肖明輝

0 引言

在地鐵郊區(qū)線(xiàn)的建設(shè)過(guò)程中，常常會(huì)遇到車(chē)站間距大的情況?？紤]故障情況下?tīng)恳冸娝闹г约颁撥壔亓鳌撥夒娢坏纫蛩?，一般要在長(zhǎng)大區(qū)間設(shè)置區(qū)間牽引變電所。對(duì)于長(zhǎng)大區(qū)間牽引變電所內(nèi)是否設(shè)置鋼軌電位限制裝置，不同設(shè)計(jì)往往會(huì)給出不同方案。本文結(jié)合運(yùn)營(yíng)中出現(xiàn)的實(shí)際問(wèn)題，具體分析有關(guān)故障，探討區(qū)間牽引變電所設(shè)置鋼軌電位限制裝置的必要性。

廣州地鐵四號(hào)線(xiàn)新造站和官橋站為相鄰2 座高架車(chē)站，2 個(gè)站間距約為6.3 km，在新造站和官橋站之間設(shè)置了新官區(qū)間牽引變電所，該區(qū)間牽引變電所中沒(méi)有設(shè)置鋼軌電位限制裝置。高架區(qū)間，在接觸軌與地之間設(shè)置避雷器，作為正極過(guò)電壓保護(hù)；在鋼軌與地之間設(shè)置避雷器，作為負(fù)極過(guò)電壓保護(hù)。

在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，新官區(qū)間牽引變電所至官橋站區(qū)間上行段接觸軌與地之間的直流避雷器爆炸，導(dǎo)致正極對(duì)地短路故障。出現(xiàn)正極對(duì)地短路故障后，官橋站直流開(kāi)關(guān)柜保護(hù)裝置動(dòng)作，而新官區(qū)間牽引變電所直流開(kāi)關(guān)柜保護(hù)裝置沒(méi)有動(dòng)作。根據(jù)對(duì)新官區(qū)間牽引變電所保護(hù)裝置的試驗(yàn)，驗(yàn)證新官區(qū)間牽引變電所設(shè)備均正常。有人認(rèn)為新官區(qū)間牽引變電所直流開(kāi)關(guān)柜保護(hù)裝置不動(dòng)作的原因是未設(shè)置鋼軌電位限制裝置造成的。

1 故障分析

1.1 故障情況

新官區(qū)間牽引變電所—官橋站高架區(qū)間避雷器故障，形成正極對(duì)地短路，導(dǎo)致官橋站直流饋線(xiàn)開(kāi)關(guān)211 的保護(hù)裝置SEPCOSΔI 保護(hù)動(dòng)作跳閘。避雷器故障點(diǎn)里程為ZDK28+750，新官區(qū)間牽引變電所里程為ZDK26+667，官橋牽引變電所里程為ZDK29+800。新官區(qū)間牽引變電所距離故障點(diǎn)約2.083 km，官橋站距離故障點(diǎn)約1.05 km。

官橋站直流饋線(xiàn)開(kāi)關(guān) 211 的保護(hù)裝置SEPCOSΔI 保護(hù)動(dòng)作跳閘的故障錄波波形如圖1 所示，亦稱(chēng)直流短路故障波形圖。

圖1 直流短路故障波形圖

經(jīng)查，新官區(qū)間牽引變電所開(kāi)關(guān)213 保護(hù)整定值：DA（大電流脫扣整定值）為9 000 A；E（保護(hù)啟動(dòng)值）為50 kA/s；F（保護(hù)返回值）為9 kA/s；ΔI（電流變化量定值）為6 000 A；ΔImin（最小電流變化量定值）為1 200 A；tΔI（最小電流變化量保護(hù)跳閘延時(shí)時(shí)間）為1 ms；T（保護(hù)延時(shí)時(shí)間常數(shù)）為80 ms。官橋站開(kāi)關(guān)211 保護(hù)整定值：DA為9 000 A；E 為50 kA/s；F 為9 kA/s；ΔI 為4 000 A；ΔImin為1 200 A；tΔI為1 ms；T 為80 ms。

當(dāng)新官區(qū)間牽引變電所—官橋站出現(xiàn)正極對(duì)地短路，短路電流通路如圖2 所示。

圖2 直流短路電流回路圖

1.2 官橋站保護(hù)裝置動(dòng)作

由官橋站開(kāi)關(guān)211 SEPCOS動(dòng)作跳閘后錄波圖看出，在官橋站開(kāi)關(guān)211 測(cè)得短路電流的初始值di/dt≈2 350 /5 = 470 A/ms，約在13 ms 達(dá)到ΔI 整定值，達(dá)到ΔI 定值（4 000 A）時(shí)的di/dt≈（4 000～3 775）/0.5 = 90 A/ms。

因?yàn)?0 A/ms 大于F 值（9 kA/s），所以開(kāi)關(guān)211 ΔI 保護(hù)出口；又因?yàn)殡娏髯畲笾禌](méi)有達(dá)到9 kA，所以大電流脫扣保護(hù)裝置沒(méi)有動(dòng)作。

因此，官橋站開(kāi)關(guān)動(dòng)作與設(shè)定是相符的。

1.3 新官所開(kāi)關(guān)213 保護(hù)裝置不動(dòng)作原因

新官區(qū)間牽引變電所距離故障點(diǎn)較遠(yuǎn)，雖沒(méi)有設(shè)置鋼軌電位限制裝置，但通過(guò)官橋鋼軌電位限制裝置，估計(jì)初始di/dt 也會(huì)大于E 值（50 kA/s），ΔI 保護(hù)裝置起動(dòng)。

但因距離較遠(yuǎn)，所以di/dt 肯定比官橋站開(kāi)關(guān)211 檢測(cè)到的值小，且其開(kāi)關(guān)213 的ΔI 整定值為6 000 A，比官橋站設(shè)定的ΔI 高。

從官橋站開(kāi)關(guān)211 的錄波圖中看出，當(dāng)官橋站開(kāi)關(guān)211 測(cè)得短路電流上升到6 000 A 時(shí)（短路約持續(xù)30 ms 時(shí)的時(shí)刻），di/dt 已→0，持續(xù)時(shí)間約12 ms，此持續(xù)時(shí)間大于tΔI，且逐漸減為負(fù)值，而此時(shí)官橋站開(kāi)關(guān)213 側(cè)的電流一定沒(méi)到6 000 A（因?yàn)樾鹿賲^(qū)間牽引變電所—故障點(diǎn)要比官橋所—故障點(diǎn)遠(yuǎn)，所以官橋站相當(dāng)于近端，電流上升得快），保護(hù)還沒(méi)有出口，而官橋站此時(shí)的di/dt 小于F（9 kA/S），且持續(xù)時(shí)間約12 ms 大于tΔI，因此，新官區(qū)間牽引變電所的開(kāi)關(guān)213 的ΔI 保護(hù)返回。

根據(jù)波形，在短路發(fā)生后的約42 ms 時(shí)，電流重新上升。開(kāi)關(guān)213 的ΔI 保護(hù)裝置也可能重新起動(dòng)，但此時(shí)ΔI 的計(jì)算基值已不再是0，而是約42 ms時(shí)的電流值（I1，幾千安培為基準(zhǔn)值），當(dāng)電流再上升到I1+ 6 000 A 時(shí)，保護(hù)才能出口。而這時(shí)可能有以下幾種可能，而使得保護(hù)不能動(dòng)作，又返回。

保護(hù)雖未返回，但在電流上升到I1+ 6 000 A之前或在（42 + 80）ms 之前，避雷器防爬器已經(jīng)動(dòng)作，將故障隔離了。

因此，綜上，新官區(qū)間開(kāi)關(guān)213 保護(hù)裝置未動(dòng)作（應(yīng)是第一次出口前返回了），另外，在防爬器動(dòng)作之前，開(kāi)關(guān)213 的電流肯定未達(dá)到9 000 A，大電流脫扣器也不動(dòng)作。

1.4 設(shè)鋼軌電位限制裝置后開(kāi)關(guān)213 動(dòng)作分析

新官區(qū)間牽引變電所開(kāi)關(guān)213 ΔI 保護(hù)裝置動(dòng)作的條件是：在短路持續(xù)30 ms 之前（即di/dt 小于9 kA/s 之前），電流大于6 000 A。該點(diǎn)官橋站開(kāi)關(guān)211 測(cè)得的電流為6 000 A，新官區(qū)間牽引變電所要比官橋站離故障點(diǎn)遠(yuǎn)將近1 倍（1 km 左右），所以，此時(shí)新官區(qū)間牽引變電所開(kāi)關(guān)213 測(cè)得電流肯定小于6 000 A，因此該保護(hù)裝置肯定不動(dòng)作，新官區(qū)間牽引變電所即使增加鋼軌電位限制裝置，出現(xiàn)該類(lèi)故障時(shí)新官區(qū)間牽引變電所開(kāi)關(guān)213 也未必動(dòng)作。

2 鋼軌電位限制裝置的設(shè)置

鋼軌電位限制裝置原理如圖3 所示。設(shè)置鋼軌電位限制裝置的目的是限制鋼軌與地之間的電位，以避免人員在軌道區(qū)域受到鋼軌與地之間高電位的傷害。其內(nèi)設(shè)有電壓測(cè)量回路用來(lái)測(cè)量鋼軌和地之間的電位差，當(dāng)鋼軌對(duì)地低電壓或者地對(duì)鋼軌電壓超過(guò)一定幅值時(shí)，鋼軌電位限制裝置動(dòng)作。鋼軌電位限制裝置根據(jù)EN50122-1 標(biāo)準(zhǔn)設(shè)三段電位動(dòng)作保護(hù)，當(dāng)鋼軌與地之間的電位在90～120 V 時(shí)，接觸器延時(shí)1 s 合閘；當(dāng)鋼軌與地之間的電位120～170 V 時(shí)，接觸器無(wú)延時(shí)合閘；當(dāng)鋼軌電位限制裝置大于600 V 時(shí)，晶閘管在0.2 ms 內(nèi)導(dǎo)通，加速鋼軌與地之間的短接。

圖3 鋼軌電位限制裝置原理圖

鋼軌電位限制裝置接通時(shí)，提供了負(fù)極與地之間的電流通路。但這只是牽引變電所中負(fù)極與地電流通路之一。排流柜也連通了負(fù)極與地。鋼軌電位限制裝置只是為保護(hù)軌道區(qū)域的人身安全才設(shè)置，對(duì)于不預(yù)留車(chē)站的區(qū)間牽引變電所，軌道區(qū)域在運(yùn)營(yíng)時(shí)是沒(méi)有人員的，可以不設(shè)置鋼軌電位限制裝置。至于負(fù)極與地之間的電流通路未必一定要通過(guò)設(shè)置鋼軌電位限制裝置才能實(shí)現(xiàn)。

在地鐵直流牽引供電系統(tǒng)中，鋼軌對(duì)地絕緣安裝，被用作直流牽引電流的負(fù)極回流通路。因此，鋼軌對(duì)地有時(shí)存在高電位，而列車(chē)與鋼軌之間是等電位的，當(dāng)乘客站在站臺(tái)時(shí)，有可能通過(guò)列車(chē)車(chē)體接觸到這一高電位。特別是在站臺(tái)上安裝了站臺(tái)屏蔽門(mén)之后，由于站臺(tái)屏蔽門(mén)直接與鋼軌連接，更增加了乘客接觸鋼軌高電位的機(jī)會(huì)。為了保障乘客的安全，在鋼軌或負(fù)母排和地之間安裝了鋼軌電位限制裝置，當(dāng)鋼軌電位超過(guò)預(yù)定的值時(shí)，鋼軌電位限制裝置將鋼軌電位鉗制到地電位。因此鋼軌電位限制裝置作為保護(hù)乘客安全設(shè)備，一般情況下，只在車(chē)站或者預(yù)留車(chē)站的變電所設(shè)置。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，官橋所保護(hù)動(dòng)作與設(shè)定相符。由于新官區(qū)間牽引變電所不是車(chē)站，對(duì)于包含范圍內(nèi)正常的接觸網(wǎng)對(duì)鋼軌或者接觸網(wǎng)對(duì)接地扁鋼的金屬性短路，新官區(qū)間牽引變電所都能正常動(dòng)作。本文所論述的新官區(qū)間牽引變電所問(wèn)題，對(duì)于一般區(qū)間牽引變電所都是適用的。故，區(qū)間牽引變電所中可以不設(shè)置鋼軌電位限制裝置。如設(shè)置鋼軌電位限制裝置，只是在出現(xiàn)接觸網(wǎng)對(duì)地短路時(shí)，更有利于保護(hù)，但是否設(shè)置需根據(jù)具體情況確定。