地鐵供電系統(tǒng)自動重合閘與線路測試

陳 靜

(西安鐵路職業(yè)技術學院，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、架空剛性接觸網或第三軌向列車供電。西安地鐵已建的2號線及正在建設中的1號線均采用DC 1 500 V的供電制式。其中，車輛段(或停車場)采用架空柔性接觸網方式，正線采用架空剛性接觸網方式。從西安地鐵2號線的運行情況來看，這種供電模式運行穩(wěn)定、可靠，能滿足列車運行中的電能供應要求。但是，由于地鐵接觸網線路較長，且車輛段架空柔性接觸網設置于戶外，故接觸網易受外部環(huán)境如風、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，在地鐵牽引直流開關的饋線開關保護裝置中除設有大電流保護、電流增量保護及電流變化率保護等功能外，還設有線路測試功能和自動重合閘功能，以使接觸網發(fā)生瞬時性短路故障時能自動恢復正常供電。西安地鐵2號線在運營初期就發(fā)生過此類案例。

1 線路測試和自動重合閘應用案例

西安地鐵2號線運營初期某日早晨，列車上線運行約30 m in時，在行政中心站準備進站的列車頂部突然發(fā)生接觸網短路故障。向該接觸網區(qū)段供電的直流斷路器保護動作跳閘(動作的保護為d i/d t)，延時15 s后，直流饋線開關啟動自動重合閘功能，并啟動線路測試功能。在線路測試通過后，直流饋線斷路器迅速自動合閘，恢復了故障區(qū)段的接觸網牽引供電。

雖然此次接觸網短路停電故障造成列車失電，但在直流饋線斷路器啟動自動重合閘和線路測試功能判斷接觸網接地故障消除后，快速恢復了故障區(qū)段接觸網的牽引供電，使得在故障區(qū)段行駛的列車能繼續(xù)駛向車站，從而保障了列車內乘客的正常乘車，避免了事故影響進一步擴大。

經檢查，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，并存在嚴重的電燒灼現(xiàn)象。檢修人員推斷:在列車行駛過程中，由于振動過大，該金屬異物彈起，并將受電弓帶電部分與車體導通造成短路;當接觸網停電后，金屬異物由于振動和電燒灼遠離了受電弓帶電部分，于是，受電弓的絕緣恢復正常，變電所內直流饋線開關自動重合閘成功，恢復了故障區(qū)段接觸網的供電。由此可見，自動重合閘功能對于接觸網發(fā)生瞬時性短路故障后及時恢復牽引供電、保障列車的安全運營、縮小故障影響范圍有較大意義;而線路測試是檢查線路絕緣狀態(tài)、保證故障后自動重合安全的必要功能。

2 自動重合閘原理

在城市軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)中，接觸網多為架空設置，部分安裝于戶外。根據地鐵運行經驗，接觸網短路故障大多是暫時性的，如雷擊過電壓引起的絕緣子表面閃絡、大風吹起的異物碰在接觸網上、飛鳥等小動物身體導電等。當發(fā)生此類故障時，直流饋線斷路器的繼電保護能迅速跳開斷路器，故障點的電弧即可熄滅，引起故障的異物隨著被電弧燒掉或自行跌落而消失，絕緣強度重新恢復。這時，若及時合上饋線斷路器，就可重新恢復接觸網的供電?？梢?，通過自動重合閘功能可減少瞬時性故障造成的停電時間。

目前，西安地鐵2號線牽引直流饋線開關采用的是SEPCOS繼電保護裝置。根據其保護功能的配置，該保護可通過線路測試功能判別故障性質并自動重合閘。按照西安地鐵直流饋線保護的整定，在發(fā)生接觸網線路故障情況下，只有以下4個條件同時具備，才可啟動自動重合閘功能:①直流饋線斷路器由運行合位變成分位;②重合閘裝置投入;③開關的操作模式轉換開關在“遠動”位;④直流饋線開關保護中的大電流保護、d i/d t保護等電流型保護動作跳閘。

在設置自動重合閘功能時，為防止斷路器合在故障線路上而造成反復的自動重合閘動作，自動重合閘功能均應配置相匹配的開關防跳功能，在開關第1次自動重合閘成功后，對所設延時時間范圍內斷路器的合閘動作進行計數(shù)，如在延時范圍內再次跳閘并重合閘成功，保護裝置將重新延時并將延時內的合閘次數(shù)與上次合閘的次數(shù)累計相加，當累計的合閘次數(shù)大于整定值時，防跳功能開啟并自動閉鎖合閘;當合閘次數(shù)少于整定值時，且本次合閘與上一次合閘的間隔時間大于設定的延時時間，保護裝置自動將合閘次數(shù)累計值清零，重新計數(shù)，防跳功能不會閉鎖合閘。

3 線路測試功能原理

目前，在地鐵牽引供電系統(tǒng)直流饋線開關中均設有線路測試功能。當對開關裝置發(fā)出合閘命令后，斷路器的繼電保護裝置會在開關合閘前自動對饋線接觸網進行一次絕緣性能測試，并將所測數(shù)據與整定值進行對比，以確保直流饋線開關合閘時饋線接觸網絕緣良好，不存在短路故障。

西安地鐵2號線牽引直流饋線開關所采用的SEPCOS繼電保護裝置的線路測試功能原理如圖1所示。在斷路器合閘前，由保護裝置自動監(jiān)測直流開關柜母線側電壓Ur和饋線側接觸網電壓Uf，并與設定值對比(見表1)。

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

圖1 線路測試原理圖

表1 線路測試的參數(shù)設定值

設Uresidue為接觸網殘壓，Uflow為線路最小工作電壓，則線路測試的各種情況如下:

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

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

(3)Ur＞Uflow，且 Uf＜ Uresidue，直流開關開始對線路電阻進行測量，合上線路測試接觸器K15E1(見圖1)，將測量到的線路電阻Rre與保護整定值中的Rmin(線路最小電阻)進行比較，若Rre≥Rmin，則斷路器判別饋線線路(接觸網)正常，可以合閘，否則保護裝置將按照設定的測試次數(shù)，反復對饋線側進行線路檢測，如果均不能達到合閘的條件，保護裝置將自動閉鎖開關合閘。

除上述3種情況以外，繼電保護裝置均認為線路存在故障，不具備送電條件，會自動閉鎖斷路器的合閘。

4 自動重合閘與線路測試功能的配合

4.1 西安地鐵自動重合閘與線路測試的動作過程

西安地鐵自動重合閘與線路測試的流程如圖2所示。

圖2 自動重合閘與線路測試流程圖

西安地鐵2號線保護裝置線路和自動重合閘的整定值整定情況測試為:

(1)線路測試每次母線電壓施加的時間(即測試時間t)，1 s;

(2)兩次測試所需(成功)的時間間隔，10 s;

(3)線路測試次數(shù)，3次;

(4)自動重合閘延時時間，15 s。

(5)防跳功能整定值，防跳次數(shù)3次，時間為12 s。

結合圖2的動作流程，可分析在故障發(fā)生后，自動重合閘與線路測試的過程為:

當牽引直流饋線斷路器操作方式在“遠方”位時，由于饋線側發(fā)生瞬時短路故障，饋線斷路器保護動作并出口，直流饋線斷路器跳閘。保護裝置根據整定值在開關跳閘后延時15 s啟動自動重合閘功能，同時斷路器啟動線路測試功能。保護裝置根據線路測試程序發(fā)出第1次線路測試，線路測試用時1 s。如果合閘不允許，間隔10 s，發(fā)出第2次線路測試，線路測試用時為1 s。如果合閘仍不允許，再間隔10 s，發(fā)出第3次線路測試，線路測試用時1 s。若其中任何一步線路測試通過，斷路器即可合閘;如果均不通過，則合閘不允許，SEPCOS保護裝置發(fā)出斷路器合閘閉鎖信號(見圖3)。

圖3 自動重合閘與線路測試的配合示意圖

根據保護的整定值及開關線路測試的特性，直 流饋線斷路器重合閘啟動延時15 s，線路測試時間1 s，邏輯命令執(zhí)行時間為2 s，斷路器合閘固有時間約0.1 s，可見，從故障跳閘至自動重合閘成功、恢復送電，最短需時為18.1 s。

4.2 線路測試與防跳功能存在的不匹配問題

由上述分析可知，由故障跳閘到經自動重合閘功能使開關合閘的最少用時為18.1 s，大于防跳保護所設的整定延時12 s。這說明在完成一次自動重合閘后，防跳功能合閘累計次數(shù)記錄已經清零，如果斷路器在重合閘后跳閘，將重新啟動重合閘功能，而合閘成功后再次跳閘，如此反復。由于斷路器防跳延時過短，無法有效對重合閘的次數(shù)進行記錄，由此將造成斷路器防跳功能失效。

根據對重合閘過程時間的分析，結合其它地鐵的運行經驗，建議將重合閘的延時縮小至4 s，將線路測試間隔時間縮小至2 s，將防跳功能整定延時延長至20 s。則根據上述原理，完成一次重合閘并成功合閘的最長時間需要17.1 s，小于防跳功能的延時時間20 s，可有效保證在任何重合閘啟動后線路測試動作的情況下，均能對反復合閘的次數(shù)進行累計記錄，從而實現(xiàn)斷路器的防跳功能。

5 結語

本文介紹了直流開關保護中的線路測試功能、自動重合閘功能的原理，并通過發(fā)生在西安地鐵2號線的故障實例，對西安地鐵牽引直流供電系統(tǒng)中的自動重合閘、線路測試相互配合的動作過程進行了分析;通過分析西安地鐵直流開關線路測試、自動重合閘的整定值，發(fā)現(xiàn)了自動重合閘過程中的斷路器防跳保護和線路測試功能存在的時間匹配問題，對整定值中存在的問題提出了整改建議。

在城市軌道交通中，直流饋線開關設置的自動重合閘功能和線路測試是最常見的線路保護功能。饋線斷路器在合閘前和故障跳閘后重合閘前，需經過線路測試裝置對饋線進行非短路故障確認，即饋線線路測試得到測試通過后才能執(zhí)行合閘命令。在設置各保護的整定值時，應充分考慮各項保護功能的相互匹配，確保各項保護功能的正常執(zhí)行。

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