浅析地铁直流牵引变电所的常见故障和保护

科学技术2010．8101浅析地铁直流牵引变电所的常见故障和保护张霞西安市地下铁道有限责任公司陕西西安710018【摘要】本文以直流1500V双边供电的牵引变电所为例，介绍了地铁直流牵引变电所内的各种保护配置，并具体阐述了主要保护的工作原理，如大电流脱扣保护、电流上升率保护、定时限过流保护、低电压保护、双边联跳保护、接触网热过负荷保护、框架保护、轨道电压限制保护等。昀后，对于目前保护原理中存在的不足，本文也做了剖析，如多辆列车短时间内相继启动可能会造成保护误动作，小电流短路故障等。【关键词】地铁直流牵引故障保护引言随着国民经济的快速发展，城市交通日趋紧张，地铁已成为城市公共交通中准时、便捷的交通工具，研制高质量、高科技、高标准的直流系统已迫在眉睫，保护系统的国产化将成为我们研究的重点和难点。1、一次系统简介图1显示了一个典型的牵引变电所主接线图，该所将主变电所来的交流35KV中压电压经整流机组降压整流变成直流1500V电压，再经直流开关柜向接触网供电，为电动列车提供牵引动力。图1典型牵引变电所主接线图图2显示的是采用双边供电的接触网分区段示意图，一个供电分区由相邻的两个牵引变电所同时供电，这种双边供电的方式提高了供电的可靠性，同时分区段的方式使故障被隔离在某个区段以内，而不致影响其它供电区段，因而被广泛采用。图2双边供电接触网分区段示意图2、牵引变电所内各种保护配置牵引变电所内的各种保护必须在系统发生故障时能够快速、准确地切除故障，保证列车正常运行，同时又要避免列车正常运行时一些电气参数的变化引起保护装置误动作而跳闸。后备保护增加了故障切除的可靠性，同时也增加了主保护的难度，因此保护配置也不宜过多。通常，牵引变电所内的直流保护一般安装于直流开关柜内，其可能配置如下：A．馈线柜（图1中对应211、212、213、214）a.大电流脱扣保护；b.电流上升率保护；c.定时限过流保护；d．低电压保护；e．双边联跳保护；f．接触网热过负荷保护；g．自动重合闸。B．进线柜（图1中对应201、202）a．大电流脱扣保护；b．逆流保护。C．负极柜a．框架保护。D.轨道电压限制装置a.轨道电压限制保护。3、主要保护的原理牵引变电所内的直流系统的故障形式主要有：短路故障，过负荷故障，过压故障等，昀常见的也是危害昀大的是短路故障。从本质上讲，短路故障有两种类型，一种是正极对负极短路，另一种是正极对大地短路。所内配置的多数保护都是为了切除前一种故障，而框架保护则是为了切除后一种故障。对于前一种故障，多数是由于架空接触网对钢轨短路所引起的，短路点距离牵引变电所的距离决定了短路电流的大小。远端短路故障的电流峰值与列车启动时的电流峰值相近，甚至小于该电流，所以，远端短路故障电流与列车启动电流的区分，是牵引变电所直流保护的难点。另外，列车受电弓过接触网分段时，也会有一个峰值较高的电流出现。图3是典型的近、远端故障电流与列车受电弓过接触网分段时的电流时间特性示意图。图3短路电流与列车运行电流示意图以下具体阐述牵引变电所内主要保护的工作原理：3.1大电流脱扣保护大电流脱扣保护是直流保护中的近端短路主保护，与交流保护中的电流速断保护相类似，用以快速切除近端短路故障。这种保护是直流断路器内设置的固有保护，没有延时性，它通过断路器内设置的脱扣器来实现。当通过断路器的电流超过整定值时，脱扣器马上动作，使断路器跳闸。一般来说，该保护的整定值通过计算和短路试验得出，该整定值介于昀大负荷下列车正常启动的电流与昀大短路电流之间。3.2电流上升率保护电流上升率保护是广泛使用的中、远端短路主保护，它在多数情况下能正确区分列车正常运行电流和中、远端短路电流，主要用于切除大电流脱扣保护不能切除的故障电流较小的中、远端短路故障，其工作原理如下：科学技术2010．8102当电流的变化率di/dt＞A（A是电流上升率的定值）时，电流上升率保护启动。该保护启动后，产生跳闸的条件只要满足以下两个条件中的任意一个即可：（1）经过时间T1后，di/dt仍然大于B；（2）经过时间T2后，ΔI＞L，ΔI=It+T2－It；如图3，在t时刻，列车受电弓过接触网分段后重新与接触网连接，此时电流的绝对值It较小，而di/dt由于充电效应则较大，短路电流和列车运行电流均可满足启动条件，但经过适当的延时后，对于列车运行电流来讲，由于充电效应维持的时间很短，电流已经经过了一个从很小到数倍于正常电流，再到正常电流的过程，此时，di/dt通常是负值，ΔI也很小，所以触发跳闸的条件一个也不满足，电流上升率保护返回；对于短路电流来讲，此时，短路仍然存在，只要距离不是非常远，通常一定满足条件1和2，致使保护跳闸。单列列车t时刻启动时，可能di/dt＞A，保护启动，但经过时间T1后，di/dt＜B，ΔI＜L，保护自动返回。值得关注的是，定值T1、T2、A、B、L的选取非常重要，它决定了保护动作的正确性和快速性。3.3定时限过流保护定时限过流保护是电流上升率保护的后备保护，通常该保护的电流整定值Idmt较小，一般按馈线昀大负荷考虑，以达到切除远端短路故障的目的，其动作延时Tdmt也较长，以避开列车启动的时间。当电流第一次超过定值时，保护启动，在延时Tdmt的时间段内电流一直超过定值，可认为是短路电流，触发跳闸，如果中间任一时刻电流没有超过定值，保护自动返回，等待下次启动。3.4低电压保护和定时限过流保护一样，作为电流上升率保护的后备保护，一般与其它保护形式互相配合，不能单独使断路器跳闸。它的整定值Umin及延时Tdmt必须与列车正常运行时的运行情况互相配合，除了应考虑昀大负载下列车的启动电流和启动持续时间，还应考虑在一个供电分区内多辆列车相继启动的情况。当发生短路故障时，直流输出电压迅速下降很多，当输出电压＜Umin，保护启动，在一定的延时时内输出电压一直保持＜Umin，则低电压保护发出动作信号。3.5双边联跳保护双边联跳保护是采用双边供电的接触网广泛使用的一种保护，一个供电分区内的接触网由两个相邻的牵引变电所对其供电，当其中一个牵引所的直流馈线断路器保护跳闸，同时还会联跳为同一个供电分区供电的所有直流馈线断路器。它能切除故障电流特别小的远端短路故障，跳闸命令是由感知到较大近端短路故障电流的相邻站发出的。只要给某区段接触网供电的两个牵引所有一个正确跳闸，另一个马上也会跳闸，因而可靠性很高，确保“在事故状态下接触网短路电流的保护，以保证单边供电接触网区段一条馈线的开断和双边供电接触网区段两条馈线的开断”。双边联跳保护的原理如下：图2显示了一条接触网的两段，左边一段由牵引变电所A和B供电，右边一段则由牵引变电所B和C供电，当短路点发生在靠近A所的c位置时，A所的大电流脱扣保护首先动作，而B所则由于短路电流小等因素，大电流脱扣和电流上升率等保护均无法动作，位于A所的双边联跳保护则发出联跳命令，将B所的213开关跳开。当B所退出运行时，则B所越区隔离开关2133合上，双边联跳保护根据B所2133的位置判定另一端是由C所213开关供电，跳闸的对象则为C所213开关。3.6框架保护框架保护适用于直流设备的正极对机柜外壳（与大地相连）或接触网对架空地线短路时的情况。图4正极对地短路故障示意图如图4所示，在正常无短路状态下，钢轨（负极）与地的绝缘良好，几乎没有漏电流通过A点，当故障f1发生时，即直流设备的正极对机柜外壳短路时，故障电流If1由正极通过A点，经泄漏电阻Rl回流至负极，框架保护检测位于A点的机柜外壳对地的漏电流If1，超过整定值则迅速动作。通常，在地和负极之间还安装一个排流柜，当排流柜投入运行时，其等效电阻值远小于Rl，If1大大增加，这样，即使钢轨（负极）与地的绝缘非常良好，泄漏电阻Rl非常大，由于排流柜提供了漏电流If1的通道，大大提高了框架保护动作的灵敏性。当故障f2发生时，即接触网与架空地线发生短路时，由于A点离故障点较远，故漏电流较小，检测A点漏电流不能检测出故障，此时框架保护检测外壳和负极之间的电位差。在正常无短路状态下，外壳和负极之间的电位差很小，故障f2发生时电位差迅速变得很大，框架保护可以迅速动作。而对于正极对机柜外壳短路的情况，若未投入排流柜，钢轨（负极）与地的绝缘亦很好，漏电流可能不足以启动框架保护，但电压检测元件则可使之迅速动作。通常，电流检测元件作为框架保护的主保护，电压检测元件则作为后备保护。框架保护动作的结果是：迅速跳开本站内所有的直流开关、交流侧进线开关及邻所向本区段供电的直流开关，并需由人工复归后方可重新合上开关；3.7轨道电压限制保护轨电位限制装置控制控制原则：轨电位限制装置的控制分两种，一种是通过检测轨道电压来实现，另一种是通过人工施加试验电压来实现。VAC50Hz220VS24TestU0TestUR1R2NNV11UV12AB分别接钢轨和大地R10P11R3R5R4R6C1C2C3F21F22U92VU150VL2.2k?2.2k?+—L2.2k?0...200V22k?22k?22k?15?220μF220μF220μF0.5s正常运行时，轨电位限制装置检测轨道和大地之间的电压，该电压经过V11模块整流后施加给R10；而人工施加的试验电压，是通过S24旋纽把交流220V电压经过V12模块整流后施加给R10。F21、F22继电器分别检测R10上的电压，当该电压上升到92V时，经过一定的延时，F21继电器动作，发出合闸命令；当电压上升到150V时，F22继电器动作，发出合闸命令。由F21继电器动作使断路器合闸的方式我们称为“一段动作（U＞）”，由F22继电器动作使断路器合闸的方式我们称为“二段动作（U»）”。控制过程：1.合闸合闸的原则是使合闸继电器K02受电，使由它驱动的断路器合闸线圈得电，从而使断路器合闸。正常运行时，断路器处在“分闸”位置，K01继电器的常闭接点（1，2）闭合，使K83继电器受电，它的常开接点(15,18)接通。因此，当F21继电器延时动作后接通11、14接点，使合闸继电器K02受电，断路器合闸。当F22继电器动作后接通11、14接点，也能使断路器合闸。但是，它们之间有一定的区别：如果因为F21继电器动作使断路器合闸，那么延时10秒后断路器会自动分闸，在规定的时间内反科学技术2010．8103复三次，断路器合闸不再分开；如果因为F22继电器动作使断路器合闸，此时F22会闭锁分闸回路，使断路器不会延时分开。2.分闸分闸的原则是使分闸继电器K01受电，使由它驱动的断路器分闸线圈得电，从而使断路器分闸。当断路器合闸后，断路器的辅助接点S1（23,24）闭合，使K81继电器受电，经过10秒的延时后，继电器动作，该继电器的15、18接点闭合，而K84继电器的常闭接点接通，使分闸继电器K01受电，断路器分闸。3.8接触网热过负荷保护接触网热过负荷保护是消除热过负荷故障，而非短路故障，其工作原理主要是根据接触网的电阻，接触网上流过的电流，计算出接触网的发热量，从而再根据接触网的热负荷特性及环境条件推算出接触网的电缆温度。当测量的电缆温度超过Talarm给出报警，超过Ttrip则跳开给该接触网供电的直流开关。开关跳开后，电缆逐渐冷却，当温度进一步下降，低于Treclosure，则重新合上直流开关。图5给出了接触网热过负荷保护动作的时序图。图5接触网热过负荷保护动作时序图4、案例分析4.1案例一4.1.1故障情况南京地铁1号线自投运以来，直流馈线开关发生多次因联跳误动造成开关跳闸的故障。例如：2006年5月3日，珠江路211开关被联跳，重合闸成功；2006年12月18日，安德门211开关联跳跳闸；2007年11月27日，珠江路212开关被联跳跳闸3次，在三山街牵引所切除三山街214开关联跳保护功能后，才正常送电；2008年3月23日，新模范212开关联跳跳闸，将珠江路212开关联跳保护功能切除后，才正常送电；2007年7月8日，因雷击造成接触网短路，中胜牵引所214开关大电流脱扣跳闸，同时向安德门212开关发出联跳信号，使安德门212开关联跳跳闸，将故障线路及