深圳市地鐵集團(tuán)有限公司 王 鴻

地鐵牽引供電系統(tǒng)自動(dòng)重合閘探討

深圳市地鐵集團(tuán)有限公司 王 鴻

為了提高地鐵牽引供電系統(tǒng)的可靠性，直流饋線斷路器保護(hù)中通常設(shè)有線路測(cè)試和自動(dòng)重合閘功能，大多數(shù)的直流饋線斷路器的線路測(cè)試次數(shù)設(shè)定為3次。本文介紹了地鐵牽引供電系統(tǒng)直流饋線斷路器的線路測(cè)試功能和自動(dòng)重合閘的原理，通過(guò)分析深圳地鐵1號(hào)線牽引供電系統(tǒng)自動(dòng)重合閘的案例，提出了優(yōu)化直流饋線斷路器的自動(dòng)重合閘次數(shù)的建議。

線路測(cè)試；自動(dòng)重合閘；地鐵；直流牽引供電

1 引言

深圳市城市軌道交通1號(hào)線供電系統(tǒng)采用集中式、110/35kV兩級(jí)電壓供電方式，牽引和動(dòng)力照明共用35kV供電網(wǎng)絡(luò)，牽引供電系統(tǒng)采用架空柔性接觸網(wǎng)供電。接觸網(wǎng)系統(tǒng)額定電壓為DC1500V，允許電壓波動(dòng)范圍為DC1000～1800V，接觸網(wǎng)為正極，走行軌為負(fù)極。結(jié)合深圳地鐵1號(hào)線的運(yùn)行情況可以發(fā)現(xiàn)，目前的供電方式運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，可以滿(mǎn)足地鐵列車(chē)的供電需求。

羅湖至機(jī)場(chǎng)東線路里程40.892公里，架空柔性接觸網(wǎng)長(zhǎng)達(dá)134.35公里，由于架空柔性接觸網(wǎng)較長(zhǎng)，特別是竹子林車(chē)輛段和高架站后瑞、機(jī)場(chǎng)東的架空柔性接觸網(wǎng)設(shè)置于戶(hù)外，所以接觸網(wǎng)容易受到外部條件的影響。除了狂風(fēng)、暴雨、雷電、回南天潮濕天氣等環(huán)境因素外，還有風(fēng)箏、孔明燈、上網(wǎng)電纜附近施工等人為因素，以及地鐵列車(chē)上的接觸器、逆變器、牽引電機(jī)等電器設(shè)備故障都會(huì)造成牽引供電系統(tǒng)的跳閘。

為了縮小直流供電系統(tǒng)故障的影響范圍，提高供電系統(tǒng)的可靠性和供電的持續(xù)性，減少地鐵列車(chē)延誤對(duì)市民出行造成的影響，地鐵直流饋線斷路器的保護(hù)裝置中除了設(shè)有本體大電流脫扣保護(hù)、電流上升率保護(hù)、熱過(guò)負(fù)荷保護(hù)、過(guò)流保護(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。當(dāng)外部設(shè)備發(fā)生瞬時(shí)性短路故障時(shí)，自動(dòng)重合閘功能可以在1分鐘內(nèi)自動(dòng)恢復(fù)正常供電。

2 線路測(cè)試原理及定值

當(dāng)線路故障跳閘后，必須通過(guò)線路測(cè)試，驗(yàn)明線路無(wú)故障后才能進(jìn)行重合閘。如果線路測(cè)試未通過(guò)，則閉鎖重合閘。線路測(cè)試功能是通過(guò)計(jì)算饋電區(qū)段上的電阻值來(lái)確定饋電線路上是否存在短路，以避免在線路存在短路故障時(shí)合閘斷路器。主要原理是在直流斷路器兩端并聯(lián)一個(gè)電阻測(cè)試回路，通過(guò)它向待測(cè)線路段短時(shí)施加電流。通過(guò)測(cè)試電流值、電壓值、測(cè)試電阻值計(jì)算出線路段的剩余電阻，如果剩余電阻R_rest大于“允許合閘最小電阻值”定值，就判斷為線路測(cè)試通過(guò)，允許直流饋線斷路器合閘。

根據(jù)下式得到測(cè)試值：

U_rest =（I_p?R_p）+U_s

R_rest = U_s/ I_p

U_rest 剩余電壓

R_rest 剩余電阻

U_s 路段電壓

I_p 測(cè)試電流

圖1 線路測(cè)試原理圖

表1 線路測(cè)試定值

3 瞬時(shí)故障的自動(dòng)重合閘案例

2017年05月03日08:51:04，深圳地鐵1號(hào)線前海灣牽引變電所211直流斷路器di/dt上升率瞬時(shí)保護(hù)動(dòng)作跳閘，桃園牽引變電所213直流斷路器接收聯(lián)跳信號(hào)跳閘。新安、前海灣、大新、鯉魚(yú)門(mén)、桃園軌電位限制裝置主觸頭閉合。斷路器保護(hù)動(dòng)作跳閘后，保護(hù)裝置啟動(dòng)線路測(cè)試，測(cè)試通過(guò)后直流饋線斷路器自動(dòng)重合閘，前海灣于08:51:35自動(dòng)重合閘成功，桃園213于08:51:41自動(dòng)重合閘成功，恢復(fù)了故障區(qū)段的接觸網(wǎng)的牽引供電。故障發(fā)生時(shí)147車(chē)、173車(chē)、145車(chē)在桃園至前海灣下行供電臂內(nèi)行駛，3列車(chē)分別位于鯉前區(qū)間、大鯉區(qū)間和桃大區(qū)間。前海灣211斷路器跳閘波形見(jiàn)圖2。

圖2 前海灣211斷路器跳閘波形

本次故障造成2～5分鐘晚點(diǎn)2列，5～10分鐘晚點(diǎn)4列，清客4列，清客約2800人，下線3列。經(jīng)全面檢查后發(fā)現(xiàn)147車(chē)控制單元軟件存在缺陷，高速斷路器跳閘診斷時(shí)間與主接觸器滅弧裝置的滅弧時(shí)間不匹配，造成牽引逆變器的中間接觸器斷開(kāi)時(shí)拉弧接地，導(dǎo)致供電設(shè)備跳閘，現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)牽引逆變器的中間接觸器有明顯的電弧燒傷痕跡。

雖然147車(chē)故障導(dǎo)致直流饋線斷路器保護(hù)動(dòng)作跳閘，造成接觸網(wǎng)失壓，但是直流饋線斷路器啟動(dòng)線路測(cè)試功能判斷外部瞬時(shí)故障消失后，自動(dòng)重合饋線斷路器，快速恢復(fù)了故障區(qū)段供電臂的牽引供電，避免了故障造成的影響繼續(xù)擴(kuò)大。通過(guò)本案例可以發(fā)現(xiàn)：直流饋線斷路器的自動(dòng)重合閘功能對(duì)于接觸網(wǎng)或者地鐵列車(chē)瞬時(shí)性故障跳閘后快速恢復(fù)牽引供電、恢復(fù)地鐵列車(chē)的運(yùn)營(yíng)、減小地鐵列車(chē)延誤對(duì)市民出行造成的影響有重要意義。

4 永久故障的自動(dòng)重合閘案例

2017年3月7日07:45:45，竹子林車(chē)輛段215直流斷路器di/dt上升率瞬時(shí)保護(hù)動(dòng)作、電流速斷保護(hù)動(dòng)作跳閘，自動(dòng)重合閘后保護(hù)再次動(dòng)作，重復(fù)3次后線路測(cè)試閉鎖。跳閘情況如下：

表2 竹子林車(chē)輛段215斷路器跳閘記錄

供電搶修人員經(jīng)查找發(fā)現(xiàn)原因是施工鉆孔穿破損壞接觸網(wǎng)上網(wǎng)電纜，導(dǎo)致接觸網(wǎng)上網(wǎng)電纜高阻接地。對(duì)接觸網(wǎng)上網(wǎng)電纜檢查發(fā)現(xiàn)，絕緣電阻測(cè)試正常，但耐壓試驗(yàn)未通過(guò)。該故障能通過(guò)DCP106的線路測(cè)試，但斷路器合閘后保護(hù)再次動(dòng)作跳閘，再次線路測(cè)試通過(guò)，斷路器再次合閘后保護(hù)又一次動(dòng)作跳閘。通過(guò)本案例可以發(fā)現(xiàn)：線路測(cè)試功能只能作為判斷饋電線路是否存在故障的輔助手段，線路測(cè)試通過(guò)并不能說(shuō)明饋電線路無(wú)故障，只能說(shuō)明饋電線路無(wú)金屬性短路故障。重合于該類(lèi)型的永久性故障時(shí)，斷路器再次斷開(kāi)后原本不應(yīng)再次重合，但保護(hù)裝置并未配置此判據(jù)，導(dǎo)致斷路器多次重合于通過(guò)了線路測(cè)試的永久性故障。重合于永久性故障產(chǎn)生的不利影響主要有：（1）使供電系統(tǒng)再次受到故障的影響；（2）使斷路器的工作條件惡化（因?yàn)樵诙虝r(shí)間內(nèi)多次切斷故障電流）。

5 自動(dòng)重合閘次數(shù)優(yōu)化

針對(duì)此缺陷，可以從三個(gè)方面來(lái)進(jìn)行優(yōu)化：（1）運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，多數(shù)瞬時(shí)性故障都是1次自動(dòng)重合閘就成功了，設(shè)定的3次線路測(cè)試實(shí)際意義不大，所以可以考慮將線路測(cè)試次數(shù)由3次改為1次。因?yàn)槿绻撬矔r(shí)性故障，后續(xù)還可以通過(guò)電動(dòng)合閘或者通過(guò)越區(qū)供電方式恢復(fù)正常供電；而如果是永久性故障，就算是3次線路測(cè)試也不能恢復(fù)正常供電。（2）設(shè)定的3次線路測(cè)試不做改變，在保護(hù)裝置中增加斷路器自動(dòng)重合閘后保護(hù)再次動(dòng)作閉鎖斷路器合閘的判據(jù)，避免直流饋線斷路器多次重合于故障線路。（3）增設(shè)防跳功能，所謂防跳功能是防止斷路器合閘-分閘-合閘-分閘反復(fù)跳躍。目的在于就算出現(xiàn)合閘信號(hào)一直存在的情況，但只允許斷路器試合閘1次，如果合閘后再次跳閘，則判斷為斷路器合閘失敗，就禁止再次合閘，通過(guò)防跳功能產(chǎn)生的閉鎖信號(hào)來(lái)避免直流饋線斷路器多次重合于故障線路。

6 結(jié)語(yǔ)

直流饋線斷路器的自動(dòng)重合閘功能對(duì)于接觸網(wǎng)或者地鐵列車(chē)瞬時(shí)性故障跳閘后快速恢復(fù)牽引供電、恢復(fù)地鐵列車(chē)的運(yùn)營(yíng)、減小地鐵列車(chē)延誤對(duì)市民出行造成的影響有重要意義，與自動(dòng)重合閘相關(guān)的線路測(cè)試功能并不能完全區(qū)分饋電線路是否故障。為了避免直流饋線斷路器多次重合于故障線路的情況，結(jié)合實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，建議將線路測(cè)試次數(shù)由3次改為1次，或者在保護(hù)裝置增加斷路器合閘于故障線路跳閘后的閉鎖邏輯，或者在直流饋線斷路器上增設(shè)防跳功能。

[1]鄭瞳熾．城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)[M]．北京:中國(guó)鐵道出版社．2006．

[2]丁復(fù)華．地鐵直流牽引供電系統(tǒng)的電氣保護(hù)與定值[J]．都市快軌交通,2005,18(4):136-140．

[3]張華英．地鐵直流牽引供電系統(tǒng)保護(hù)配合的探討[J]．電氣化鐵道,2001(3):8-9．

王鴻（1984—），男，大學(xué)本科，工程師，主要從事地鐵供電系統(tǒng)技術(shù)管理工作。