區(qū)間牽引變電所設置鋼軌電位裝置問題分析

肖明輝

0 引言

在地鐵郊區(qū)線的建設過程中，常常會遇到車站間距大的情況?？紤]故障情況下牽引變電所的支援以及鋼軌回流、鋼軌電位等因素，一般要在長大區(qū)間設置區(qū)間牽引變電所。對于長大區(qū)間牽引變電所內是否設置鋼軌電位限制裝置，不同設計往往會給出不同方案。本文結合運營中出現(xiàn)的實際問題，具體分析有關故障，探討區(qū)間牽引變電所設置鋼軌電位限制裝置的必要性。

廣州地鐵四號線新造站和官橋站為相鄰2 座高架車站，2 個站間距約為6.3 km，在新造站和官橋站之間設置了新官區(qū)間牽引變電所，該區(qū)間牽引變電所中沒有設置鋼軌電位限制裝置。高架區(qū)間，在接觸軌與地之間設置避雷器，作為正極過電壓保護；在鋼軌與地之間設置避雷器，作為負極過電壓保護。

在運營過程中，新官區(qū)間牽引變電所至官橋站區(qū)間上行段接觸軌與地之間的直流避雷器爆炸，導致正極對地短路故障。出現(xiàn)正極對地短路故障后，官橋站直流開關柜保護裝置動作，而新官區(qū)間牽引變電所直流開關柜保護裝置沒有動作。根據(jù)對新官區(qū)間牽引變電所保護裝置的試驗，驗證新官區(qū)間牽引變電所設備均正常。有人認為新官區(qū)間牽引變電所直流開關柜保護裝置不動作的原因是未設置鋼軌電位限制裝置造成的。

1 故障分析

1.1 故障情況

新官區(qū)間牽引變電所—官橋站高架區(qū)間避雷器故障，形成正極對地短路，導致官橋站直流饋線開關211 的保護裝置SEPCOSΔI 保護動作跳閘。避雷器故障點里程為ZDK28+750，新官區(qū)間牽引變電所里程為ZDK26+667，官橋牽引變電所里程為ZDK29+800。新官區(qū)間牽引變電所距離故障點約2.083 km，官橋站距離故障點約1.05 km。

官橋站直流饋線開關 211 的保護裝置SEPCOSΔI 保護動作跳閘的故障錄波波形如圖1 所示，亦稱直流短路故障波形圖。

圖1 直流短路故障波形圖

經(jīng)查，新官區(qū)間牽引變電所開關213 保護整定值：DA（大電流脫扣整定值）為9 000 A；E（保護啟動值）為50 kA/s；F（保護返回值）為9 kA/s；ΔI（電流變化量定值）為6 000 A；ΔImin（最小電流變化量定值）為1 200 A；tΔI（最小電流變化量保護跳閘延時時間）為1 ms；T（保護延時時間常數(shù)）為80 ms。官橋站開關211 保護整定值：DA為9 000 A；E 為50 kA/s；F 為9 kA/s；ΔI 為4 000 A；ΔImin為1 200 A；tΔI為1 ms；T 為80 ms。

當新官區(qū)間牽引變電所—官橋站出現(xiàn)正極對地短路，短路電流通路如圖2 所示。

圖2 直流短路電流回路圖

1.2 官橋站保護裝置動作

由官橋站開關211 SEPCOS動作跳閘后錄波圖看出，在官橋站開關211 測得短路電流的初始值di/dt≈2 350 /5 = 470 A/ms，約在13 ms 達到ΔI 整定值，達到ΔI 定值（4 000 A）時的di/dt≈（4 000～3 775）/0.5 = 90 A/ms。

因為90 A/ms 大于F 值（9 kA/s），所以開關211 ΔI 保護出口；又因為電流最大值沒有達到9 kA，所以大電流脫扣保護裝置沒有動作。

因此，官橋站開關動作與設定是相符的。

1.3 新官所開關213 保護裝置不動作原因

新官區(qū)間牽引變電所距離故障點較遠，雖沒有設置鋼軌電位限制裝置，但通過官橋鋼軌電位限制裝置，估計初始di/dt 也會大于E 值（50 kA/s），ΔI 保護裝置起動。

但因距離較遠，所以di/dt 肯定比官橋站開關211 檢測到的值小，且其開關213 的ΔI 整定值為6 000 A，比官橋站設定的ΔI 高。

從官橋站開關211 的錄波圖中看出，當官橋站開關211 測得短路電流上升到6 000 A 時（短路約持續(xù)30 ms 時的時刻），di/dt 已→0，持續(xù)時間約12 ms，此持續(xù)時間大于tΔI，且逐漸減為負值，而此時官橋站開關213 側的電流一定沒到6 000 A（因為新官區(qū)間牽引變電所—故障點要比官橋所—故障點遠，所以官橋站相當于近端，電流上升得快），保護還沒有出口，而官橋站此時的di/dt 小于F（9 kA/S），且持續(xù)時間約12 ms 大于tΔI，因此，新官區(qū)間牽引變電所的開關213 的ΔI 保護返回。

根據(jù)波形，在短路發(fā)生后的約42 ms 時，電流重新上升。開關213 的ΔI 保護裝置也可能重新起動，但此時ΔI 的計算基值已不再是0，而是約42 ms時的電流值（I1，幾千安培為基準值），當電流再上升到I1+ 6 000 A 時，保護才能出口。而這時可能有以下幾種可能，而使得保護不能動作，又返回。

保護雖未返回，但在電流上升到I1+ 6 000 A之前或在（42 + 80）ms 之前，避雷器防爬器已經(jīng)動作，將故障隔離了。

因此，綜上，新官區(qū)間開關213 保護裝置未動作（應是第一次出口前返回了），另外，在防爬器動作之前，開關213 的電流肯定未達到9 000 A，大電流脫扣器也不動作。

1.4 設鋼軌電位限制裝置后開關213 動作分析

新官區(qū)間牽引變電所開關213 ΔI 保護裝置動作的條件是：在短路持續(xù)30 ms 之前（即di/dt 小于9 kA/s 之前），電流大于6 000 A。該點官橋站開關211 測得的電流為6 000 A，新官區(qū)間牽引變電所要比官橋站離故障點遠將近1 倍（1 km 左右），所以，此時新官區(qū)間牽引變電所開關213 測得電流肯定小于6 000 A，因此該保護裝置肯定不動作，新官區(qū)間牽引變電所即使增加鋼軌電位限制裝置，出現(xiàn)該類故障時新官區(qū)間牽引變電所開關213 也未必動作。

2 鋼軌電位限制裝置的設置

鋼軌電位限制裝置原理如圖3 所示。設置鋼軌電位限制裝置的目的是限制鋼軌與地之間的電位，以避免人員在軌道區(qū)域受到鋼軌與地之間高電位的傷害。其內設有電壓測量回路用來測量鋼軌和地之間的電位差，當鋼軌對地低電壓或者地對鋼軌電壓超過一定幅值時，鋼軌電位限制裝置動作。鋼軌電位限制裝置根據(jù)EN50122-1 標準設三段電位動作保護，當鋼軌與地之間的電位在90～120 V 時，接觸器延時1 s 合閘；當鋼軌與地之間的電位120～170 V 時，接觸器無延時合閘；當鋼軌電位限制裝置大于600 V 時，晶閘管在0.2 ms 內導通，加速鋼軌與地之間的短接。

圖3 鋼軌電位限制裝置原理圖

鋼軌電位限制裝置接通時，提供了負極與地之間的電流通路。但這只是牽引變電所中負極與地電流通路之一。排流柜也連通了負極與地。鋼軌電位限制裝置只是為保護軌道區(qū)域的人身安全才設置，對于不預留車站的區(qū)間牽引變電所，軌道區(qū)域在運營時是沒有人員的，可以不設置鋼軌電位限制裝置。至于負極與地之間的電流通路未必一定要通過設置鋼軌電位限制裝置才能實現(xiàn)。

在地鐵直流牽引供電系統(tǒng)中，鋼軌對地絕緣安裝，被用作直流牽引電流的負極回流通路。因此，鋼軌對地有時存在高電位，而列車與鋼軌之間是等電位的，當乘客站在站臺時，有可能通過列車車體接觸到這一高電位。特別是在站臺上安裝了站臺屏蔽門之后，由于站臺屏蔽門直接與鋼軌連接，更增加了乘客接觸鋼軌高電位的機會。為了保障乘客的安全，在鋼軌或負母排和地之間安裝了鋼軌電位限制裝置，當鋼軌電位超過預定的值時，鋼軌電位限制裝置將鋼軌電位鉗制到地電位。因此鋼軌電位限制裝置作為保護乘客安全設備，一般情況下，只在車站或者預留車站的變電所設置。

3 結束語

綜上所述，官橋所保護動作與設定相符。由于新官區(qū)間牽引變電所不是車站，對于包含范圍內正常的接觸網(wǎng)對鋼軌或者接觸網(wǎng)對接地扁鋼的金屬性短路，新官區(qū)間牽引變電所都能正常動作。本文所論述的新官區(qū)間牽引變電所問題，對于一般區(qū)間牽引變電所都是適用的。故，區(qū)間牽引變電所中可以不設置鋼軌電位限制裝置。如設置鋼軌電位限制裝置，只是在出現(xiàn)接觸網(wǎng)對地短路時，更有利于保護，但是否設置需根據(jù)具體情況確定。