外部环境导致地铁出入段线直流开关电流保护动作

0引言

为确保直流牵引供电系统能够安全、可靠地向列车供电,《地铁设计规范》要求直流开关应设置电流变化率及其增量保护,对直流牵引馈线的短路故障及异常运行,应有选择地迅速切除故障,保证列车、设备和旅客的人身安全^[1]。

因此,运维人员掌握电流变化率及其增量保护动作原理和分析处理此类故障的能力至关重要。

1 典型故障案例

1.1 故障概况

某日航天东路变电所直流开关215跳闸,电流上升率保护ROR(近端)动作,上升率1196 A/ms、电流变化量3 339 A,后自动重合闸成功,造成入段线供电分区失电后瞬时恢复,车辆段、航天新城、航天东路、神舟大道钢轨电位限制装置均保护动作。

1.2 正线供电方式

地铁正线相邻牵引变电所之间的供电分区为双边供电。中间某个牵引变电所解列时,合上解列变电所的越区支援隔离开关进行双边供电;端头牵引变电所解列时,由相邻的正线牵引变电所进行单边供电。

1.3 出入段线供电方式

正常运行时,停车场/车辆段牵引变电所不向正线牵引网区域越区支援供电,停车场/车辆段出入场(段)线与正线的连接处设置电分段,停车场出入场线由靠近停车场的正线牵引变电所单边供电,车辆段出入段线由靠近车辆段的正线从接触网T接电压单边供电。

2研究ROR电流保护原理

ROR保护反映电流变化增量和电流变化率,由于其动作迅速、准确可靠,因此被广泛地应用在城轨交通牵引供电系统中^[2]。ROR保护的启动条件是电流变化率di/dt大于设定值,为防止保护受干扰而误动作,又增加了持续时间Δt,若经过设定时间后,电流增量ΔI大于设定值,且不满足返回条件,该保护动作,可靠地切断牵引网的故障。短路故障电流特性和故障距离密切相关,电流增量和电流变化率随故障距离的增大而逐渐减小。ROR保护可以扩大保护的范围,更加有效地保障牵引供电系统安全运行。

2.1 ROR近端电流保护

ROR近端INS的保护逻辑是尽早察觉严重短路问题,识别故障电流类型,快速切断故障电流^[3]。在电流变化率di/dt大于设定值di/dt—INS (E)时,保护启动,开始计时,电流增量ΔI超过设定值ΔIins且时间达到Tdon的情况下,保护使其相应的跳闸出口。如跳闸前电流变化率di/dt小于di/dt—INS(F),或在Tdon时间内未达到设定值ΔIins,保护复归,数据清零。

2.2 ROR远端电流保护

ROR远端DEL用来检测变电站较远距离的短路故障,电流变化率di/dt超过设定值di/dt—INS(F),保护启动,启动电流被视为检测初始数据,测定电流变化率di/dt等于设定值di/dt—INS(F)开始计时,当时间达到设定值Tdel时,如检测到电流增量ΔI大于设定值ΔIdel,保护跳闸出口。若在设定时间Tdel范围内,电流增量ΔI低于设定值ΔIdel,则保护复归,数据清零。

3原因分析

3.1直流开关故障报文及保护动作情况分析

经现场查看,电力监控后台机报“航天东路降压所直流馈线开关215电流上升率保护ROR(近端)动作”,如图1所示。

查看直流开关215保护装置,ROR近端电流保护启动,上升率1196 A/ms、电流变化量3 339 A,如图2所示。

核对航天东路变电所1 500 V直流开关柜保护定值,电流上升率为100 A/ms,电流变化量为3300 A(表1),故障值均大于保护设定值,开关保护正常动作。

3.2钢轨电位限制装置动作情况分析

1)钢轨电位限制装置I>>>保护。

当钢轨电位限制装置检测接地电流I大于设定值 时,I>>>动作,接触器瞬时闭合且闭锁,并在柜门指示灯显示I>>>脱扣,闭锁后只能人工复归。

2)钢轨电位限制装置U>>保护。

轨电位电压大于设定值U1时,延时时间T1后接触器闭合。电压消失后延时10s保护返回,接触器是否断开根据回路电流情况判断。

3)钢轨电位限制装置工作原理。

当供电分区无列车行驶,且牵引供电系统运行正常,钢轨对地电位为0 V;当供电分区有列车行驶或接触网发生短路故障,由于钢轨对地泄漏电阻存在,钢轨电位快速升高,当钢轨电位达到保护定值,钢轨电位限制装置迅速动作,将钢轨与地网短接,以降低钢轨电位,保护人身安全^[4]。

4)钢轨电位限制装置报文分析。

入段线2112双极隔离开关4A1供电分区侧的静触头与底座钢架短路瞬间,短路电流流向入段线2112双极隔刀底座接地点,车辆段地网电压整体提升。航天城车辆段检修库跟随所和航天新城牵混所离故障点较近,故障电流均由大地流向钢轨,再流向负极,航天城车辆段检修库跟随所3号钢轨电位限制装置日常合位,持续监测电流,最大电流为—2 076 A,大于动作整定值,钢轨电位限制装置I>>>保护动作。由于钢轨无法做到完全绝缘,钢轨与大地之间有泄漏电阻存在,造成航天新城牵混所钢轨电位为—227V,大于动作整定值,钢轨电位限制装置U>>保护动作。航天东路及神舟大道离故障点较远,故障电流由出入段钢轨流向航天东路及神舟大道钢轨,再流向负极,电流由钢轨流向大地,大于动作整定值,钢轨电位限制装置U>>保护动作,如表2所示。

电压型框架保护检测的是设备外壳对直流设备负极之间的电压,由于小电阻可忽略不计,设备外壳可认为直接接地,钢轨和负极母排相连,所以电压型框架保护检测的是钢轨和地之间的电压。负极柜电压型框架二段保护整定值为150 V,动作时间为0.6 S,钢轨电位限制装置U>>电压整定值为150 V,动作时间为0 S,如表3所示。正常情况下钢轨电位升高时,钢轨电位限制装置会先于电压型框架保护动作,使钢轨与地连通,仅当钢轨电位限制装置拒动时,电压型框架保护才会动作跳闸。

3.3入段线双极隔离开关检查

车辆段出入段线由航天东路变电所从接触网T接电源单边供电,航天东路变电所直流开关215从4A2供电分区取电,供给4A1入段线,车辆段接触网由车辆段牵混所单边进行供电。正常情况下入段线2112双极隔离开关分位,隔离开关静触头分别连接入段线接触网和钢轨,动触头分别连接车辆段接触网和钢轨,如图3所示。

当 日排查发现入段线33#支柱隔离开关底座有 长约5 cm铁丝,入段线2112双极隔离开关4A1供电分区侧底座和静触头侧绝缘子上方螺栓处均有短路灼烧痕迹,如图4所示,在线路周边区域及入段线区域未见其他异物及异常。

综上分析,本次航天东路降压所215开关跳闸的原因是鸟类在2112隔离开关底座搭建鸟窝过程中,将铁丝搭接在隔离开关静触头与底座之间,造成瞬时短路。

4 改进措施

4.1日常巡视认真,发现隐患

1)加强设备尤其是露天区段接触网支架、隔离开关底座、桥架等部位的日常巡视,注意大风、暴雪、冻雨等异常天气下对供电系统的隐患排查,避免场段周围防尘网固定不牢,鸟窝搭建,风筝、气球等异物侵限,影响接触网正常运行。

2)根据现场实际情况调整驱鸟刺的安装方式,一是保持驱鸟刺与带电体的安全距离并牢固安装,避免造成短路故障;二是根据现场情况调整驱鸟刺水平方向的辐射,保证能最大程度地覆盖,降低鸟窝搭建概率。

3)运维人员需增强对出入场(段)线与正线接驳处、航天新城折返线等咽喉区段的现场情况熟悉度,掌握航天东路站等特殊区段的供电分区设置,核查航天新城、神舟大道的直流系统定值匹配情况。

4)要熟练掌握航天新城、西安北站等特殊站点的现场情况,如供电分区设置、隔离开关位置等关键信息,定期开展故障应急演练,做好应急处置准备。

4.2做好航天东路解列预想

车辆段出入段线由航天东路变电所进行单边供电,若航天东路215开关短时无法合闸,合上入段线2112双极隔开,由车辆段牵引变电所单边支援供电,确保列车准点上线运行。

5 结束语

为解决地铁出入场(段)线变电所直流开关电流保护动作跳闸问题,研究电流变化率及增量保护原理,分析直流开关电流保护动作跳闸原因,总结故障处理思路,以提高供电运维人员故障处理效率,这对保障地铁安全运营具有重要意义。

[参考文献]

[1]王开康,吕意.地铁直流牵引供电系统接触网故障点测距方法[J].城市轨道交通研究,2022,25(7):222一224.

[2]李晴.地铁直流牵引供电系统模型及保护研究[D].西安:西安工业大学,2021.

[3] 天津保富电气有限公司.TracFeedDCP2 07BC直流线路保护测控装置技术说明书[Z].

[4]王沛沛.直流牵引供电系统新型钢轨回流方案及钢轨绝缘检测方法 [J].城市轨道交通研究 ,2023,26 (3):72-77.

《机电信息》2025年第12期第3篇