基于西安地鐵鋼軌電位限制裝置的研究

陳 靜

（西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陜西 西安 710014）

基于西安地鐵鋼軌電位限制裝置的研究

陳 靜

（西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陜西 西安 710014）

鋼軌電位限制裝置是地鐵牽引供電系統(tǒng)的重要組成部分。本文以西安地鐵二號(hào)線的鋼軌電位限制裝置為例，詳細(xì)論述了其保護(hù)的種類、工作原理、各種保護(hù)的試驗(yàn)方法，并對(duì)兩次典型故障進(jìn)行了分析，詳細(xì)描述了其現(xiàn)象與處理過程。

鋼軌電位限制裝置；故障；保護(hù)；電壓

在地鐵直流牽引供電系統(tǒng)中，為了防止直流系統(tǒng)的回流無規(guī)則地流動(dòng)，鋼軌、直流開關(guān)柜等設(shè)備對(duì)地均采用絕緣方式安裝。由于回流鋼軌是回流電流的通路，而回流設(shè)備本身對(duì)地絕緣，如果回流不暢，就會(huì)引起回流鋼軌與大地之間產(chǎn)生超出安全許可的接觸電壓。在地鐵的實(shí)際運(yùn)行中，這種接觸電壓會(huì)危及地鐵設(shè)備及人員安全。這種情況下，就需要在回流鋼軌與大地之間安裝一套鋼軌電位限制裝置（也稱短路裝置），以限制鋼軌的電位，避免超出安全許可的接觸電壓發(fā)生。當(dāng)發(fā)生超出安全許可的接觸電壓時(shí)，此鋼軌電位限制裝置就會(huì)運(yùn)行，鋼軌與大地快速短接，從而保證人員和設(shè)備的安全。

1 保護(hù)種類與工作原理

以圖1為例：在正常情況下，直流接觸器Q11B1的觸頭是斷開的，同時(shí)晶閘管處于截止?fàn)顟B(tài)。

鋼軌與大地之間的電壓由電壓表檢測(cè)并顯示，而由電壓測(cè)量元件U＞、U＞＞、U＜和晶閘管模塊來判斷電壓并執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作。

1.1 裝置的保護(hù)種類

低電壓保護(hù)“U＜”、一段電壓保護(hù)“U＞”、二段電壓保護(hù)“U＞＞”、三段電壓保護(hù)“U＞＞＞”。

西安地鐵二號(hào)線鋼軌電位限制裝置的低電壓保護(hù)“U＜”、一段電壓保護(hù)“U＞”、二段電壓保護(hù)“U＞＞”均采用JY—3/1G型的電壓繼電器（背面接線圖參考圖2），圖紙上的編號(hào)為：K8H1、K8K1、K8L1。每個(gè)電壓繼電器6、8接線柱接于輔助電源DC110V，2、4接線柱接于鋼軌與系統(tǒng)大地，1、3接線柱是常開接點(diǎn)，5、7接線柱是常閉接點(diǎn)。

三段電壓保護(hù)U＞＞＞ 由電流型繼電器和晶閘管電路組成，與直流接觸器Q11B1的觸頭并接于鋼軌與系統(tǒng)大地。

1.2 裝置的保護(hù)種類

1）一段電壓保護(hù)“U＞”：運(yùn)行鋼軌與系統(tǒng)大地間的電壓值小于“U＞”設(shè)定值（90 V，通過電壓繼電器可以修改整定值），在這種情況下直流接觸器是斷開的，即主觸頭斷開。當(dāng)測(cè)得的該電壓大于或等于“U＞”，經(jīng)過一段設(shè)定（0.8秒）的延時(shí)后，該裝置直流接觸器閉合，將回流回路有效短接，“U＞動(dòng)作”、“合位指示”信號(hào)燈亮，合閘閉鎖計(jì)數(shù)器加1，動(dòng)作的延時(shí)確保在短期的允許電壓最大值下，防止脈沖電壓?jiǎn)?dòng)，確保直流接觸器動(dòng)作的正確性，不會(huì)發(fā)生不必要的短路，使接觸器合閘。10秒鐘（通過專用軟件，在程序中可以修改整定值）之后，LOGO程序發(fā)出直流接觸器斷開命令，“U＞動(dòng)作”信號(hào)燈滅。如果當(dāng)時(shí)的電壓值小于“U＞”的閾值，則鋼軌電位限制裝置經(jīng)過一段可調(diào)整的延時(shí)后再進(jìn)入正常狀態(tài)。如果電壓值又大于“U＞”，則鋼軌電位限制裝置再次動(dòng)作，使運(yùn)行鋼軌與系統(tǒng)大地發(fā)生短路。此過程一直持續(xù)到電壓又保持在許可范圍內(nèi)。一旦達(dá)到預(yù)設(shè)值（三次），短路裝置即會(huì)閉鎖。當(dāng)閉鎖時(shí)，需按復(fù)位按鈕將其復(fù)歸。

圖1 鋼軌電位限制裝置基本回路原理Fig.1 Basic circuit theory of rail potential limiting device

2）二段電壓保護(hù)“U＞＞”：測(cè)得的電壓值大于或等于U＞＞的閾值（150 V，通過電壓繼電器可以修改整定值），鋼軌與大地被無延時(shí)短接?！癠＞＞動(dòng)作”、“合位指示”、“閉鎖指示”信號(hào)燈亮，合閘閉鎖計(jì)數(shù)器加1，短路裝置即會(huì)閉鎖，需按復(fù)位按鈕將其手動(dòng)復(fù)歸。

3）電壓大于或等于U＞＞＞ ：如果電壓超過U＞＞＞大于600 V（通過電壓繼電器可以修改整定值）時(shí)，則晶閘管元件立即導(dǎo)通以抵消直流接觸器的機(jī)械延時(shí)，同時(shí)直流接觸器被激活，“U＞＞＞動(dòng)作”、“合位指示”、“閉鎖指示”信號(hào)燈亮，合閘閉鎖計(jì)數(shù)器加1，而閉鎖狀態(tài)繼續(xù)保持。閉鎖狀態(tài)需按復(fù)位按鈕將其手動(dòng)復(fù)歸。

4）低電壓保護(hù)U＜：如果24小時(shí)（通過專用軟件，在程序中可以修改整定值）內(nèi)檢測(cè)的電壓均小于2 V（通過電壓繼電器可以修改整定值），即判定鋼軌或鋼軌連接電纜被破壞，不能運(yùn)行列車，經(jīng)一段時(shí)間延時(shí)，系統(tǒng)報(bào)故障同時(shí)閉鎖輸出。但如果24小時(shí)無運(yùn)行車輛，運(yùn)行鋼軌與系統(tǒng)大地間的電壓值小于“U＜”設(shè)定值，也會(huì)出現(xiàn)這種現(xiàn)象。

“U＜”裝置動(dòng)作后需按復(fù)位按鈕將其手動(dòng)復(fù)歸。如果復(fù)歸不了，斷開該裝置電源或?qū)⒉僮鏖_關(guān)把手打向“U＞＞”一次，再手動(dòng)復(fù)歸就可以了。

2 故障現(xiàn)象與分析處理

故障1現(xiàn)象：2011年12月1日14:42 西安地鐵北客站牽混所2#鋼軌電位限制裝置“U＞動(dòng)作”，“閉鎖/復(fù)位”、“接觸器合位”、“裝置故障”指示燈亮，并上傳報(bào)文至SCADA。

圖2 軌電位JY—3/1G電壓檢測(cè)繼電器 U＞背面接線圖Fig.2 Rail potential JY—3/1G voltage monitoring relays U＞ wiring diagram of the back

故障發(fā)現(xiàn)處理：現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)：接觸器在合位，電流表有電流流過。合閘計(jì)數(shù)器加3；內(nèi)部U＞閉鎖計(jì)數(shù)加3。

用萬(wàn)用表測(cè)試圖1中LOGO A12C1的I1、I3有高電位存在，說明接觸器、K8H1接點(diǎn)閉合。I2、I4、I5、I6均為低電位。

短接圖1中LOGO A12C1的04接點(diǎn)，K14D1線圈受電，接觸器斷開，圖1中LOGO A12C1的04接點(diǎn)，所有與04接點(diǎn)有關(guān)的下面回路，確定正常工作。

經(jīng)對(duì)K8H1(JY—3/1G)電壓繼電器檢查，判斷該繼電器已故障，不能正常工作。

以圖2為例，說明對(duì)JY—3/1G電壓繼電器的檢查項(xiàng)目與標(biāo)準(zhǔn)。

1）對(duì)新的JY—3/1G電壓繼電器進(jìn)行外觀檢查，無機(jī)械損傷，正常。

2）用繼電保護(hù)校驗(yàn)儀輸出直流電壓加于繼電器的接線柱6、8，35 V繼電器動(dòng)作，30 V返回，直流電源回路啟動(dòng)正常。

3）用繼電保護(hù)校驗(yàn)儀輸出直流電壓110 V加于繼電器的接線柱6、8, 接線柱2、4間加到U＞動(dòng)作90 V，繼電器動(dòng)作，1、3接點(diǎn)閉合，84 V繼電器返回，返回系數(shù)為0.93，符合大于0.9的標(biāo)準(zhǔn)。

4）遙測(cè)繼電器絕緣電阻大于2 MΩ。

更換了新的K8H1 (JY—3/1G)電壓繼電器，2號(hào)鋼軌電位限制裝置就恢復(fù)了正常運(yùn)行狀態(tài)。

故障2現(xiàn)象：2012年1月6日，西安地鐵二號(hào)線北客站牽混所1、2號(hào)鋼軌電位限制裝置，出現(xiàn)連續(xù)多日直流接觸器閉合動(dòng)作，動(dòng)作時(shí)間大約是每天4:50。動(dòng)作后，出現(xiàn)“裝置故障”、“閉鎖/復(fù)位”、“接觸器合位”的指示燈亮，并上傳報(bào)文至SCADA。

故障分析處理：到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)查看設(shè)備，確認(rèn)接觸器在合位。電流表有電流流過。合閘計(jì)數(shù)器加1；內(nèi)部U＞閉鎖計(jì)數(shù)加1。2012年1月7日對(duì)該裝置進(jìn)行了一段電壓保護(hù)“U＞”、二段電壓保護(hù)“U＞＞”整組傳動(dòng)試驗(yàn)，保護(hù)裝置回路所有部件均正常。打開筆記本對(duì)LOGO程序進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)LOGO程序中“U＜”的延時(shí)B005的時(shí)間設(shè)置改為6小時(shí)，不符合設(shè)定的24小時(shí)。西安地鐵二號(hào)線大約22：50運(yùn)行車輛全部回庫(kù)，再無車輛運(yùn)行，到4:50剛好6小時(shí)無運(yùn)行車輛，運(yùn)行鋼軌與系統(tǒng)大地間的電壓值小于“U＜”設(shè)定值2 V，鋼軌電位限制直流接觸器合閘動(dòng)作，LOGO程序與實(shí)際故障現(xiàn)象相符。找出了故障原因是LOGO程序中“U＜”的延時(shí)B005的時(shí)間設(shè)置設(shè)定錯(cuò)誤。立即就將LOGO程序中控制器調(diào)整的B005的時(shí)間設(shè)置改為24小時(shí)，給1、2號(hào)鋼軌電位限制裝置重新輸入了LOGO程序，恢復(fù)了正常運(yùn)行狀態(tài)。 B005延時(shí)修改前、后顯示的邏輯圖如下(虛線上面)：

圖3 B005延時(shí)修改前的邏輯圖Fig.3 B005 logic diagram before delay modification

圖4 B005延時(shí)修改后的邏輯圖Fig.4 B005 logic diagram after delay modification

3 鋼軌電位限制裝置的試驗(yàn)

3.1 低電壓保護(hù)“U＜” 的整組傳動(dòng)試驗(yàn)

方法①：在PC中修改LOGO邏輯程序中參數(shù)B005為1分鐘，并上傳輸入至LOGO控制器中，或直接在LOGO控制器中修改LOGO邏輯程序中參數(shù)B005為1分鐘。等到1分鐘后，現(xiàn)場(chǎng)直流接觸器設(shè)備合閘，“U＜動(dòng)作”、“閉鎖/復(fù)位”、“接觸器合位”、“裝置故障”指示燈亮。合閘計(jì)數(shù)器加1；內(nèi)部“U＞”閉鎖計(jì)數(shù)加1。并上傳報(bào)文到SCADA。

方法②：短接電壓繼電器K8L1的接線柱1與3或在X3端子排上短接16號(hào)線與37號(hào)線即可。故障現(xiàn)象同方法①的故障現(xiàn)象。

3.2 一段電壓保護(hù)“U>” 的整組傳動(dòng)試驗(yàn)

方法①：將測(cè)試轉(zhuǎn)換開關(guān)快速轉(zhuǎn)向“U＞”測(cè)試并保持0.8秒?，F(xiàn)場(chǎng)直流接觸器設(shè)備合閘， “U＞動(dòng)作”、“接觸器合位”指示燈亮。10秒后，“U＞動(dòng)作”、“接觸器合位”指示燈滅，“接觸器分位” 指示燈亮。合閘計(jì)數(shù)器加1；內(nèi)部“U＞”閉鎖計(jì)數(shù)加1。并上傳報(bào)文到SCADA。6秒后可手動(dòng)操作，重復(fù)上述過程。但三次操作后，就出現(xiàn)“U＜動(dòng)作”、 “閉鎖/復(fù)位”、“接觸器合位”、“裝置故障”指示燈亮。并上傳報(bào)文到SCADA。

方法②：在鋼軌電位限制裝置內(nèi)，甩開接在運(yùn)行鋼軌、大地進(jìn)線的一次電纜，用升壓裝置向電壓繼電器接線柱2與4方向的線上加壓至90 V，或甩開一段電壓保護(hù)“U＞”繼電器和電壓表與鋼軌、大地一次電纜的二次線，在該二次線上加壓至90 V，故障現(xiàn)象同方法①的故障現(xiàn)象。

方法③：短接電壓繼電器K8H1的接線柱1與3或在X3端子排上短接16號(hào)線與34號(hào)線即可。故障現(xiàn)象同方法①的故障現(xiàn)象。

3.3 二段電壓保護(hù)“U>>” 的整組傳動(dòng)試驗(yàn)

方法①：將測(cè)試轉(zhuǎn)換開關(guān)快速轉(zhuǎn)向“U＞＞”測(cè)試并保持一段時(shí)間?，F(xiàn)場(chǎng)直流接觸器設(shè)備合閘，就出現(xiàn)“U＞＞動(dòng)作”、“閉鎖/復(fù)位”、“接觸器合位”、“裝置故障”指示燈亮。合閘計(jì)數(shù)器加1；內(nèi)部“U＞”閉鎖計(jì)數(shù)加1。并上傳報(bào)文到SCADA。

方法②：在鋼軌電位限制裝置內(nèi)，甩開接在運(yùn)行鋼軌、大地進(jìn)線的一次電纜，用升壓裝置向電壓繼電器接線柱2與4方向的線上加壓至150 V，或甩開一段電壓保護(hù)“U＞＞”繼電器和電壓表與鋼軌、大地一次電纜的二次線，在該二次線上加壓至150 V，故障現(xiàn)象同方法①的故障現(xiàn)象。

方法③：短接電壓繼電器K8K1的接線柱1與3或在X3端子排上短接16號(hào)線與35號(hào)線即可。故障現(xiàn)象同方法①的故障現(xiàn)象。

3.4 三段電壓保護(hù)“U>>>” 的整組傳動(dòng)試驗(yàn)

方法①：在鋼軌電位限制裝置內(nèi)，甩開接在運(yùn)行鋼軌、大地進(jìn)線的一次電纜，用升壓裝置向電壓繼電器接線柱2與4方向的線上加壓至600 V，或甩開一段電壓保護(hù)“U＞＞＞”繼電器和電壓表與鋼軌、大地一次電纜的二次線，在該二次線上加壓至600 V。就出現(xiàn)“U＞＞＞動(dòng)作”、“閉鎖/復(fù)位”、“接觸器合位”、“裝置故障”指示燈亮。合閘計(jì)數(shù)器加1；內(nèi)部“U＞”閉鎖計(jì)數(shù)加1。并上傳報(bào)文到SCADA。

方法②：短接電流繼電器K5E1的接線柱5與6或在X3端子排上短接16號(hào)線與36號(hào)線即可。故障現(xiàn)象同方法①的故障現(xiàn)象。

方法③：按下電流繼電器的測(cè)試動(dòng)作按鈕。故障現(xiàn)象同方法①的故障現(xiàn)象。

按下電流繼電器復(fù)位按鈕與面板復(fù)位按鈕才能進(jìn)行下一次試驗(yàn)。

3.5 發(fā)出“裝置故障”信號(hào)的試驗(yàn)

將LOGO控制器的參數(shù)B005設(shè)為00：01h，調(diào)節(jié)電壓繼電器（U＜）設(shè)定值為0 V,使其處于不動(dòng)作狀態(tài)；約1分鐘后，“裝置故障”指示燈亮起；直流接觸器閉合，“接觸器合位”指示燈亮起；閉鎖輸出，“閉鎖/復(fù)位”指示燈亮起。 恢復(fù)電壓繼電器、LOGO!控制器參數(shù)設(shè)定，手動(dòng)復(fù)位后恢復(fù)正常。

3.6 使直流接觸器閉合的方法

1）“U＜”、“U＞＞”、 “U＞＞＞”動(dòng)作后，可使直流接觸器閉合，且必須手動(dòng)復(fù)歸；

2）“U＞” 動(dòng)作后，可使直流接觸器閉合規(guī)定的時(shí)間（10秒），就自動(dòng)復(fù)歸；

3）斷開鋼軌電位限制裝置的直流控制電源，可使直流接觸器直接閉合。

4 西安地鐵二號(hào)線鋼軌電位限制裝置存在的問題

對(duì)于“U＞”、 “U＞＞”，從鋼軌電位限制裝置動(dòng)作后，查看動(dòng)作電壓值，往往最大電壓值小于整定值。使人誤認(rèn)為是鋼軌電位限制裝置發(fā)生了誤動(dòng)，其實(shí)是電壓繼電器的采樣速率大于電壓表的采樣速率。即有一個(gè)脈沖電壓信號(hào)時(shí)，電壓繼電器JY—3/1G檢測(cè)到了，而電壓表（XMA-ZV直流電壓顯示儀表，采樣速率10次/秒）沒有檢測(cè)到。

5 結(jié)束語(yǔ)

文中結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況闡述了鋼軌電位限制裝置的重要性。要確保鋼軌電位限制裝置的穩(wěn)定運(yùn)行，不但要有好的硬件設(shè)備，還要開發(fā)穩(wěn)定而過硬的軟件做邏輯保障；更重要的是要能夠掌握軟件的應(yīng)用。

[1]鄭瞳熾，張明銳.城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2007:44-48.

[2]何宗華.城市軌道交通工程設(shè)計(jì)指南[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1993:179-207.

[3]王曉保.鋼軌電位限制裝置與框架保護(hù)關(guān)系的分析[J].城市軌道交通研究，2004(6):56-58.

WANG Xiao-bao.Relation between Rail over-voltage Protection Device and Frame Protection[J].Urban Mass Transit, 2004(6): 56-58.

[4]田勝利.軌道交通直流框架保護(hù)與鋼軌電位限制裝置關(guān)系分析[J].現(xiàn)代城市軌道交通,2004(3):28-30.

TIAN Sheng-li.Analysis of Relation between DC Frame Protection and Rail Potential Limit Device [J].Modern Urban Transit, 2004(3):28-30.

[5]苗因山.軌電位限制裝置拒動(dòng)導(dǎo)致框架保護(hù)故障[J].都市快軌交通，2008，21(3):92-94.

MIAO Yin-shan.Frame Protection Beakdown Caused by Refusing Action of Rail Potential Limit Equipment[J].Urban Rapid Rail Transit, 2008，21(3):92-94.

[6]余夢(mèng)華.框架故障保護(hù)與軌電位限制裝置保護(hù)的配合[J].城市公共交通，2003(5):31-32.

YU Meng-hua.The Coordination between Frame Fault Protection and Rail Potential Limit Device[J].Urban Public Transport, 2003(5):31-32.

Research of rail potential limiting device based on Xi'an metro

CHEN Jing
（Xi’an Railway Vocational Technical & Institute,Xi’an 710014,China）

Potential limiting device rail is an important part of the metro traction power supply system. In this paper,the rail potential limiting device of Xi'an metro line two as an example, discussed in detail the protection type, working principle, various protection test method, and the two typical faults are analyzed, with detailed description of the phenomenon and process.

Rail potential limiting device；breakdown；protect；voltage

U284

A

1674-6236(2014)14-0084-04

2013-08-30 稿件編號(hào)：201308194

陳 靜（1979—），女，江蘇阜寧人，講師。研究方向：控制理論與控制工程。