軌道交通直流斷路器故障跳閘案例分析

趙勝豪

(深圳市地鐵集團(tuán)有限公司運(yùn)營總部，廣東深圳518000)

?

軌道交通直流斷路器故障跳閘案例分析

趙勝豪

(深圳市地鐵集團(tuán)有限公司運(yùn)營總部，廣東深圳518000)

針對城市軌道交通供電設(shè)備直流斷路器自身故障引起相鄰直流開關(guān)保護(hù)跳閘，根據(jù)現(xiàn)場的故障數(shù)據(jù)判斷和對比，分析引起開關(guān)跳閘的相關(guān)原因，并提出了解決方法。

直流斷路器跳閘分析

在地鐵的供電系統(tǒng)中，由于1 500 V直流供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性直接影響到行車安全，所以直流開關(guān)斷路器設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行一直占據(jù)著重要的位置，而其開關(guān)柜本身的故障不僅會(huì)引起自身斷路器的跳閘，還會(huì)引起相鄰的直流開關(guān)柜保護(hù)動(dòng)作[1-2]。本文通過對實(shí)例的分析，和相關(guān)數(shù)據(jù)的對比，判斷出影響自身與相鄰直流斷路器正常運(yùn)行的相關(guān)原因，并對后續(xù)的處理和改進(jìn)措施提出方案。

1　現(xiàn)場供電設(shè)備故障現(xiàn)象

2012年8時(shí)00分05秒，深圳地鐵蛇口線黃貝嶺站213直流斷路器上升率延時(shí)保護(hù)跳閘、214直流斷路器電流速斷保護(hù)跳閘，新秀站211直流斷路器上升率延時(shí)保護(hù)跳閘、212上升率延時(shí)保護(hù)跳閘，后四臺(tái)直流斷路器重合閘成功。

1)此種特殊現(xiàn)象的出現(xiàn)極為罕見，因?yàn)楦鶕?jù)地鐵直流牽引供電系統(tǒng)要求[3]：為保證供電可靠性，采用雙邊供電，并通過相關(guān)保護(hù)的設(shè)定，繼電保護(hù)動(dòng)作值的大小，時(shí)間的長短，來區(qū)分遠(yuǎn)端和近端的故障種類，以便實(shí)現(xiàn)供電保護(hù)裝置的選擇性和速動(dòng)性[4-5]。也就是說：一個(gè)線路如果出現(xiàn)故障，如果兩端都設(shè)有保護(hù)裝置，那么只會(huì)引起兩端的保護(hù)動(dòng)作，而不會(huì)引發(fā)相鄰設(shè)備跳閘。在本案中黃貝嶺和新秀是相鄰兩站，因此黃貝嶺214與新秀212共同保護(hù)2×12接觸網(wǎng)線路,如果此線路發(fā)生短路，則黃貝嶺214與新秀212會(huì)共同迅速跳閘，而不會(huì)影響黃貝嶺213與新秀211斷路器狀態(tài)。

2)但以上相關(guān)故障報(bào)文和以下波形的分析，卻與地鐵供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)不符。

具體查找思路如下:首先采集了四臺(tái)直流斷路器保護(hù)裝置的故障錄波進(jìn)行分析,故障錄波(圖1、圖2、圖3、圖4)所示。

3)5月22日凌晨，變電專業(yè)搶修人員搶修組對地鐵黃貝嶺、新秀兩站跳閘直流斷路器的主觸頭及輔助觸頭的燒傷情況及上網(wǎng)電纜進(jìn)行了檢查測試，并核對了所有直流斷路器電流變送器，結(jié)果如下：

黃貝嶺站214柜對應(yīng)斷路器直流斷路器的電流變送器故障，測量電流值與實(shí)際電流值不符(后發(fā)現(xiàn)此變送器的故障才是整個(gè)事件的誘因)。當(dāng)即對故障電流變送器進(jìn)行更換并進(jìn)行了測試，電流測量值恢復(fù)正常。之后核對了黃貝嶺站所有直流開關(guān)柜的二次保護(hù)定值，并進(jìn)行了相應(yīng)的測試，均未發(fā)現(xiàn)異常。

4)新秀站211柜對應(yīng)的斷路器直流斷路器從分流器到電流變送器的二次采樣線極性取反，導(dǎo)致測量電流與實(shí)際電流值相反(此現(xiàn)象導(dǎo)致故障錄波中顯示的電流值仍然為正值，但并不是發(fā)生跳閘的原因)，經(jīng)過調(diào)整并進(jìn)行了測試，電流測量值恢復(fù)正常。之后核對了新秀站所有直流開關(guān)柜的二次保護(hù)定值，并進(jìn)行了相應(yīng)的測試。

5)設(shè)備啟動(dòng)的保護(hù)

供電設(shè)備啟動(dòng)了以下二次保護(hù)

①黃貝嶺站

黃貝嶺站214柜啟動(dòng)了電流速斷保護(hù)(保護(hù)定值為6 500 A)，213柜啟動(dòng)了上升率延時(shí)保護(hù)(保護(hù)定值為上升率為25 A/ms，電流變化量2 000 A)，由故障錄波可看出214柜故障電流值超過了6 500 A，且持續(xù)時(shí)間達(dá)到1 ms，故DCP保護(hù)裝置啟動(dòng)電流速斷保護(hù)；213柜保護(hù)動(dòng)作值為上升率超過了25 A/ms，電流變化量在50 ms內(nèi)達(dá)到2 233 A，故DCP保護(hù)裝置啟動(dòng)上升率延時(shí)保護(hù)。

②新秀站

新秀站211、212柜均啟動(dòng)了上升率延時(shí)保護(hù)(保護(hù)定值為上升率為25 A/ms，電流變化量2 000 A)，由故障錄波可看出211柜保護(hù)動(dòng)作值為上升率超過了25 A/ms，電流變化量在50 ms內(nèi)達(dá)到2 084 A，故DCP保護(hù)裝置啟動(dòng)上升率延時(shí)保護(hù)。212柜保護(hù)動(dòng)作值為上升率超過了25 A/ms，電流變化量在50 ms內(nèi)達(dá)到3 436 A，故DCP保護(hù)裝置啟動(dòng)上升率延時(shí)保護(hù)。

2　黃貝嶺213、214斷路器，新秀211、212斷路器跳閘原因分析及定值重新計(jì)算

1)經(jīng)過相關(guān)波形的分析和參數(shù)的對比，最后得出:由于黃貝嶺214直流斷路器電流變送器故障，導(dǎo)致所采集的電流值要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出實(shí)際一次電流值。經(jīng)確認(rèn)，在08∶00∶05時(shí)間點(diǎn)上，如圖5所示，在黃新下行線2×12段與2×13黃新下行線折返線上均有列車啟動(dòng)。也正是由于列車的啟動(dòng)電流瞬間加劇了保護(hù)的跳閘，在列車啟動(dòng)過程中，給2×12段接觸網(wǎng)供電的214直流斷路器上故障電流變送器所測得的電流值達(dá)到電流速斷保護(hù)動(dòng)作值6 500 A，觸發(fā)了DCP106保護(hù)裝置速斷保護(hù)動(dòng)作。由于214斷路器跳閘，導(dǎo)致同一供電臂上的新秀212斷路器負(fù)載電流瞬間升高，但此時(shí)2×13黃新下行線折返線上也有列車啟動(dòng)，新秀站整流機(jī)組負(fù)載較大，212斷路器部分負(fù)載電流由黃貝嶺站整流機(jī)組供給。

圖5　黃貝嶺213、214斷路器，新秀211、212斷路器跳閘電流趨勢圖

2)具體電流流向?yàn)椋贺?fù)載電流經(jīng)黃貝嶺213斷路器饋出至2S12段接觸網(wǎng)，電流經(jīng)新秀211斷路器直流斷路器反送給新秀直流開關(guān)柜主母排，再通過新秀212斷路器饋出到2×12段接觸網(wǎng)。在此過程中，流經(jīng)黃貝嶺213斷路器的電流為正向，上升率超過25 A/ms，且50 ms內(nèi)電流變化量達(dá)到2 233 A，引起上升率延時(shí)保護(hù)動(dòng)作；流經(jīng)新秀211斷路器的電流為反向，但由于新秀211斷路器的電流采樣線極性接反，所以故障錄波中顯示的電流值仍然為正值；新秀211斷路器上升率超過25 A/ms，且50 ms內(nèi)電流變化量達(dá)到2 084 A，引起了上升率延時(shí)保護(hù)動(dòng)作；流經(jīng)新秀212斷路器的電流為正向，上升率超過25 A/ms，且50 ms內(nèi)電流變化量達(dá)到2 937 A引起了上升率延時(shí)保護(hù)動(dòng)作。

3)此種故障的出現(xiàn)在國內(nèi)地鐵供電系統(tǒng)運(yùn)行中實(shí)屬罕見，屬于幾個(gè)故障的疊加后出現(xiàn)的現(xiàn)象。因此較為復(fù)雜現(xiàn)場難以迅速判斷。

為了實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能的選擇性后重新按照現(xiàn)場實(shí)際對ΔI+di/dt電流增量+電流變化率保護(hù)(ROR)進(jìn)行了定值計(jì)算：

在機(jī)車內(nèi)有濾波器，濾波器中電感、電容組成了諧波振蕩回路，震蕩周期為：

其中：L為濾波器總電感，L′為接觸網(wǎng)最大電感。

根據(jù)現(xiàn)場數(shù)據(jù)饋線瞬時(shí)(2 s)最大負(fù)荷電流：6 000 A；機(jī)車最大啟動(dòng)電流2 400 A；后引進(jìn)了新車型最大啟動(dòng)電流變?yōu)? 000 A。機(jī)車主回路濾波器參數(shù)：L=1.2 mH，C=4 500 μF，R=7.5 Ω。機(jī)車輔助回路濾波器參數(shù)：L=14 mH，C=460 μF。經(jīng)過計(jì)算后得出F=2 700 A，t=60 ms。DI_del的動(dòng)作電流值改為2 700 A，t_del動(dòng)作延遲60 ms可有效實(shí)現(xiàn)該保護(hù)的選擇性。

3　結(jié)論及后續(xù)改進(jìn)措施

1)經(jīng)過上述仔細(xì)分析得出：黃貝嶺214直流斷路器跳閘是由于電流變送器故障引起，并且配合著兩列地鐵列車的啟動(dòng)引發(fā)了瞬間的大電流，從而引起相鄰其它三臺(tái)斷路器的保護(hù)動(dòng)作跳閘。

2)根據(jù)此次故障分析，在上下行供電臂上供電的4臺(tái)直流斷路器發(fā)生某一臺(tái)直流斷路器本體故障跳閘時(shí)[6-7](如開關(guān)柜內(nèi)直流斷路器位置行程開關(guān)故障，DCP保護(hù)裝置由于無法監(jiān)測到斷路器直流斷路器位置導(dǎo)致跳閘)，可能出現(xiàn)其他3臺(tái)直流斷路器上升率延時(shí)保護(hù)動(dòng)作跳閘的隱患，在后續(xù)的工作中整定值進(jìn)行進(jìn)一步完善，并對末端站供電方式進(jìn)行全面充分論證，重新計(jì)算整定值的大小和時(shí)間，以確保裝置的選擇性功能實(shí)現(xiàn)。

3)根據(jù)地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范要求，為確保牽引供電可靠性而采用雙邊供電[8]，從一定程度上來說，也不可避免的涉及到了臨近保護(hù)裝置的動(dòng)作條件和選項(xiàng)，因此，作為這種特殊供電方式，一旦發(fā)生故障，必須從整體上來加以分析和判斷，來提高設(shè)備故障搶修的恢復(fù)速度。

4)在接觸網(wǎng)的同一供電區(qū)段內(nèi)，若在短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)兩輛/多輛列車相繼啟動(dòng)，第一輛列車啟動(dòng)引起電流上升率保護(hù)或定時(shí)限過流保護(hù)啟動(dòng)，而另一輛列車的啟動(dòng)恰巧引起電流上升率保護(hù)或定時(shí)限過流保護(hù)跳閘，這種可能性在理論上是存在的。至于解決的方案，英國ENOTRAC公司的觀點(diǎn)認(rèn)為，人工智能或神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)可能是最佳的解決辦法，具體的實(shí)施方法還需作進(jìn)一步研究。

Analysis of DC circuit breaker tripping cases in rail transit system

ZHAO Shenghao

For the DC circuit breaker tripping caused by its own malfunctions, we collected and compared malfunction data on site, analyzed the causes of the tripping, and put forward solutions.

DC circuit breaker，tripping，analysis

U279.3

A

1002-6886(2016)04-0076-04