北京地鐵大興線鋼軌電位限制裝置瞬動原因分析與優(yōu)化設(shè)計

李立勃

（石家莊市軌道交通有限責(zé)任公司，河北石家莊 050000）

1 供電系統(tǒng)概述

北京地鐵大興線全長21.8km，供電系統(tǒng)由10kV中壓環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)、動力照明配電系統(tǒng)和牽引供電系統(tǒng)三大部分組成。牽引供電系統(tǒng)如圖1所示，正常運(yùn)行方式為雙邊供電，故障運(yùn)行方式為單邊供電、大雙邊供電。各種運(yùn)行方式下，主回流均通過走行軌直接回流至負(fù)極。由于短路電流的存在，可能會引起回流回路和大地間產(chǎn)生超出安全許可的接觸電壓，因此，需要在車站回流軌（鋼軌）和接地端子之間裝設(shè)鋼軌電位限制裝置（OVPD）。此外，雜散電流通過排流柜收集，然后統(tǒng)一接至負(fù)極，從而保證對隧道和車站結(jié)構(gòu)及金屬管線的保護(hù)。

圖1 牽引供電系統(tǒng)簡圖

2 鋼軌電位限制裝置工作原理

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

鋼軌電位限制裝置系統(tǒng)構(gòu)成如圖2 所示，主要由復(fù)用開關(guān)、電壓測量元件、PLC邏輯控制模塊等組成。當(dāng)發(fā)生超出安全許可的接觸電壓時，此鋼軌電位限制裝置就將鋼軌與大地快速短接，使鋼軌電位下降，從而保證旅客和工作人員人身安全。

圖2 鋼軌電位限制裝置系統(tǒng)構(gòu)成示意圖

2.2 基本原理

鋼軌電位限制裝置工作原理如圖3所示。復(fù)用開關(guān)由晶閘管元件和接觸器組成，在正常情況下，直流接觸器的觸頭是斷開的，同時晶閘管處于截止?fàn)顟B(tài)；在軌道電位異常的情況下，可以將鋼軌與大地用等電位母線短接。鋼軌與大地之間的電壓由電壓表監(jiān)測并顯示，而電壓測量元件U＞、U＞＞、U＞＞＞判斷電壓是否超過設(shè)定值，進(jìn)而晶閘管模塊執(zhí)行相應(yīng)的動作。鋼軌電位限制裝置具有低電壓保護(hù)U＜、Ⅰ段電壓保護(hù)U＞、Ⅱ段電壓保護(hù)U＞＞、Ⅲ段電壓保護(hù)U＞＞＞共4種保護(hù)功能，其運(yùn)行狀態(tài)如下。

圖3 鋼軌電位限制裝置工作原理

2.2.1 電壓小于U＞

走行鋼軌與等電位母線間的電壓值小于電壓測量元件U＞ 的設(shè)定值，在這種情況下，直流接觸器處于斷開狀態(tài)，即主觸頭斷開。

2.2.2 電壓大于或等于U＞

測得的電壓值大于或等于電壓測量元件U＞的閾值，經(jīng)過一段設(shè)定的延時后，該裝置將回流回路有效短接，動作的延時確保在短期的允許電壓最大值下，不會發(fā)生不必要的短路。10s之后，直流接觸器再次直接斷開。

如果當(dāng)時的電壓值小于電壓測量元件U＞的閾值，則鋼軌電位限制裝置經(jīng)過一段可調(diào)整的延時后進(jìn)入正常狀態(tài)。如果電壓值再次大于U＞，則鋼軌電位限制裝置將又一次發(fā)生短路。

此過程一直持續(xù)到電壓再次保持在許可范圍內(nèi)或短路次數(shù)達(dá)到預(yù)定數(shù)字（可設(shè)）后。之后裝置閉鎖，閉鎖后需按復(fù)位按紐將其手動復(fù)歸。

2.2.3 電壓大于或等于U＞＞

測得的電壓值大于或等于電壓測量元件U＞＞的閾值，則鋼軌與大地?zé)o延時短接。短路裝置即刻閉鎖，需按復(fù)位按紐將其手動復(fù)歸。

2.2.4 電壓大于或等于U＞＞＞

測得的電壓值大于或等于電壓測量元件U＞＞＞的閾值，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，同時直流接觸器被激活，而閉鎖狀態(tài)繼續(xù)保持，閉鎖狀態(tài)需按復(fù)位按紐將其手動復(fù)歸。

鋼軌電位限制裝置的控制回路采用閉環(huán)原理，保證一旦控制電源發(fā)生故障，裝置會自動將鋼軌與大地有效連接。這樣，在控制電源發(fā)生故障時，人員及設(shè)施安全得到保障?？刂齐娫吹氖和ㄟ^遠(yuǎn)程信號傳遞。

直流接觸器一次、二次回路發(fā)生故障時，控制器將故障信號輸出，同時閉鎖合閘，需按復(fù)位按鈕將其手動復(fù)歸；若直流接觸器因故障不能閉合，在電壓大于Ⅲ段動作電壓設(shè)定值時，此功能由晶閘管元件執(zhí)行；若電壓小于低電壓保護(hù)設(shè)定值時，經(jīng)一段時間延時后，系統(tǒng)報故障同時閉鎖輸出，需按復(fù)位按紐將其手動復(fù)歸。

2.3 鋼軌電位限制裝置的保護(hù)定值

鋼軌電位限制裝置Ⅰ段動作值為90V，動作時間為0.8s，合閘后延時自動分閘時間為10s，連續(xù)動作 3 次閉鎖分閘；Ⅱ段動作值為150V，動作時間為0s；Ⅲ段動作值為600V，動作時間為0s。

3 鋼軌電位異常動作故障分析

3.1 故障現(xiàn)象

北京地鐵大興線自2010年12月30日開通以來，屢次出現(xiàn)鋼軌電位Ⅱ段保護(hù)多站同時動作的異?，F(xiàn)象，抽取2011年4月23日～27日故障出現(xiàn)時間統(tǒng)計如表1所示。

從故障現(xiàn)象可以看出鋼軌電位同一時刻瞬時抬高，且Ⅱ段保護(hù)同時動作；Ⅱ段保護(hù)動作的變電所范圍較大，但每次動作范圍不盡相同。

表1 故障出現(xiàn)時間統(tǒng)計表 ?????時?:?分?:?秒?毫秒

3.2 故障分析

與走行軌回流連接的電氣回路分別為回流主回路、排流回路、機(jī)車電氣回路、軌限位回路，對各回路分析如下。

3.2.1 回流主回路

此回路流通不暢將導(dǎo)致軌電位升高，根據(jù)2011年5月22日～23日對4號線和大興線牽引回路的電阻值抽查測試對比發(fā)現(xiàn)，大興線的回路電阻值與4號線沒有明顯的差異，回流主回路判定為通暢狀態(tài)。因此，走行軌回流不是導(dǎo)致軌電位升高的原因。回路電阻值如表2所示。

表2 4號線和大興線回路電阻值比較表 ?????mΩ?/?km

3.2.2 排流回路

排流回路的連接及投入與否，也會不同程度地導(dǎo)致軌電位升高。根據(jù)測算，當(dāng)極化電壓大于0.5V時，投入排流柜，一般軌電位會升高1倍。2011年5月將排流柜退出進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)軌電位動作的次數(shù)沒有明顯程度的下降。因此判斷排流回路也不是軌電位Ⅱ段異常動作的主要原因。

3.2.3 機(jī)車電氣回路

司機(jī)操作手法的不同以及機(jī)車電路的瞬時性故障均會導(dǎo)致軌電位升高。根據(jù)對故障時機(jī)車范圍的搜索，發(fā)現(xiàn)每次故障時，在線的列車并不相同，同時經(jīng)過對機(jī)車專業(yè)的確認(rèn)，排除了機(jī)車原因引起的軌電位升高。

3.2.4 軌限位回路

根據(jù)2011年9月10日19h24min，高米店南站軌電位動作時電流電壓錄制的波形（圖4）和電力監(jiān)控系統(tǒng)（SCADA）報文（表3）發(fā)現(xiàn)，Ⅰ段保護(hù)動作時，鋼軌對地電壓達(dá)到 90 V 時，電壓瞬間歸零，電流增大；Ⅱ段保護(hù)動作時，分流器兩端瞬間電流記錄值為40mV，按照60mV/1000A的變比計算，此時的電流值應(yīng)為666.7 A 左右。電壓瞬間增高到 260 V 左右，導(dǎo)致全線軌電位Ⅱ段保護(hù)動作。

圖4 9月10日高米店南站軌電位動作電流電壓波形圖

表3 高米店南站軌電位動作時的SCADA報文

3.3 故障原因

根據(jù)對故障的分析與查找，判定故障的原因?yàn)椋涸诘罔F運(yùn)行中，其中一站軌電位Ⅰ段保護(hù)動作后 10 s 分閘時，由于線路上有列車經(jīng)過，鋼軌電位限制裝置回路有大電流流向大地，此時分閘，產(chǎn)生過電壓，電壓數(shù)值達(dá)到Ⅱ段保護(hù)定值，從而將全線的軌電位瞬時抬高。由于每次Ⅰ段分閘時的電流大小不一，因此，影響的車站范圍也不一致。

4 優(yōu)化設(shè)計

圖5 鋼軌電位限制裝置優(yōu)化設(shè)計圖

根據(jù)大興線鋼軌電位限制裝置動作的原因，對軌電位回路進(jìn)行改造，如圖5 所示。在鋼軌限位裝置的分流器旁，并聯(lián)加裝毫伏電壓繼電器，繼電器接點(diǎn)串入原接觸器分閘回路內(nèi)。當(dāng)接觸器動作后，流過的回路電流較大時，毫伏電壓繼電器檢測到毫伏信號大于設(shè)定值從而動作，常閉接點(diǎn)打開，切斷接觸器線圈控制回路，從而閉鎖接觸器分閘，使鋼軌與大地保持接通狀態(tài)；當(dāng)電流小于一定的數(shù)值時，毫伏電壓繼電器檢測到毫伏信號小于設(shè)定值，繼電器失電返回，此時，繼電器常閉接點(diǎn)返回，接通線圈控制回路，從而避免產(chǎn)生將鋼軌電位抬高的異?，F(xiàn)象。閉鎖電流設(shè)定值為200 A。大興線自 2011年10月底全線采用優(yōu)化設(shè)計方案后，從根本上解決了軌電位Ⅱ段的異常動作現(xiàn)象。

5 結(jié)論

根據(jù)大興線鋼軌電位限制裝置II段動作異常的故障現(xiàn)象，可以判定，當(dāng)鋼軌電壓升高達(dá)定值時，在其動作合閘后延時分閘的時刻，線路上若存在負(fù)荷，將會造成全線鋼軌電位抬高的現(xiàn)象。因此，在鋼軌電位限制裝置的設(shè)計中應(yīng)充分考慮分閘時的閉鎖電流功能設(shè)計。通過對大興線的設(shè)計優(yōu)化實(shí)施，解決了大興線軌電位Ⅱ段動作的異常現(xiàn)象，提高了運(yùn)營效率，保證了運(yùn)營質(zhì)量。

[1]中鐵電氣化勘測設(shè)計研究院.北京地鐵大興線供電系統(tǒng)設(shè)計[G].2009.

[2]鎮(zhèn)江大全賽雪龍牽引電氣有限公司.DX線軌電位操作手冊[G].2009.

[3]中鐵電氣化勘測設(shè)計研究院.大興線繼電保護(hù)整定值[G].2009.

[4]GB50157-2013地鐵設(shè)計規(guī)范[S].

[5]GB50299-1999地下鐵道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范（2003修訂版）[S].