論直流電源在牽引變電所安全運(yùn)行中的關(guān)鍵作用

李四旺 上海鐵路局調(diào)度所

在牽引變電所安全運(yùn)行過(guò)程中，直流供電系統(tǒng)有著關(guān)鍵的作用，提供牽引變電所內(nèi)的控制、保護(hù)、信號(hào)等二次回路的電源。直流裝置是否穩(wěn)定，直流回路是否安全，對(duì)牽引變電所的安全運(yùn)行有著十分重要的意義。

在運(yùn)行的牽引變電所中，由于忽視直流裝置的安全運(yùn)行，不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理直流系統(tǒng)出現(xiàn)的隱患和問(wèn)題，從而導(dǎo)致牽引變電所供電設(shè)備事故的事件屢有發(fā)生。因此，牽引變電所直流系統(tǒng)的安全問(wèn)題，應(yīng)當(dāng)引起牽引變電所運(yùn)行管理人員的高度重視。

1 直流電源故障案例

2007 年7 月，隴海線某牽引變電所發(fā)生嚴(yán)重供電設(shè)備事故。其主要原因是該牽引變電所直流電源裝置故障沒(méi)有及時(shí)發(fā)現(xiàn)，在所內(nèi)出現(xiàn)短路故障時(shí)保護(hù)裝置失去工作電源不能正常工作，故障電流沒(méi)有被及時(shí)切斷，從而致使?fàn)恳冸娝伨€斷路器、隔離開關(guān)、控制盤、保護(hù)盤、電流互感器等多種高低壓設(shè)備燒損，使得該牽引變電所退出運(yùn)行近半個(gè)多月。

2004 年5 月，京廣線某開閉所發(fā)生供電設(shè)備燒損事故，其原因是牽引變電所直流裝置故障沒(méi)有被及時(shí)發(fā)現(xiàn)。相鄰開閉所值班員誤將接地線掛在有電的隔離開關(guān)上，引起牽引供電高壓設(shè)備短路故障。由于牽引變電所保護(hù)裝置在供電系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí)直流電壓過(guò)低（當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)牽引變電所兩臺(tái)自用變都是由主變二次供電，沒(méi)有10 kV 自用變），保護(hù)裝置失效，沒(méi)能及時(shí)切斷短路故障，致使開閉所進(jìn)線隔離開關(guān)、斷路器、控制盤、保護(hù)盤、故標(biāo)盤等多種高低壓牽引供電設(shè)備燒損，開閉所退出運(yùn)行近一年。

以上兩起牽引供電設(shè)備大面積損壞都是由牽引變電所直流裝置回路故障引起的。事故不僅造成巨大的財(cái)產(chǎn)損失，還使相關(guān)牽引變電所、開閉所長(zhǎng)時(shí)間退出運(yùn)行，嚴(yán)重影響了正常的鐵路運(yùn)輸秩序。

2 牽引變電所直流裝置的現(xiàn)狀及缺陷

牽引變電所直流裝置的工作原理如圖1 所示。

圖1 牽引變電所直流裝置的工作原理圖

2.1 保護(hù)裝置直流電源的引入和分配

目前在我局管內(nèi)隴海線、京滬線各牽引變電所多采用南京自動(dòng)化有限公司生產(chǎn)的牽引變電所綜合自動(dòng)化系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱綜自系統(tǒng)）。該套綜自系統(tǒng)直流回路，沿用了我國(guó)常用的柜頂直流母線貫通的做法，將直流電源通過(guò)電纜接入電容器柜中空氣開關(guān)，然后通過(guò)空氣開關(guān)再接入柜頂直流母線，每個(gè)柜的直流電源再?gòu)墓耥斝∧妇€引入（如圖2）。

圖2 綜自柜直流供電回路接線示意圖

從圖2 可以看出，電容器柜兩個(gè)直流空氣開關(guān)就是整個(gè)綜自柜所有直流電源的總開關(guān)。生產(chǎn)廠家考慮到直流負(fù)荷的因素，使用了兩個(gè)空氣開關(guān)，并聯(lián)向直流母線供電。另外，從圖中看出，除了綜自盤本身的直流負(fù)荷外，接觸網(wǎng)兩個(gè)分相負(fù)荷開關(guān)（301、302）的直流電源也同樣由綜自盤頂小母線引出。

整個(gè)綜自盤上，每一套裝置都對(duì)應(yīng)一路直流空氣開關(guān)，每個(gè)裝置出現(xiàn)故障不會(huì)影響其他裝置的正常運(yùn)行。盤上的所有空氣開關(guān)容量都是6 A，每個(gè)空氣開關(guān)廠家都設(shè)有跳閘報(bào)警裝置。當(dāng)任意一路直流負(fù)荷發(fā)生短路故障造成空氣開關(guān)跳閘后，綜自后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)都會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

從綜自整個(gè)直流回路運(yùn)行情況來(lái)看，如果直流回路出現(xiàn)問(wèn)題，無(wú)論是綜自裝置出現(xiàn)問(wèn)題，還是任意一條直流回路出現(xiàn)問(wèn)題都會(huì)有跳閘報(bào)警。值班員或調(diào)度員可以根據(jù)報(bào)警及時(shí)查找每個(gè)直流回路，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理回路故障。

2.2 直流供電回路中存在的問(wèn)題

從直流盤的供電回路圖中我們可以看到每條饋出回路都單獨(dú)設(shè)立空氣開關(guān)，并且都帶有空開跳閘報(bào)警裝置，當(dāng)每條直流饋出回路出現(xiàn)短路跳閘后都會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。同樣，從綜自盤直流供電回路中我們同樣可以看到所有直流負(fù)荷也都單獨(dú)設(shè)立空氣開關(guān)，并且同樣帶有空開跳閘報(bào)警裝置，當(dāng)盤內(nèi)任意回路發(fā)生短路故障空開跳閘后也會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，表面上看整個(gè)直流供電回路都在可以監(jiān)控的范圍。

但是，在這個(gè)直流供電回路中存在著一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)，它就是電容器盤的兩個(gè)直流進(jìn)線并聯(lián)空氣開關(guān)。這兩個(gè)空氣開關(guān)安裝在綜自盤，直流盤監(jiān)控系統(tǒng)無(wú)法監(jiān)控它們。當(dāng)他們同時(shí)跳閘整個(gè)綜自盤所有直流電源都消失后，綜自監(jiān)控系統(tǒng)因?yàn)槭スぷ麟娫匆矡o(wú)法正常工作，同樣也不能監(jiān)控他們。因此，當(dāng)這個(gè)環(huán)節(jié)發(fā)生問(wèn)題后無(wú)論是直流盤監(jiān)控系統(tǒng)還是綜自盤監(jiān)控系統(tǒng)都不會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

實(shí)際上僅僅不能報(bào)警并不是問(wèn)題所在，關(guān)鍵在于一旦這兩個(gè)空氣開關(guān)同時(shí)跳閘，且又不能及時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，綜自盤直流電源失電將嚴(yán)重威脅牽引變電所安全運(yùn)行。電容器盤兩個(gè)進(jìn)線直流空氣開關(guān)同時(shí)跳閘，如果不報(bào)警且供電調(diào)度或值班人員沒(méi)有及時(shí)發(fā)現(xiàn)，這時(shí)牽引變電所內(nèi)所有保護(hù)裝置都將停止工作，正在向接觸網(wǎng)供電的牽引變電所將在完全沒(méi)有任何保護(hù)的情況下帶電運(yùn)行。這時(shí)一旦牽引供電回路發(fā)生短路故障，就會(huì)造成與前面兩起牽引供電設(shè)備事故一樣的嚴(yán)重后果，使?fàn)恳冸娝?、二次設(shè)備大量燒損，特別是在雷雨天氣雷電造成牽引供電回路短路的情況更容易發(fā)生。這種兩個(gè)直流空氣開關(guān)同時(shí)跳閘的現(xiàn)象，在目前運(yùn)行的牽引變電所中曾發(fā)生過(guò)不止一次。由于值班人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)，才沒(méi)有造成比較嚴(yán)重的后果。

從綜自盤直流母線饋出的各直流回路方面來(lái)看也有不妥之處。首先，用于綜自盤直流進(jìn)線的兩個(gè)空氣開關(guān)與各個(gè)盤每條直流饋出回路的空氣開關(guān)容量同為6 A，容量偏小，在正常情況下這兩個(gè)空氣開關(guān)就接近半負(fù)荷工作，當(dāng)出現(xiàn)短路情況時(shí)這兩個(gè)空氣開關(guān)隨時(shí)可能跳閘。另外，用于向接觸網(wǎng)分相無(wú)電區(qū)送電的分相電動(dòng)隔離開關(guān)電源也是從綜自盤直流母線上饋出，這樣當(dāng)分相電動(dòng)隔離開關(guān)在室外遭遇雷擊或絕緣擊穿時(shí)由于其端子箱接地電阻遠(yuǎn)比變電所地網(wǎng)接地電阻要大的多，勢(shì)必造成分相隔離開關(guān)機(jī)構(gòu)箱部分設(shè)備燒損，并由直流電纜將雷電或短路電流引入牽引變電所二次盤內(nèi)，造成綜自設(shè)備燒損。

近期發(fā)生在隴海線文莊牽引變電所網(wǎng)上分相隔離開關(guān)直流電源空氣開關(guān)與電容器盤兩個(gè)直流進(jìn)線空氣開關(guān)同時(shí)跳閘的現(xiàn)象就發(fā)生在雷雨天, 且不能排除兩個(gè)進(jìn)線電源空氣開關(guān)跳閘的情況是由于分相開關(guān)直流空氣開關(guān)跳閘引起的。這次空氣開關(guān)短路跳閘不僅使分相開關(guān)的跳位繼電器燒損，還造成綜自盤主變后備保護(hù)裝置燒損。

3 建議采取的防范措施

3.1 直流屏改進(jìn)

對(duì)現(xiàn)有南自廠直流供電回路電容器盤兩個(gè)進(jìn)線開關(guān)進(jìn)行改造，增大綜自電容器盤上兩個(gè)進(jìn)線直流開關(guān)的容量，用兩個(gè)40 A 空氣開關(guān)代替直流盤原來(lái)兩個(gè)6 A 的空氣開關(guān)，使該容量與直流盤饋出線空氣開關(guān)容量相同，這樣在綜自盤直流饋出回路出現(xiàn)短路故障時(shí)電容器盤的兩個(gè)進(jìn)線空氣開關(guān)就不會(huì)輕易跳閘。

另外，可以直接取消電容器盤兩個(gè)進(jìn)線直流空氣開關(guān)，用直流盤向綜自盤供電的空氣開關(guān)作為綜自盤的主供開關(guān)。這樣無(wú)論是直流盤上的空氣開關(guān)還是綜自盤上的直流空氣開關(guān)都有相應(yīng)的監(jiān)控裝置進(jìn)行監(jiān)控，消除了空氣開關(guān)跳閘不能報(bào)警的隱患，避免空氣開關(guān)跳閘不報(bào)警的現(xiàn)象發(fā)生，從而提高直流供電系統(tǒng)的安全可靠性。

3.2 分相負(fù)荷開關(guān)直流電源改進(jìn)

將兩臺(tái)接觸網(wǎng)分相負(fù)荷開關(guān)的直流電源改為直接從直流盤引出，將容易遭受雷擊的所外設(shè)備直流電源與保護(hù)裝置直流電源分開，從而保證保護(hù)電源相對(duì)單一，提高保護(hù)裝置電源的可靠性。

4 結(jié)論

綜上所述，牽引變電所直流電源裝置的可靠、穩(wěn)定，對(duì)牽引變電所的安全運(yùn)行有著舉足輕重的作用，在牽引變電所日常運(yùn)行、維護(hù)和設(shè)備檢修過(guò)程中都應(yīng)當(dāng)作為重點(diǎn)加以高度重視。只有保證牽引變電所直流電源的安全運(yùn)行，才能確保牽引供電系統(tǒng)安全運(yùn)行。