(wǎng)方式，正線采用架空剛性接觸網(wǎng)方式。從西安地鐵2號(hào)線的運(yùn)行情況來(lái)看，這種供電模式運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，能滿足列車運(yùn)行中的電能供應(yīng)要求。但是，由于地鐵接觸網(wǎng)線路較長(zhǎng)，且車輛段架空柔性接觸網(wǎng)設(shè)置于戶外，故接觸網(wǎng)易受外部環(huán)境如風(fēng)、雨、雷電等影響，從而造成牽引直流系統(tǒng)的短路故障。為縮小牽引直流系統(tǒng)短路故障的影響范圍，保障供電的持續(xù)性和可靠性，在地鐵牽引直流開(kāi)關(guān)的饋線開(kāi)關(guān)保護(hù)裝置中除設(shè)有大電流保護(hù)、電流增量保護(hù)及電流變化率保護(hù)等功能外，還設(shè)有線路測(cè)試功能和自動(dòng)重合閘功能，以使接觸網(wǎng)發(fā)生瞬時(shí)性短路故障時(shí)能自動(dòng)恢復(fù)正常供電。西安地鐵2號(hào)線在運(yùn)營(yíng)初期就發(fā)生過(guò)此類案例。

1 線路測(cè)試和自動(dòng)重合閘應(yīng)用案例

西安地鐵2號(hào)線運(yùn)營(yíng)初期某日早晨，列車上線運(yùn)行約30 m in時(shí)，在行政中心站準(zhǔn)備進(jìn)站的列車頂部突然發(fā)生接觸網(wǎng)短路故障。向該接觸網(wǎng)區(qū)段供電的直流斷路器保護(hù)動(dòng)作跳閘(動(dòng)作的保護(hù)為d i/d t)，延時(shí)15 s后，直流饋線開(kāi)關(guān)啟動(dòng)自動(dòng)重合閘功能，并啟動(dòng)線路測(cè)試功能。在線路測(cè)試通過(guò)后，直流饋線斷路器迅速自動(dòng)合閘，恢復(fù)了故障區(qū)段的接觸網(wǎng)牽引供電。

雖然此次接觸網(wǎng)短路停電故障造成列車失電，但在直流饋線斷路器啟動(dòng)自動(dòng)重合閘和線路測(cè)試功能判斷接觸網(wǎng)接地故障消除后，快速恢復(fù)了故障區(qū)段接觸網(wǎng)的牽引供電，使得在故障區(qū)段行駛的列車能繼續(xù)駛向車站，從而保障了列車內(nèi)乘客的正常乘車，避免了事故影響進(jìn)一步擴(kuò)大。

經(jīng)檢查，在發(fā)生短路故障的列車頂部受電弓附近發(fā)現(xiàn)金屬性異物，并存在嚴(yán)重的電燒灼現(xiàn)象。檢修人員推斷:在列車行駛過(guò)程中，由于振動(dòng)過(guò)大，該金屬異物彈起，并將受電弓帶電部分與車體導(dǎo)通造成短路;當(dāng)接觸網(wǎng)停電后，金屬異物由于振動(dòng)和電燒灼遠(yuǎn)離了受電弓帶電部分，于是，受電弓的絕緣恢復(fù)正常，變電所內(nèi)直流饋線開(kāi)關(guān)自動(dòng)重合閘成功，恢復(fù)了故障區(qū)段接觸網(wǎng)的供電。由此可見(jiàn)，自動(dòng)重合閘功能對(duì)于接觸網(wǎng)發(fā)生瞬時(shí)性短路故障后及時(shí)恢復(fù)牽引供電、保障列車的安全運(yùn)營(yíng)、縮小故障影響范圍有較大意義;而線路測(cè)試是檢查線路絕緣狀態(tài)、保證故障后自動(dòng)重合安全的必要功能。

2 自動(dòng)重合閘原理

在城市軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)中，接觸網(wǎng)多為架空設(shè)置，部分安裝于戶外。根據(jù)地鐵運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，接觸網(wǎng)短路故障大多是暫時(shí)性的，如雷擊過(guò)電壓引起的絕緣子表面閃絡(luò)、大風(fēng)吹起的異物碰在接觸網(wǎng)上、飛鳥(niǎo)等小動(dòng)物身體導(dǎo)電等。當(dāng)發(fā)生此類故障時(shí)，直流饋線斷路器的繼電保護(hù)能迅速跳開(kāi)斷路器，故障點(diǎn)的電弧即可熄滅，引起故障的異物隨著被電弧燒掉或自行跌落而消失，絕緣強(qiáng)度重新恢復(fù)。這時(shí)，若及時(shí)合上饋線斷路器，就可重新恢復(fù)接觸網(wǎng)的供電。可見(jiàn)，通過(guò)自動(dòng)重合閘功能可減少瞬時(shí)性故障造成的停電時(shí)間。

目前，西安地鐵2號(hào)線牽引直流饋線開(kāi)關(guān)采用的是SEPCOS繼電保護(hù)裝置。根據(jù)其保護(hù)功能的配置，該保護(hù)可通過(guò)線路測(cè)試功能判別故障性質(zhì)并自動(dòng)重合閘。按照西安地鐵直流饋線保護(hù)的整定，在發(fā)生接觸網(wǎng)線路故障情況下，只有以下4個(gè)條件同時(shí)具備，才可啟動(dòng)自動(dòng)重合閘功能:①直流饋線斷路器由運(yùn)行合位變成分位;②重合閘裝置投入;③開(kāi)關(guān)的操作模式轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)在“遠(yuǎn)動(dòng)”位;④直流饋線開(kāi)關(guān)保護(hù)中的大電流保護(hù)、d i/d t保護(hù)等電流型保護(hù)動(dòng)作跳閘。

在設(shè)置自動(dòng)重合閘功能時(shí)，為防止斷路器合在故障線路上而造成反復(fù)的自動(dòng)重合閘動(dòng)作，自動(dòng)重合閘功能均應(yīng)配置相匹配的開(kāi)關(guān)防跳功能，在開(kāi)關(guān)第1次自動(dòng)重合閘成功后，對(duì)所設(shè)延時(shí)時(shí)間范圍內(nèi)斷路器的合閘動(dòng)作進(jìn)行計(jì)數(shù)，如在延時(shí)范圍內(nèi)再次跳閘并重合閘成功，保護(hù)裝置將重新延時(shí)并將延時(shí)內(nèi)的合閘次數(shù)與上次合閘的次數(shù)累計(jì)相加，當(dāng)累計(jì)的合閘次數(shù)大于整定值時(shí)，防跳功能開(kāi)啟并自動(dòng)閉鎖合閘;當(dāng)合閘次數(shù)少于整定值時(shí)，且本次合閘與上一次合閘的間隔時(shí)間大于設(shè)定的延時(shí)時(shí)間，保護(hù)裝置自動(dòng)將合閘次數(shù)累計(jì)值清零，重新計(jì)數(shù)，防跳功能不會(huì)閉鎖合閘。

3 線路測(cè)試功能原理

目前，在地鐵牽引供電系統(tǒng)直流饋線開(kāi)關(guān)中均設(shè)有線路測(cè)試功能。當(dāng)對(duì)開(kāi)關(guān)裝置發(fā)出合閘命令后，斷路器的繼電保護(hù)裝置會(huì)在開(kāi)關(guān)合閘前自動(dòng)對(duì)饋線接觸網(wǎng)進(jìn)行一次絕緣性能測(cè)試，并將所測(cè)數(shù)據(jù)與整定值進(jìn)行對(duì)比，以確保直流饋線開(kāi)關(guān)合閘時(shí)饋線接觸網(wǎng)絕緣良好，不存在短路故障。

西安地鐵2號(hào)線牽引直流饋線開(kāi)關(guān)所采用的SEPCOS繼電保護(hù)裝置的線路測(cè)試功能原理如圖1所示。在斷路器合閘前，由保護(hù)裝置自動(dòng)監(jiān)測(cè)直流開(kāi)關(guān)柜母線側(cè)電壓Ur和饋線側(cè)接觸網(wǎng)電壓Uf，并與設(shè)定值對(duì)比(見(jiàn)表1)。

乙組患者手術(shù)期間無(wú)不良反應(yīng)，甲組中有2例神經(jīng)損傷、1例血腫，不良反應(yīng)發(fā)生率為10.0%。乙組不良反應(yīng)發(fā)生率較低于甲組，差異較為明顯（χ2=4.564，P=0.041＜0.05）。

圖1 線路測(cè)試原理圖

表1 線路測(cè)試的參數(shù)設(shè)定值

設(shè)Uresidue為接觸網(wǎng)殘壓，Uflow為線路最小工作電壓，則線路測(cè)試的各種情況如下:

(1)Ur＜Uresidue，且 Uf＞ Uflow，直流開(kāi)關(guān)判別饋線線路正常，可以合閘;

(2)Ur＞Uflow，且 Uf＞ Uflow，直流開(kāi)關(guān)判別饋線線路正常，可以合閘;

(3)Ur＞Uflow，且 Uf＜ Uresidue，直流開(kāi)關(guān)開(kāi)始對(duì)線路電阻進(jìn)行測(cè)量，合上線路測(cè)試接觸器K15E1(見(jiàn)圖1)，將測(cè)量到的線路電阻Rre與保護(hù)整定值中的Rmin(線路最小電阻)進(jìn)行比較，若Rre≥Rmin，則斷路器判別饋線線路(接觸網(wǎng))正常，可以合閘，否則保護(hù)裝置將按照設(shè)定的測(cè)試次數(shù)，反復(fù)對(duì)饋線側(cè)進(jìn)行線路檢測(cè)，如果均不能達(dá)到合閘的條件，保護(hù)裝置將自動(dòng)閉鎖開(kāi)關(guān)合閘。

除上述3種情況以外，繼電保護(hù)裝置均認(rèn)為線路存在故障，不具備送電條件，會(huì)自動(dòng)閉鎖斷路器的合閘。

4 自動(dòng)重合閘與線路測(cè)試功能的配合

4.1 西安地鐵自動(dòng)重合閘與線路測(cè)試的動(dòng)作過(guò)程

西安地鐵自動(dòng)重合閘與線路測(cè)試的流程如圖2所示。

圖2 自動(dòng)重合閘與線路測(cè)試流程圖

西安地鐵2號(hào)線保護(hù)裝置線路和自動(dòng)重合閘的整定值整定情況測(cè)試為:

(1)線路測(cè)試每次母線電壓施加的時(shí)間(即測(cè)試時(shí)間t)，1 s;

(2)兩次測(cè)試所需(成功)的時(shí)間間隔，10 s;

(3)線路測(cè)試次數(shù)，3次;

(4)自動(dòng)重合閘延時(shí)時(shí)間，15 s。

(5)防跳功能整定值，防跳次數(shù)3次，時(shí)間為12 s。

結(jié)合圖2的動(dòng)作流程，可分析在故障發(fā)生后，自動(dòng)重合閘與線路測(cè)試的過(guò)程為:

當(dāng)牽引直流饋線斷路器操作方式在“遠(yuǎn)方”位時(shí)，由于饋線側(cè)發(fā)生瞬時(shí)短路故障，饋線斷路器保護(hù)動(dòng)作并出口，直流饋線斷路器跳閘。保護(hù)裝置根據(jù)整定值在開(kāi)關(guān)跳閘后延時(shí)15 s啟動(dòng)自動(dòng)重合閘功能，同時(shí)斷路器啟動(dòng)線路測(cè)試功能。保護(hù)裝置根據(jù)線路測(cè)試程序發(fā)出第1次線路測(cè)試，線路測(cè)試用時(shí)1 s。如果合閘不允許，間隔10 s，發(fā)出第2次線路測(cè)試，線路測(cè)試用時(shí)為1 s。如果合閘仍不允許，再間隔10 s，發(fā)出第3次線路測(cè)試，線路測(cè)試用時(shí)1 s。若其中任何一步線路測(cè)試通過(guò)，斷路器即可合閘;如果均不通過(guò)，則合閘不允許，SEPCOS保護(hù)裝置發(fā)出斷路器合閘閉鎖信號(hào)(見(jiàn)圖3)。

圖3 自動(dòng)重合閘與線路測(cè)試的配合示意圖

根據(jù)保護(hù)的整定值及開(kāi)關(guān)線路測(cè)試的特性，直 流饋線斷路器重合閘啟動(dòng)延時(shí)15 s，線路測(cè)試時(shí)間1 s，邏輯命令執(zhí)行時(shí)間為2 s，斷路器合閘固有時(shí)間約0.1 s，可見(jiàn)，從故障跳閘至自動(dòng)重合閘成功、恢復(fù)送電，最短需時(shí)為18.1 s。

4.2 線路測(cè)試與防跳功能存在的不匹配問(wèn)題

由上述分析可知，由故障跳閘到經(jīng)自動(dòng)重合閘功能使開(kāi)關(guān)合閘的最少用時(shí)為18.1 s，大于防跳保護(hù)所設(shè)的整定延時(shí)12 s。這說(shuō)明在完成一次自動(dòng)重合閘后，防跳功能合閘累計(jì)次數(shù)記錄已經(jīng)清零，如果斷路器在重合閘后跳閘，將重新啟動(dòng)重合閘功能，而合閘成功后再次跳閘，如此反復(fù)。由于斷路器防跳延時(shí)過(guò)短，無(wú)法有效對(duì)重合閘的次數(shù)進(jìn)行記錄，由此將造成斷路器防跳功能失效。

根據(jù)對(duì)重合閘過(guò)程時(shí)間的分析，結(jié)合其它地鐵的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，建議將重合閘的延時(shí)縮小至4 s，將線路測(cè)試間隔時(shí)間縮小至2 s，將防跳功能整定延時(shí)延長(zhǎng)至20 s。則根據(jù)上述原理，完成一次重合閘并成功合閘的最長(zhǎng)時(shí)間需要17.1 s，小于防跳功能的延時(shí)時(shí)間20 s，可有效保證在任何重合閘啟動(dòng)后線路測(cè)試動(dòng)作的情況下，均能對(duì)反復(fù)合閘的次數(shù)進(jìn)行累計(jì)記錄，從而實(shí)現(xiàn)斷路器的防跳功能。

5 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了直流開(kāi)關(guān)保護(hù)中的線路測(cè)試功能、自動(dòng)重合閘功能的原理，并通過(guò)發(fā)生在西安地鐵2號(hào)線的故障實(shí)例，對(duì)西安地鐵牽引直流供電系統(tǒng)中的自動(dòng)重合閘、線路測(cè)試相互配合的動(dòng)作過(guò)程進(jìn)行了分析;通過(guò)分析西安地鐵直流開(kāi)關(guān)線路測(cè)試、自動(dòng)重合閘的整定值，發(fā)現(xiàn)了自動(dòng)重合閘過(guò)程中的斷路器防跳保護(hù)和線路測(cè)試功能存在的時(shí)間匹配問(wèn)題，對(duì)整定值中存在的問(wèn)題提出了整改建議。

在城市軌道交通中，直流饋線開(kāi)關(guān)設(shè)置的自動(dòng)重合閘功能和線路測(cè)試是最常見(jiàn)的線路保護(hù)功能。饋線斷路器在合閘前和故障跳閘后重合閘前，需經(jīng)過(guò)線路測(cè)試裝置對(duì)饋線進(jìn)行非短路故障確認(rèn)，即饋線線路測(cè)試得到測(cè)試通過(guò)后才能執(zhí)行合閘命令。在設(shè)置各保護(hù)的整定值時(shí)，應(yīng)充分考慮各項(xiàng)保護(hù)功能的相互匹配，確保各項(xiàng)保護(hù)功能的正常執(zhí)行。

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