軌道交通直流斷路器故障跳閘案例分析

趙勝豪

(深圳市地鐵集團有限公司運營總部，廣東深圳518000)

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軌道交通直流斷路器故障跳閘案例分析

趙勝豪

(深圳市地鐵集團有限公司運營總部，廣東深圳518000)

針對城市軌道交通供電設備直流斷路器自身故障引起相鄰直流開關保護跳閘，根據現場的故障數據判斷和對比，分析引起開關跳閘的相關原因，并提出了解決方法。

直流斷路器跳閘分析

在地鐵的供電系統中，由于1 500 V直流供電系統的穩定性直接影響到行車安全，所以直流開關斷路器設備的穩定運行一直占據著重要的位置，而其開關柜本身的故障不僅會引起自身斷路器的跳閘，還會引起相鄰的直流開關柜保護動作[1-2]。本文通過對實例的分析，和相關數據的對比，判斷出影響自身與相鄰直流斷路器正常運行的相關原因，并對后續的處理和改進措施提出方案。

1　現場供電設備故障現象

2012年8時00分05秒，深圳地鐵蛇口線黃貝嶺站213直流斷路器上升率延時保護跳閘、214直流斷路器電流速斷保護跳閘，新秀站211直流斷路器上升率延時保護跳閘、212上升率延時保護跳閘，后四臺直流斷路器重合閘成功。

1)此種特殊現象的出現極為罕見，因為根據地鐵直流牽引供電系統要求[3]：為保證供電可靠性，采用雙邊供電，并通過相關保護的設定，繼電保護動作值的大小，時間的長短，來區分遠端和近端的故障種類，以便實現供電保護裝置的選擇性和速動性[4-5]。也就是說：一個線路如果出現故障，如果兩端都設有保護裝置，那么只會引起兩端的保護動作，而不會引發相鄰設備跳閘。在本案中黃貝嶺和新秀是相鄰兩站，因此黃貝嶺214與新秀212共同保護2×12接觸網線路,如果此線路發生短路，則黃貝嶺214與新秀212會共同迅速跳閘，而不會影響黃貝嶺213與新秀211斷路器狀態。

2)但以上相關故障報文和以下波形的分析，卻與地鐵供電系統設計不符。

具體查找思路如下:首先采集了四臺直流斷路器保護裝置的故障錄波進行分析,故障錄波(圖1、圖2、圖3、圖4)所示。

3)5月22日凌晨，變電專業搶修人員搶修組對地鐵黃貝嶺、新秀兩站跳閘直流斷路器的主觸頭及輔助觸頭的燒傷情況及上網電纜進行了檢查測試，并核對了所有直流斷路器電流變送器，結果如下：

黃貝嶺站214柜對應斷路器直流斷路器的電流變送器故障，測量電流值與實際電流值不符(后發現此變送器的故障才是整個事件的誘因)。當即對故障電流變送器進行更換并進行了測試，電流測量值恢復正常。之后核對了黃貝嶺站所有直流開關柜的二次保護定值，并進行了相應的測試，均未發現異常。

4)新秀站211柜對應的斷路器直流斷路器從分流器到電流變送器的二次采樣線極性取反，導致測量電流與實際電流值相反(此現象導致故障錄波中顯示的電流值仍然為正值，但并不是發生跳閘的原因)，經過調整并進行了測試，電流測量值恢復正常。之后核對了新秀站所有直流開關柜的二次保護定值，并進行了相應的測試。

5)設備啟動的保護

供電設備啟動了以下二次保護

①黃貝嶺站

黃貝嶺站214柜啟動了電流速斷保護(保護定值為6 500 A)，213柜啟動了上升率延時保護(保護定值為上升率為25 A/ms，電流變化量2 000 A)，由故障錄波可看出214柜故障電流值超過了6 500 A，且持續時間達到1 ms，故DCP保護裝置啟動電流速斷保護；213柜保護動作值為上升率超過了25 A/ms，電流變化量在50 ms內達到2 233 A，故DCP保護裝置啟動上升率延時保護。

②新秀站

新秀站211、212柜均啟動了上升率延時保護(保護定值為上升率為25 A/ms，電流變化量2 000 A)，由故障錄波可看出211柜保護動作值為上升率超過了25 A/ms，電流變化量在50 ms內達到2 084 A，故DCP保護裝置啟動上升率延時保護。212柜保護動作值為上升率超過了25 A/ms，電流變化量在50 ms內達到3 436 A，故DCP保護裝置啟動上升率延時保護。

2　黃貝嶺213、214斷路器，新秀211、212斷路器跳閘原因分析及定值重新計算

1)經過相關波形的分析和參數的對比，最后得出:由于黃貝嶺214直流斷路器電流變送器故障，導致所采集的電流值要遠遠高出實際一次電流值。經確認，在08∶00∶05時間點上，如圖5所示，在黃新下行線2×12段與2×13黃新下行線折返線上均有列車啟動。也正是由于列車的啟動電流瞬間加劇了保護的跳閘，在列車啟動過程中，給2×12段接觸網供電的214直流斷路器上故障電流變送器所測得的電流值達到電流速斷保護動作值6 500 A，觸發了DCP106保護裝置速斷保護動作。由于214斷路器跳閘，導致同一供電臂上的新秀212斷路器負載電流瞬間升高，但此時2×13黃新下行線折返線上也有列車啟動，新秀站整流機組負載較大，212斷路器部分負載電流由黃貝嶺站整流機組供給。

圖5　黃貝嶺213、214斷路器，新秀211、212斷路器跳閘電流趨勢圖

2)具體電流流向為：負載電流經黃貝嶺213斷路器饋出至2S12段接觸網，電流經新秀211斷路器直流斷路器反送給新秀直流開關柜主母排，再通過新秀212斷路器饋出到2×12段接觸網。在此過程中，流經黃貝嶺213斷路器的電流為正向，上升率超過25 A/ms，且50 ms內電流變化量達到2 233 A，引起上升率延時保護動作；流經新秀211斷路器的電流為反向，但由于新秀211斷路器的電流采樣線極性接反，所以故障錄波中顯示的電流值仍然為正值；新秀211斷路器上升率超過25 A/ms，且50 ms內電流變化量達到2 084 A，引起了上升率延時保護動作；流經新秀212斷路器的電流為正向，上升率超過25 A/ms，且50 ms內電流變化量達到2 937 A引起了上升率延時保護動作。

3)此種故障的出現在國內地鐵供電系統運行中實屬罕見，屬于幾個故障的疊加后出現的現象。因此較為復雜現場難以迅速判斷。

為了實現保護功能的選擇性后重新按照現場實際對ΔI+di/dt電流增量+電流變化率保護(ROR)進行了定值計算：

在機車內有濾波器，濾波器中電感、電容組成了諧波振蕩回路，震蕩周期為：

其中：L為濾波器總電感，L′為接觸網最大電感。

根據現場數據饋線瞬時(2 s)最大負荷電流：6 000 A；機車最大啟動電流2 400 A；后引進了新車型最大啟動電流變為3 000 A。機車主回路濾波器參數：L=1.2 mH，C=4 500 μF，R=7.5 Ω。機車輔助回路濾波器參數：L=14 mH，C=460 μF。經過計算后得出F=2 700 A，t=60 ms。DI_del的動作電流值改為2 700 A，t_del動作延遲60 ms可有效實現該保護的選擇性。

3　結論及后續改進措施

1)經過上述仔細分析得出：黃貝嶺214直流斷路器跳閘是由于電流變送器故障引起，并且配合著兩列地鐵列車的啟動引發了瞬間的大電流，從而引起相鄰其它三臺斷路器的保護動作跳閘。

2)根據此次故障分析，在上下行供電臂上供電的4臺直流斷路器發生某一臺直流斷路器本體故障跳閘時[6-7](如開關柜內直流斷路器位置行程開關故障，DCP保護裝置由于無法監測到斷路器直流斷路器位置導致跳閘)，可能出現其他3臺直流斷路器上升率延時保護動作跳閘的隱患，在后續的工作中整定值進行進一步完善，并對末端站供電方式進行全面充分論證，重新計算整定值的大小和時間，以確保裝置的選擇性功能實現。

3)根據地鐵設計規范要求，為確保牽引供電可靠性而采用雙邊供電[8]，從一定程度上來說，也不可避免的涉及到了臨近保護裝置的動作條件和選項，因此，作為這種特殊供電方式，一旦發生故障，必須從整體上來加以分析和判斷，來提高設備故障搶修的恢復速度。

4)在接觸網的同一供電區段內，若在短時間內出現兩輛/多輛列車相繼啟動，第一輛列車啟動引起電流上升率保護或定時限過流保護啟動，而另一輛列車的啟動恰巧引起電流上升率保護或定時限過流保護跳閘，這種可能性在理論上是存在的。至于解決的方案，英國ENOTRAC公司的觀點認為，人工智能或神經元網絡可能是最佳的解決辦法，具體的實施方法還需作進一步研究。

Analysis of DC circuit breaker tripping cases in rail transit system

ZHAO Shenghao

For the DC circuit breaker tripping caused by its own malfunctions, we collected and compared malfunction data on site, analyzed the causes of the tripping, and put forward solutions.

DC circuit breaker，tripping，analysis

U279.3

A

1002-6886(2016)04-0076-04