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摘要：介紹廣州地鐵2號(hào)線1500V直流開關(guān)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，闡述了控制保護(hù)原理，舉2例分析有關(guān)運(yùn)營故障，并提出對(duì)應(yīng)措施，以確保地鐵接觸網(wǎng)供電系統(tǒng)的正常穩(wěn)定運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：1500V直流開關(guān)；控制保護(hù)；故障分析；廣州地鐵2號(hào)線

0引言

廣州地鐵2號(hào)線接觸網(wǎng)采用1500V直流雙邊供電系統(tǒng)。在牽引變電所（以下簡稱牽引所），通過干式整流器實(shí)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(guān)經(jīng)直流電纜輸送到接觸網(wǎng)上。廣州地鐵2號(hào)線采用江蘇長江電器集團(tuán)與瑞士SECHERON合資生產(chǎn)的1500V直流開關(guān)，饋線開關(guān)采用了SIEMENS公司的DPU96作測控保護(hù)單元，進(jìn)線開關(guān)及回流柜采用S7控制器。

11500V直流開關(guān)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1500V直流開關(guān)主要由上部連接、下部連接、驅(qū)動(dòng)裝置、合閘機(jī)構(gòu)、分閘機(jī)構(gòu)、大電流脫扣保護(hù)裝置、滅弧裝置以及分合閘位置輔助觸點(diǎn)組成。其中驅(qū)動(dòng)裝置和大電流脫扣保護(hù)裝置是1500V直流開關(guān)的核心部分。

驅(qū)動(dòng)裝置的作用是牽引棘輪拉動(dòng)動(dòng)觸頭使其與靜觸頭閉合，完成合閘。驅(qū)動(dòng)裝置由工程塑料支架、限位緩沖彈簧、分閘輔助彈簧、傳動(dòng)圓鋼組成。整個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置在合閘線圈鐵心的推動(dòng)下在受限范圍水平面內(nèi)沿導(dǎo)軌方向前后運(yùn)動(dòng)。合閘時(shí)鐵心推動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置往前運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)裝置牽引棘輪拉動(dòng)動(dòng)觸頭運(yùn)動(dòng)；驅(qū)動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)使分閘輔助彈簧壓縮；為避免鐵心向前使動(dòng)觸頭與靜觸頭發(fā)生猛烈沖擊而損壞，驅(qū)動(dòng)裝置運(yùn)行到限制位置后，限位緩沖彈簧受壓收縮產(chǎn)生與鐵心運(yùn)動(dòng)相向的力，吸收驅(qū)動(dòng)裝置的動(dòng)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(hù)裝置是直流開關(guān)上利用電磁力原理實(shí)現(xiàn)直流保護(hù)的一種裝置。有一個(gè)由硅鋼片疊成的磁扼垂直套在動(dòng)觸頭外側(cè)，只要開關(guān)回路中的電流達(dá)到整定值，磁扼中產(chǎn)生的磁場把銜鐵吸合下來，銜鐵帶動(dòng)連桿，連桿的運(yùn)動(dòng)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(dòng)觸頭在分閘彈簧作用下迅速彈開（這時(shí)合閘鐵心未動(dòng)）。DPU96根據(jù)輔助觸點(diǎn)的輸入和主電路電流電壓的測量值進(jìn)行運(yùn)算，輸出控制使合閘線圈失電、鐵心后退，驅(qū)動(dòng)裝置在分閘輔助彈簧作用下往回運(yùn)動(dòng)，DPU96發(fā)出大電流報(bào)警信息。大電流脫扣保護(hù)的整定值通過調(diào)整磁扼中的磁通路來實(shí)現(xiàn)。

21500V直流開關(guān)的控制保護(hù)

廣州地鐵2號(hào)線1500V直流開關(guān)采用西門子DPU96測控保護(hù)單元，實(shí)現(xiàn)對(duì)開關(guān)的控制、保護(hù)、測量及通信功能。

2.11500V直流開關(guān)的控制

1）在開關(guān)本體上直接分閘

打開1500V開關(guān)柜門，轉(zhuǎn)動(dòng)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(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)直接作用在大電流脫扣裝置上，使開關(guān)脫扣分閘。

2）當(dāng)?shù)匚环趾祥l

在1500V開關(guān)柜面板上用分合閘按鈕發(fā)觸發(fā)信號(hào)給本開關(guān)DPU96，經(jīng)DPU96運(yùn)算判斷后進(jìn)行分合閘。

3）遠(yuǎn)方位控制

牽引所內(nèi)4臺(tái)饋線直流1500V開關(guān)的DPU96、2臺(tái)進(jìn)線直流1500V開關(guān)及回流柜的S7各自通過通信模塊，以PROFIBUS總線協(xié)議構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)牽引所內(nèi)RTU進(jìn)行通信協(xié)議轉(zhuǎn)換后，實(shí)現(xiàn)牽混所（牽引所和降壓所的統(tǒng)稱，以下同）中央信號(hào)屏、牽混所監(jiān)控微機(jī)、OCC控制中心對(duì)1500V直流開關(guān)的分合閘，并取得開關(guān)保護(hù)、電流電壓量、操作記錄等數(shù)據(jù)。

2.21500V直流開關(guān)的保護(hù)

1）大電流脫扣保護(hù)

直流進(jìn)線、饋線開關(guān)設(shè)置大電流脫扣保護(hù)。大電流脫扣主要用于接觸網(wǎng)近端短路保護(hù)，它在1500V直流開關(guān)上利用電磁原理實(shí)現(xiàn)保護(hù)分閘。進(jìn)線開關(guān)整定值為12000A，饋線開關(guān)整定值為9000A。

2）Imax保護(hù)

直流饋線開關(guān)設(shè)置有Imax保護(hù)，即電流速斷保護(hù)。在DPU96中可設(shè)定Imax的整定值，只要DPU96檢測到開關(guān)主電路中電流大于此整定值則DPU96保護(hù)分閘。饋線開關(guān)整定值Imax=8000A。

3）過電流保護(hù)

直流饋線開關(guān)設(shè)置過電流保護(hù)。當(dāng)電流達(dá)到整定值3000A并持續(xù)30s后DPU96保護(hù)分閘。

4）di/dt保護(hù)

直流饋線開關(guān)設(shè)置有di/dt保護(hù)，即電流變化率保護(hù)。開關(guān)合閘后，測量裝置不斷檢測開關(guān)主電路中電流的變化率di/dt，當(dāng)di/dt≥24A/ms時(shí)發(fā)出報(bào)警，di/dt≥40A/ms時(shí)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(hù)分閘；如果30ms內(nèi)電流變化率低于40A/ms，則di/dt復(fù)零，中斷退出。

5）ΔI保護(hù)

直流饋線開關(guān)設(shè)置ΔI保護(hù)，即電流增量保護(hù)。在di/dt被觸發(fā)后（di/dt≥40A/ms）持續(xù)1ms，ΔI達(dá)到整定值4000A(饋線開關(guān))，經(jīng)過延時(shí)(1ms)，ΔI動(dòng)作，DPU96保護(hù)分閘。di/dt保護(hù)和ΔI保護(hù)是直流接觸網(wǎng)末端短路的主保護(hù)。

6）接觸網(wǎng)熱過負(fù)荷保護(hù)

直流饋線開關(guān)設(shè)置有接觸網(wǎng)熱過負(fù)荷保護(hù)。由于1500V的直流供電系統(tǒng)的電流較大，如果供電導(dǎo)體長時(shí)間通過大電流，可能會(huì)因供電導(dǎo)體的機(jī)械強(qiáng)度降低而導(dǎo)致故障發(fā)生。DPU96通過連續(xù)檢測開關(guān)主電路中電流的大小和時(shí)間計(jì)算，判斷結(jié)果后發(fā)出報(bào)警，如果電流持續(xù)增大則DPU96保護(hù)分閘并閉鎖，經(jīng)過設(shè)定的冷卻時(shí)間后才可以重新合閘。

7）反向電流保護(hù)

直流進(jìn)線開關(guān)設(shè)置有反向電流保護(hù)。對(duì)于進(jìn)線開關(guān)，在其S7（控制器）中檢測進(jìn)線電流的方向及大小，一旦進(jìn)線電流出現(xiàn)反向(即流入整流器方向)且大于所設(shè)定飄移值，則DPU96保護(hù)分閘，同時(shí)DPU96控制輸出，通過硬線觸點(diǎn)聯(lián)跳33kV整流變進(jìn)線開關(guān)及另外一臺(tái)1500V進(jìn)線開關(guān)。因此當(dāng)一臺(tái)1500V直流進(jìn)線開關(guān)發(fā)生反向電流保護(hù)時(shí)，整個(gè)牽引所會(huì)退出運(yùn)行。從運(yùn)營安全的角度出發(fā)，可以考慮在運(yùn)營前甩開對(duì)另外一臺(tái)1500V進(jìn)線開關(guān)的聯(lián)跳線路，減少故障影響范圍。

8）二極管逆流保護(hù)

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

9）框架保護(hù)

直流開關(guān)柜、整流器柜、回流柜設(shè)置有框架保護(hù)。框架保護(hù)分為電流型框架保護(hù)和電壓型框架保護(hù)。其原理為:負(fù)極柜的S7（控制器）檢測框架與大地之間的電流和框架對(duì)負(fù)極的電壓，達(dá)到整定值則S7輸出控制，通過硬線觸點(diǎn)向本所所有1500V直流開關(guān)及鄰所相鄰1500V直流開關(guān)發(fā)出聯(lián)跳信號(hào)(脈沖寬度大于500ms)，每個(gè)直流開關(guān)的DPU96或S7收到信號(hào)后保護(hù)分閘同時(shí)閉鎖自動(dòng)重合閘程序。

10）饋線開關(guān)聯(lián)跳鄰所功能及自動(dòng)重合閘程序

當(dāng)饋線開關(guān)DPU96檢測判斷發(fā)生大電流脫扣分閘、Imax保護(hù)、過電流保護(hù)、di/dt保護(hù)、ΔI保護(hù)或接觸網(wǎng)熱過負(fù)荷保護(hù)時(shí)，DPU96通過硬線觸點(diǎn)向鄰所饋線1500V直流開關(guān)發(fā)聯(lián)跳信號(hào)(設(shè)計(jì)整定脈沖寬度少于500ms)，聯(lián)跳鄰所饋線1500V直流開關(guān)；鄰所饋線開關(guān)DPU96檢測到聯(lián)跳信號(hào)后進(jìn)行判斷，滿足條件（聯(lián)跳脈沖寬度少于500ms）則跳閘并進(jìn)入重合閘程序，如果脈沖寬度大于500ms（框架保護(hù)動(dòng)作）則跳閘后退出重合閘程序；供電分區(qū)兩端的饋線開關(guān)跳閘后，如果DPU96各自進(jìn)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(guān)的運(yùn)營故障分析

3.1故障案例一

1）故障情況

2005年6月9日，越秀公園站214開關(guān)跳閘，DPU96顯示大電流脫扣保護(hù)動(dòng)作，并聯(lián)跳與之形成雙邊供電的三元里站212開關(guān)。越秀公園214開關(guān)重合不成功，三元里站的212開關(guān)自動(dòng)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(diǎn)不在接觸網(wǎng)上。搶修人員在地鐵車輛上登乘時(shí)沒有發(fā)現(xiàn)接觸網(wǎng)有瞬時(shí)故障點(diǎn)，而214開關(guān)大電流脫扣保護(hù)動(dòng)作，表明故障點(diǎn)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(guān)沒有發(fā)現(xiàn)異常。將越秀公園214開關(guān)直流小車?yán)皆囼?yàn)位，切除與三元里站聯(lián)跳電路，試合214開關(guān)發(fā)現(xiàn)開關(guān)合閘聲音異常，同時(shí)DPU96再次報(bào)大電流脫扣保護(hù)動(dòng)作，214開關(guān)再次分閘，因此初步判斷故障點(diǎn)在開關(guān)本身內(nèi)。檢查214開關(guān)合閘線圈電阻為8Ω(標(biāo)準(zhǔn)7.8Ω，20℃)，屬正常范圍內(nèi)。將214開關(guān)解體后，發(fā)現(xiàn)其驅(qū)動(dòng)裝置拉動(dòng)棘輪的軸脫出，導(dǎo)致214開關(guān)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(jìn)措施

對(duì)2號(hào)線全線1500V直流開關(guān)進(jìn)行解體，檢查驅(qū)動(dòng)裝置和大電流脫扣裝置機(jī)械傳動(dòng)、受力部件，更換有類似異常現(xiàn)象的開關(guān)，防止故障再次發(fā)生。在日常檢查中加強(qiáng)對(duì)直流開關(guān)倉內(nèi)的溫度、濕度的測量，建立年度溫、濕度檔案。對(duì)驅(qū)動(dòng)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。

3.2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(guān)跳閘重合成功，越秀公園站牽引所211開關(guān)跳閘后沒有重合，越秀公園至海珠廣場下行2A7區(qū)瞬時(shí)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(guān)及越秀公園站211開關(guān)、海珠廣場至越秀公司下行接觸網(wǎng)設(shè)備、地鐵車輛（故障時(shí)有一地鐵車輛在2A7區(qū)），未發(fā)現(xiàn)異常。檢查海珠廣場站213開關(guān)及越秀公園站211開關(guān)DPU96，發(fā)現(xiàn)海珠廣場站213開關(guān)di/dt保護(hù)動(dòng)作，分?jǐn)嚯娏?600A，DPU96進(jìn)入重合閘程序，第1次檢測后開關(guān)重合成功；越秀公園站211開關(guān)收到鄰所饋線開關(guān)聯(lián)跳信號(hào)，但DPU96閉鎖211開關(guān)，同時(shí)DPU96退出自動(dòng)重合閘程序，因此越秀公園站211開關(guān)沒有進(jìn)行重合。分?jǐn)嚯娏?600A，基本可以排除接地故障（接地故障經(jīng)驗(yàn)值在5000A以上)；在進(jìn)行海珠廣場站213開關(guān)DPU96二次保護(hù)校驗(yàn)后，排除二次保護(hù)設(shè)備故障的原因。根據(jù)上述檢查的結(jié)果，初步判斷213開關(guān)di/dt保護(hù)動(dòng)作的原因與地鐵車輛的取流狀態(tài)有關(guān)。對(duì)海珠廣場站213開關(guān)DPU96數(shù)據(jù)下載后進(jìn)一步分析，發(fā)現(xiàn)213開關(guān)di/dt保護(hù)報(bào)警的情況很多，2005年以來有141次報(bào)警，而同期全線其他牽引所開關(guān)di/dt保護(hù)報(bào)警最多的只有20次，其他的在10次以內(nèi)。因此最終判斷地鐵車輛在此區(qū)段取流變化存在著不同于其他區(qū)段的特點(diǎn)。在海珠廣場站213開關(guān)DPU96二次保護(hù)校驗(yàn)時(shí)，檢查越秀公園站側(cè)收到的聯(lián)跳信號(hào)，發(fā)現(xiàn)聯(lián)跳脈沖寬度有時(shí)出現(xiàn)大于500ms而海珠廣場站輸出端正常的情況。更換越秀公園站聯(lián)跳輸入繼電器后正常。

3）改進(jìn)措施

針對(duì)此次故障，在滿足安全和綜合考慮DPU96相關(guān)保護(hù)配合的條件下，采取適當(dāng)提高海珠廣場站213開關(guān)DPU96di/dt保護(hù)整定值和時(shí)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(guān)沒有再出現(xiàn)di/dt保護(hù)報(bào)警或動(dòng)作的情況。

4結(jié)論

①ΔI和di/dt是直流供電系統(tǒng)中具有自身特點(diǎn)的保護(hù)，其相關(guān)整定值的確定（如定值、持續(xù)時(shí)間或延時(shí)），要通過計(jì)算線路末端的短路電流及其變化率來確定。

②運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)表明，ΔI和di/dt保護(hù)的最終整定，還必須考慮與地鐵車輛及運(yùn)營的配合情況，如必須能夠躲過機(jī)車的啟動(dòng)電流和沖擊電流對(duì)保護(hù)裝置的影響，與隧道線路狀況（上下坡度、坡長等）、列車運(yùn)行圖充分結(jié)合，這樣才可以保證ΔI和di/dt保護(hù)的正確動(dòng)作。

③對(duì)于饋線開關(guān)故障聯(lián)跳鄰所開關(guān)的信號(hào)，鄰所開關(guān)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(dǎo)致鄰所開關(guān)DPU96退出重合閘程序，因此可考慮采用數(shù)字通信方式進(jìn)行改進(jìn)。

④直流開關(guān)投入使用2年后，應(yīng)對(duì)直流開關(guān)本身進(jìn)行拆解檢修，充分檢查開關(guān)內(nèi)部各部件的狀態(tài)，消除隱患。

⑤在運(yùn)營時(shí)間，必須充分掌握直流開關(guān)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(guān)有一個(gè)良好的運(yùn)行環(huán)境。

1500V直流供電系統(tǒng)在我國城市地鐵系統(tǒng)中已有一定范圍的應(yīng)用，深入分析1500V直流開關(guān)的控制保護(hù)原理，有針對(duì)性采取檢修措施和相關(guān)對(duì)策，積累相關(guān)的運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)，對(duì)確保地鐵接觸網(wǎng)供電系統(tǒng)的正常穩(wěn)定運(yùn)行具有重要的意義。

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