廣州地鐵2號線1500V直流開關的控制保護

廣州地鐵2號線1500V直流開關的控制保護

摘要：介紹廣州地鐵2號線1500V直流開關的結構特點，闡述了控制保護原理，舉2例分析有關運營故障，并提出對應措施，以確保地鐵接觸網(wǎng)供電系統(tǒng)的正常穩(wěn)定運行。

關鍵詞：1500V直流開關；控制保護；故障分析；廣州地鐵2號線

0引言

廣州地鐵2號線接觸網(wǎng)采用1500V直流雙邊供電系統(tǒng)。在牽引變電所，通過干式整流器實現(xiàn)24脈波整流，將33kV交流電轉(zhuǎn)變?yōu)?500V的直流電，輸送到母排后通過1500V直流開關經(jīng)直流電纜輸送到接觸網(wǎng)上。廣州地鐵2號線采用江蘇長江電器集團與瑞士SECHERON合資生產(chǎn)的1500V直流開關，饋線開關采用了SIEMENS公司的DPU96作測控保護單元，進線開關及回流柜采用S7控制器。

11500V直流開關的結構特點

1500V直流開關主要由上部連接、下部連接、驅(qū)動裝置、合閘機構、分閘機構、大電流脫扣保護裝置、滅弧裝置以及分合閘位置輔助觸點組成。其中驅(qū)動裝置和大電流脫扣保護裝置是1500V直流開關的核心部分。

驅(qū)動裝置的作用是牽引棘輪拉動動觸頭使其與靜觸頭閉合，完成合閘。驅(qū)動裝置由工程塑料支架、限位緩沖彈簧、分閘輔助彈簧、傳動圓鋼組成。整個驅(qū)動裝置在合閘線圈鐵心的推動下在受限范圍水平面內(nèi)沿導軌方向前后運動。合閘時鐵心推動驅(qū)動裝置往前運動，驅(qū)動裝置牽引棘輪拉動動觸頭運動；驅(qū)動裝置的運動使分閘輔助彈簧壓縮；為避免鐵心向前使動觸頭與靜觸頭發(fā)生猛烈沖擊而損壞，驅(qū)動裝置運行到限制位置后，限位緩沖彈簧受壓收縮產(chǎn)生與鐵心運動相向的力，吸收驅(qū)動裝置的動能使之迅速平穩(wěn)地停在與靜觸頭密貼的位置。

大電流脫扣保護裝置是直流開關上利用電磁力原理實現(xiàn)直流保護的一種裝置。有一個由硅鋼片疊成的磁扼垂直套在動觸頭外側(cè)，只要開關回路中的電流達到整定值，磁扼中產(chǎn)生的磁場把銜鐵吸合下來，銜鐵帶動連桿，連桿的運動頂起牽引觸頭的棘齒，原來在水平方向力的平衡被打破，棘輪向上頂起，軸脫扣后，動觸頭在分閘彈簧作用下迅速彈開。DPU96根據(jù)輔助觸點的輸入和主電路電流電壓的測量值進行運算，輸出控制使合閘線圈失電、鐵心后退，驅(qū)動裝置在分閘輔助彈簧作用下往回運動，DPU96發(fā)出大電流報警信息。大電流脫扣保護的整定值通過調(diào)整磁扼中的磁通路來實現(xiàn)。

21500V直流開關的控制保護

廣州地鐵2號線1500V直流開關采用西門子DPU96測控保護單元，實現(xiàn)對開關的控制、保護、測量及通信功能。

1500V直流開關的控制

1）在開關本體上直接分閘

打開1500V開關柜門，轉(zhuǎn)動小車面板前的操作手柄至分閘位，不需要經(jīng)過DPU96判斷條件可以直接分閘，也就是將機械轉(zhuǎn)動直接作用在大電流脫扣裝置上，使開關脫扣分閘。

2）當?shù)匚环趾祥l

在1500V開關柜面板上用分合閘按鈕發(fā)觸發(fā)信號給本開關DPU96，經(jīng)DPU96運算判斷后進行分合閘。

3）遠方位控制

牽引所內(nèi)4臺饋線直流1500V開關的DPU96、2臺進線直流1500V開關及回流柜的S7各自通過通信模塊，以PROFIBUS總線協(xié)議構成網(wǎng)絡，經(jīng)牽引所內(nèi)RTU進行通信協(xié)議轉(zhuǎn)換后，實現(xiàn)牽混所中央信號屏、牽混所監(jiān)控微機、OCC控制中心對1500V直流開關的分合閘，并取得開關保護、電流電壓量、操作記錄等數(shù)據(jù)。

1500V直流開關的保護

1）大電流脫扣保護

直流進線、饋線開關設置大電流脫扣保護。大電流脫扣主要用于接觸網(wǎng)近端短路保護，它在1500V直流開關上利用電磁原理實現(xiàn)保護分閘。進線開關整定值為12000A，饋線開關整定值為9000A。

2）Imax保護

直流饋線開關設置有Imax保護，即電流速斷保護。在DPU96中可設定Imax的整定值，只要DPU96檢測到開關主電路中電流大于此整定值則DPU96保護分閘。饋線開關整定值Imax=8000A。

3）過電流保護

直流饋線開關設置過電流保護。當電流達到整定值3000A并持續(xù)30s后DPU96保護分閘。

4）di/dt保護

直流饋線開關設置有di/dt保護，即電流變化率保護。開關合閘后，測量裝置不斷檢測開關主電路中電流的變化率di/dt，當di/dt≥24A/ms時發(fā)出報警，di/dt≥40A/ms時觸發(fā)DPU96產(chǎn)生中斷。在30ms內(nèi)如果電流變化率仍高于40A/ms則30ms后DPU96保護分閘；如果30ms內(nèi)電流變化率低于40A/ms，則di/dt復零，中斷退出。

5）ΔI保護

直流饋線開關設置ΔI保護，即電流增量保護。在di/dt被觸發(fā)后持續(xù)1ms，ΔI達到整定值4000A(饋線開關)，經(jīng)過延時(1ms)，ΔI動作，DPU96保護分閘。di/dt保護和ΔI保護是直流接觸網(wǎng)末端短路的主保護。

6）接觸網(wǎng)熱過負荷保護

直流饋線開關設置有接觸網(wǎng)熱過負荷保護。由于1500V的直流供電系統(tǒng)的電流較大，如果供電導體長時間通過大電流，可能會因供電導體的機械強度降低而導致故障發(fā)生。DPU96通過連續(xù)檢測開關主電路中電流的大小和時間計算，判斷結果后發(fā)出報警，如果電流持續(xù)增大則DPU96保護分閘并閉鎖，經(jīng)過設定的冷卻時間后才可以重新合閘。

7）反向電流保護

直流進線開關設置有反向電流保護。對于進線開關，在其S7中檢測進線電流的方向及大小，一旦進線電流出現(xiàn)反向(即流入整流器方向)且大于所設定飄移值，則DPU96保護分閘，同時DPU96控制輸出，通過硬線觸點聯(lián)跳33kV整流變進線開關及另外一臺1500V進線開關。因此當一臺1500V直流進線開關發(fā)生反向電流保護時，整個牽引所會退出運行。從運營安全的角度出發(fā)，可以考慮在運營前甩開對另外一臺1500V進線開關的聯(lián)跳線路，減少故障影響范圍。

8）二極管逆流保護

廣州地鐵2號線1500V采用24脈波全波整流系統(tǒng)，在二極管整流器上裝設有逆流保護。其原理為：在整流器的每一個整流橋臂上都裝有1個穿心式電流互感器，如果整流橋臂內(nèi)的某個二極管反向擊穿，則在這個二極管支路的熔斷器開始熔斷的弧前時間和燃弧時間內(nèi)，將有故障電流流經(jīng)這個橋臂，接在電流互感器二次側(cè)的逆流保護單元就有信號輸出，向整流機組33kV進線開關保護裝置發(fā)出跳閘信號，33kV開關保護分閘，同時33kV保護控制輸出向1500V進線開關DPU96發(fā)跳閘信號，DPU96再保護分閘1500V進線開關。

9）框架保護

直流開關柜、整流器柜、回流柜設置有框架保護?？蚣鼙Ｗo分為電流型框架保護和電壓型框架保護。其原理為:負極柜的S7檢測框架與大地之間的電流和框架對負極的電壓，達到整定值則S7輸出控制，通過硬線觸點向本所所有1500V直流開關及鄰所相鄰1500V直流開關發(fā)出聯(lián)跳信號(脈沖寬度大于500ms)，每個直流開關的DPU96或S7收到信號后保護分閘同時閉鎖自動重合閘程序。

10）饋線開關聯(lián)跳鄰所功能及自動重合閘程序

當饋線開關DPU96檢測判斷發(fā)生大電流脫扣分閘、Imax保護、過電流保護、di/dt保護、ΔI保護或接觸網(wǎng)熱過負荷保護時，DPU96通過硬線觸點向鄰所饋線1500V直流開關發(fā)聯(lián)跳信號(設計整定脈沖寬度少于500ms)，聯(lián)跳鄰所饋線1500V直流開關；鄰所饋線開關DPU96檢測到聯(lián)跳信號后進行判斷，滿足條件則跳閘并進入重合閘程序，如果脈沖寬度大于500ms則跳閘后退出重合閘程序；供電分區(qū)兩端的饋線開關跳閘后，如果DPU96各自進入重合閘程序，則分別在85s內(nèi)測試3次合閘條件，滿足合閘條件則合閘，3次測試都不符合要求則DPU96退出重合閘程序。

31500V直流開關的運營故障分析

故障案例一

１）故障情況

2005年6月9日，越秀公園站214開關跳閘，DPU96顯示大電流脫扣保護動作，并聯(lián)跳與之形成雙邊供電的三元里站212開關。越秀公園214開關重合不成功，三元里站的212開關自動重合成功。其供電示意圖如圖１所示。

２）原因分析

由于三元里站212重合成功，表明故障點不在接觸網(wǎng)上。搶修人員在地鐵車輛上登乘時沒有發(fā)現(xiàn)接觸網(wǎng)有瞬時故障點，而214開關大電流脫扣保護動作，表明故障點在牽引變電所近端。檢查越秀公園站接觸網(wǎng)電纜和隔離開關沒有發(fā)現(xiàn)異常。將越秀公園214開關直流小車拉到試驗位，切除與三元里站聯(lián)跳電路，試合214開關發(fā)現(xiàn)開關合閘聲音異常，同時DPU96再次報大電流脫扣保護動作，214開關再次分閘，因此初步判斷故障點在開關本身內(nèi)。檢查214開關合閘線圈電阻為8Ω(標準Ω，20℃)，屬正常范圍內(nèi)。將214開關解體后，發(fā)現(xiàn)其驅(qū)動裝置拉動棘輪的軸脫出，導致214開關大電流脫扣分閘，而此軸脫出的原因是其固定工程塑料斷裂。

３）改進措施

對２號線全線1500V直流開關進行解體，檢查驅(qū)動裝置和大電流脫扣裝置機械傳動、受力部件，更換有類似異常現(xiàn)象的開關，防止故障再次發(fā)生。在日常檢查中加強對直流開關倉內(nèi)的溫度、濕度的測量，建立年度溫、濕度檔案。對驅(qū)動裝置中的工程塑料支架研究使用其他材料替代的可能性，尋找替代部件。

故障案例二

1）故障情況

2005年10月1日，海珠廣場站牽引所213開關跳閘重合成功，越秀公園站牽引所211開關跳閘后沒有重合，越秀公園至海珠廣場下行2A7區(qū)瞬時失電。圖2為其供電示意圖。

２）原因分析

故障發(fā)生后，檢查海珠廣場站213開關及越秀公園站211開關、海珠廣場至越秀公司下行接觸網(wǎng)設備、地鐵車輛，未發(fā)現(xiàn)異常。檢查海珠廣場站213開關及越秀公園站211開關DPU96，發(fā)現(xiàn)海珠廣場站213開關di/dt保護動作，分斷電流1600A，DPU96進入重合閘程序，第1次檢測后開關重合成功；越秀公園站211開關收到鄰所饋線開關聯(lián)跳信號，但DPU96閉鎖211開關，同時DPU96退出自動重合閘程序，因此越秀公園站211開關沒有進行重合。分斷電流1600A，基本可以排除接地故障改進措施

針對此次故障，在滿足安全和綜合考慮DPU96相關保護配合的條件下，采取適當提高海珠廣場站213開關DPU96di/dt保護整定值和時間的方法，以躲開此區(qū)段地鐵車輛取流的影響。到目前為止，海珠廣場站213開關沒有再出現(xiàn)di/dt保護報警或動作的情況。

4結論

①ΔI和di/dt是直流供電系統(tǒng)中具有自身特點的保護，其相關整定值的確定，要通過計算線路末端的短路電流及其變化率來確定。

②運營經(jīng)驗表明，ΔI和di/dt保護的最終整定，還必須考慮與地鐵車輛及運營的配合情況，如必須能夠躲過機車的啟動電流和沖擊電流對保護裝置的影響，與隧道線路狀況、列車運行圖充分結合，這樣才可以保證ΔI和di/dt保護的正確動作。

③對于饋線開關故障聯(lián)跳鄰所開關的信號，鄰所開關DPU96是通過輸入脈沖寬度來判斷故障類型的，一旦輸入電路出現(xiàn)卡滯不靈敏的情況，將導致鄰所開關DPU96退出重合閘程序，因此可考慮采用數(shù)字通信方式進行改進。

④直流開關投入使用2年后，應對直流開關本身進行拆解檢修，充分檢查開關內(nèi)部各部件的狀態(tài)，消除隱患。

⑤在運營時間，必須充分掌握直流開關高壓室的環(huán)境狀況，如溫度、濕度、灰塵等，建立檔案，保證直流開關有一個良好的運行環(huán)境。