基于西安地鐵鋼軌電位限制裝置的研究

陳 靜

（西安鐵路職業技術學院 陜西 西安 710014）

基于西安地鐵鋼軌電位限制裝置的研究

陳 靜

（西安鐵路職業技術學院 陜西 西安 710014）

鋼軌電位限制裝置是地鐵牽引供電系統的重要組成部分。本文以西安地鐵二號線的鋼軌電位限制裝置為例，詳細論述了其保護的種類、工作原理、各種保護的試驗方法，并對兩次典型故障進行了分析，詳細描述了其現象與處理過程。

鋼軌電位限制裝置；故障；保護；電壓

在地鐵直流牽引供電系統中，為了防止直流系統的回流無規則地流動，鋼軌、直流開關柜等設備對地均采用絕緣方式安裝。由于回流鋼軌是回流電流的通路，而回流設備本身對地絕緣，如果回流不暢，就會引起回流鋼軌與大地之間產生超出安全許可的接觸電壓。在地鐵的實際運行中，這種接觸電壓會危及地鐵設備及人員安全。這種情況下，就需要在回流鋼軌與大地之間安裝一套鋼軌電位限制裝置（也稱短路裝置），以限制鋼軌的電位，避免超出安全許可的接觸電壓發生。當發生超出安全許可的接觸電壓時，此鋼軌電位限制裝置就會運行，鋼軌與大地快速短接，從而保證人員和設備的安全。

1 保護種類與工作原理

以圖1為例：在正常情況下，直流接觸器Q11B1的觸頭是斷開的，同時晶閘管處于截止狀態。

鋼軌與大地之間的電壓由電壓表檢測并顯示，而由電壓測量元件U＞、U＞＞、U＜和晶閘管模塊來判斷電壓并執行相應動作。

1.1 裝置的保護種類

低電壓保護“U＜”、一段電壓保護“U＞”、二段電壓保護“U＞＞”、三段電壓保護“U＞＞＞”。

西安地鐵二號線鋼軌電位限制裝置的低電壓保護“U＜”、一段電壓保護“U＞”、二段電壓保護“U＞＞”均采用JY—3/1G型的電壓繼電器（背面接線圖參考圖2），圖紙上的編號為：K8H1、K8K1、K8L1。每個電壓繼電器6、8接線柱接于輔助電源DC110V，2、4接線柱接于鋼軌與系統大地，1、3接線柱是常開接點，5、7接線柱是常閉接點。

三段電壓保護U＞＞＞ 由電流型繼電器和晶閘管電路組成，與直流接觸器Q11B1的觸頭并接于鋼軌與系統大地。

1.2 裝置的保護種類

1）一段電壓保護“U＞”：運行鋼軌與系統大地間的電壓值小于“U＞”設定值（90 V，通過電壓繼電器可以修改整定值），在這種情況下直流接觸器是斷開的，即主觸頭斷開。當測得的該電壓大于或等于“U＞”，經過一段設定（0.8秒）的延時后，該裝置直流接觸器閉合，將回流回路有效短接，“U＞動作”、“合位指示”信號燈亮，合閘閉鎖計數器加1，動作的延時確保在短期的允許電壓最大值下，防止脈沖電壓啟動，確保直流接觸器動作的正確性，不會發生不必要的短路，使接觸器合閘。10秒鐘（通過專用軟件，在程序中可以修改整定值）之后，LOGO程序發出直流接觸器斷開命令，“U＞動作”信號燈滅。如果當時的電壓值小于“U＞”的閾值，則鋼軌電位限制裝置經過一段可調整的延時后再進入正常狀態。如果電壓值又大于“U＞”，則鋼軌電位限制裝置再次動作，使運行鋼軌與系統大地發生短路。此過程一直持續到電壓又保持在許可范圍內。一旦達到預設值（三次），短路裝置即會閉鎖。當閉鎖時，需按復位按鈕將其復歸。

圖1 鋼軌電位限制裝置基本回路原理Fig.1 Basic circuit theory of rail potential limiting device

2）二段電壓保護“U＞＞”：測得的電壓值大于或等于U＞＞的閾值（150 V，通過電壓繼電器可以修改整定值），鋼軌與大地被無延時短接。“U＞＞動作”、“合位指示”、“閉鎖指示”信號燈亮，合閘閉鎖計數器加1，短路裝置即會閉鎖，需按復位按鈕將其手動復歸。

3）電壓大于或等于U＞＞＞ ：如果電壓超過U＞＞＞大于600 V（通過電壓繼電器可以修改整定值）時，則晶閘管元件立即導通以抵消直流接觸器的機械延時，同時直流接觸器被激活，“U＞＞＞動作”、“合位指示”、“閉鎖指示”信號燈亮，合閘閉鎖計數器加1，而閉鎖狀態繼續保持。閉鎖狀態需按復位按鈕將其手動復歸。

4）低電壓保護U＜：如果24小時（通過專用軟件，在程序中可以修改整定值）內檢測的電壓均小于2 V（通過電壓繼電器可以修改整定值），即判定鋼軌或鋼軌連接電纜被破壞，不能運行列車，經一段時間延時，系統報故障同時閉鎖輸出。但如果24小時無運行車輛，運行鋼軌與系統大地間的電壓值小于“U＜”設定值，也會出現這種現象。

“U＜”裝置動作后需按復位按鈕將其手動復歸。如果復歸不了，斷開該裝置電源或將操作開關把手打向“U＞＞”一次，再手動復歸就可以了。

2 故障現象與分析處理

故障1現象：2011年12月1日14:42 西安地鐵北客站牽混所2#鋼軌電位限制裝置“U＞動作”，“閉鎖/復位”、“接觸器合位”、“裝置故障”指示燈亮，并上傳報文至SCADA。

圖2 軌電位JY—3/1G電壓檢測繼電器 U＞背面接線圖Fig.2 Rail potential JY—3/1G voltage monitoring relays U＞ wiring diagram of the back

故障發現處理：現場確認：接觸器在合位，電流表有電流流過。合閘計數器加3；內部U＞閉鎖計數加3。

用萬用表測試圖1中LOGO A12C1的I1、I3有高電位存在，說明接觸器、K8H1接點閉合。I2、I4、I5、I6均為低電位。

短接圖1中LOGO A12C1的04接點，K14D1線圈受電，接觸器斷開，圖1中LOGO A12C1的04接點，所有與04接點有關的下面回路，確定正常工作。

經對K8H1(JY—3/1G)電壓繼電器檢查，判斷該繼電器已故障，不能正常工作。

以圖2為例，說明對JY—3/1G電壓繼電器的檢查項目與標準。

1）對新的JY—3/1G電壓繼電器進行外觀檢查，無機械損傷，正常。

2）用繼電保護校驗儀輸出直流電壓加于繼電器的接線柱6、8，35 V繼電器動作，30 V返回，直流電源回路啟動正常。

3）用繼電保護校驗儀輸出直流電壓110 V加于繼電器的接線柱6、8, 接線柱2、4間加到U＞動作90 V，繼電器動作，1、3接點閉合，84 V繼電器返回，返回系數為0.93，符合大于0.9的標準。

4）遙測繼電器絕緣電阻大于2 MΩ。

更換了新的K8H1 (JY—3/1G)電壓繼電器，2號鋼軌電位限制裝置就恢復了正常運行狀態。

故障2現象：2012年1月6日，西安地鐵二號線北客站牽混所1、2號鋼軌電位限制裝置，出現連續多日直流接觸器閉合動作，動作時間大約是每天4:50。動作后，出現“裝置故障”、“閉鎖/復位”、“接觸器合位”的指示燈亮，并上傳報文至SCADA。

故障分析處理：到達現場查看設備，確認接觸器在合位。電流表有電流流過。合閘計數器加1；內部U＞閉鎖計數加1。2012年1月7日對該裝置進行了一段電壓保護“U＞”、二段電壓保護“U＞＞”整組傳動試驗，保護裝置回路所有部件均正常。打開筆記本對LOGO程序進行了分析，發現LOGO程序中“U＜”的延時B005的時間設置改為6小時，不符合設定的24小時。西安地鐵二號線大約22：50運行車輛全部回庫，再無車輛運行，到4:50剛好6小時無運行車輛，運行鋼軌與系統大地間的電壓值小于“U＜”設定值2 V，鋼軌電位限制直流接觸器合閘動作，LOGO程序與實際故障現象相符。找出了故障原因是LOGO程序中“U＜”的延時B005的時間設置設定錯誤。立即就將LOGO程序中控制器調整的B005的時間設置改為24小時，給1、2號鋼軌電位限制裝置重新輸入了LOGO程序，恢復了正常運行狀態。 B005延時修改前、后顯示的邏輯圖如下(虛線上面)：

圖3 B005延時修改前的邏輯圖Fig.3 B005 logic diagram before delay modification

圖4 B005延時修改后的邏輯圖Fig.4 B005 logic diagram after delay modification

3 鋼軌電位限制裝置的試驗

3.1 低電壓保護“U＜” 的整組傳動試驗

方法①：在PC中修改LOGO邏輯程序中參數B005為1分鐘，并上傳輸入至LOGO控制器中，或直接在LOGO控制器中修改LOGO邏輯程序中參數B005為1分鐘。等到1分鐘后，現場直流接觸器設備合閘，“U＜動作”、“閉鎖/復位”、“接觸器合位”、“裝置故障”指示燈亮。合閘計數器加1；內部“U＞”閉鎖計數加1。并上傳報文到SCADA。

方法②：短接電壓繼電器K8L1的接線柱1與3或在X3端子排上短接16號線與37號線即可。故障現象同方法①的故障現象。

3.2 一段電壓保護“U>” 的整組傳動試驗

方法①：將測試轉換開關快速轉向“U＞”測試并保持0.8秒。現場直流接觸器設備合閘， “U＞動作”、“接觸器合位”指示燈亮。10秒后，“U＞動作”、“接觸器合位”指示燈滅，“接觸器分位” 指示燈亮。合閘計數器加1；內部“U＞”閉鎖計數加1。并上傳報文到SCADA。6秒后可手動操作，重復上述過程。但三次操作后，就出現“U＜動作”、 “閉鎖/復位”、“接觸器合位”、“裝置故障”指示燈亮。并上傳報文到SCADA。

方法②：在鋼軌電位限制裝置內，甩開接在運行鋼軌、大地進線的一次電纜，用升壓裝置向電壓繼電器接線柱2與4方向的線上加壓至90 V，或甩開一段電壓保護“U＞”繼電器和電壓表與鋼軌、大地一次電纜的二次線，在該二次線上加壓至90 V，故障現象同方法①的故障現象。

方法③：短接電壓繼電器K8H1的接線柱1與3或在X3端子排上短接16號線與34號線即可。故障現象同方法①的故障現象。

3.3 二段電壓保護“U>>” 的整組傳動試驗

方法①：將測試轉換開關快速轉向“U＞＞”測試并保持一段時間。現場直流接觸器設備合閘，就出現“U＞＞動作”、“閉鎖/復位”、“接觸器合位”、“裝置故障”指示燈亮。合閘計數器加1；內部“U＞”閉鎖計數加1。并上傳報文到SCADA。

方法②：在鋼軌電位限制裝置內，甩開接在運行鋼軌、大地進線的一次電纜，用升壓裝置向電壓繼電器接線柱2與4方向的線上加壓至150 V，或甩開一段電壓保護“U＞＞”繼電器和電壓表與鋼軌、大地一次電纜的二次線，在該二次線上加壓至150 V，故障現象同方法①的故障現象。

方法③：短接電壓繼電器K8K1的接線柱1與3或在X3端子排上短接16號線與35號線即可。故障現象同方法①的故障現象。

3.4 三段電壓保護“U>>>” 的整組傳動試驗

方法①：在鋼軌電位限制裝置內，甩開接在運行鋼軌、大地進線的一次電纜，用升壓裝置向電壓繼電器接線柱2與4方向的線上加壓至600 V，或甩開一段電壓保護“U＞＞＞”繼電器和電壓表與鋼軌、大地一次電纜的二次線，在該二次線上加壓至600 V。就出現“U＞＞＞動作”、“閉鎖/復位”、“接觸器合位”、“裝置故障”指示燈亮。合閘計數器加1；內部“U＞”閉鎖計數加1。并上傳報文到SCADA。

方法②：短接電流繼電器K5E1的接線柱5與6或在X3端子排上短接16號線與36號線即可。故障現象同方法①的故障現象。

方法③：按下電流繼電器的測試動作按鈕。故障現象同方法①的故障現象。

按下電流繼電器復位按鈕與面板復位按鈕才能進行下一次試驗。

3.5 發出“裝置故障”信號的試驗

將LOGO控制器的參數B005設為00：01h，調節電壓繼電器（U＜）設定值為0 V,使其處于不動作狀態；約1分鐘后，“裝置故障”指示燈亮起；直流接觸器閉合，“接觸器合位”指示燈亮起；閉鎖輸出，“閉鎖/復位”指示燈亮起。 恢復電壓繼電器、LOGO!控制器參數設定，手動復位后恢復正常。

3.6 使直流接觸器閉合的方法

1）“U＜”、“U＞＞”、 “U＞＞＞”動作后，可使直流接觸器閉合，且必須手動復歸；

2）“U＞” 動作后，可使直流接觸器閉合規定的時間（10秒），就自動復歸；

3）斷開鋼軌電位限制裝置的直流控制電源，可使直流接觸器直接閉合。

4 西安地鐵二號線鋼軌電位限制裝置存在的問題

對于“U＞”、 “U＞＞”，從鋼軌電位限制裝置動作后，查看動作電壓值，往往最大電壓值小于整定值。使人誤認為是鋼軌電位限制裝置發生了誤動，其實是電壓繼電器的采樣速率大于電壓表的采樣速率。即有一個脈沖電壓信號時，電壓繼電器JY—3/1G檢測到了，而電壓表（XMA-ZV直流電壓顯示儀表，采樣速率10次/秒）沒有檢測到。

5 結束語

文中結合現場的實際情況闡述了鋼軌電位限制裝置的重要性。要確保鋼軌電位限制裝置的穩定運行，不但要有好的硬件設備，還要開發穩定而過硬的軟件做邏輯保障；更重要的是要能夠掌握軟件的應用。

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Research of rail potential limiting device based on Xi'an metro

CHEN Jing
（Xi’an Railway Vocational Technical & Institute,Xi’an 710014,China）

Potential limiting device rail is an important part of the metro traction power supply system. In this paper,the rail potential limiting device of Xi'an metro line two as an example, discussed in detail the protection type, working principle, various protection test method, and the two typical faults are analyzed, with detailed description of the phenomenon and process.

Rail potential limiting device；breakdown；protect；voltage

U284

A

1674-6236(2014)14-0084-04

2013-08-30 稿件編號：201308194

陳 靜（1979—），女，江蘇阜寧人，講師。研究方向：控制理論與控制工程。