城市軌道交通直流系統(tǒng)多站逆流保護(hù)誤動(dòng)作故障分析

程小科

（重慶市軌道交通（集團(tuán)）有限公司，重慶 401120）

0 引 言

為保證城市軌道交通供電系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，變電所內(nèi)繼電保護(hù)設(shè)置較為復(fù)雜，線路及設(shè)備發(fā)生故障后大多觸發(fā)一到兩個(gè)變電所相關(guān)保護(hù)動(dòng)作，這樣能夠快速確定故障點(diǎn)；當(dāng)涉及幾個(gè)變電所保護(hù)動(dòng)作且無明顯故障點(diǎn)時(shí)，排查較為困難，重慶軌道交通某線路發(fā)生的多站逆流保護(hù)動(dòng)作是該類故障的典型案例，該案例的排查手段及解決措施可為城市軌道交通同行解決供電系統(tǒng)中保護(hù)誤動(dòng)作問題提供參考。

1 逆流保護(hù)的設(shè)置及原理

在每座牽引變電所會(huì)為城市軌道交通直流牽引系統(tǒng)設(shè)置兩套整流機(jī)組，正常運(yùn)行時(shí)兩套整流機(jī)組并列運(yùn)行。當(dāng)一套整流機(jī)組的整流器內(nèi)部或者整流器至直流正極進(jìn)線柜的連接電纜發(fā)生短路故障時(shí)，另一套整流機(jī)組或相鄰牽引變電所會(huì)向故障點(diǎn)反送故障電流，形成逆向電流。為保護(hù)設(shè)備和人身安全，在直流正極進(jìn)線柜內(nèi)設(shè)置逆流保護(hù)，達(dá)到快速切除故障的目的。逆流保護(hù)的原理是由分流器、電壓傳感器采集逆流信號(hào)，由控制器（PLC）進(jìn)行邏輯運(yùn)算。當(dāng)逆流保護(hù)裝置檢測(cè)到的故障電流大于整定值時(shí)，保護(hù)動(dòng)作出口，跳開兩套整流機(jī)組高壓側(cè)交流斷路器及低壓側(cè)直流母線進(jìn)線斷路器，當(dāng)直流母線進(jìn)線開關(guān)為隔離開關(guān)時(shí)，則跳開所有的直流饋線斷路器。逆流保護(hù)的接線原理圖如圖1所示。

圖1 逆流保護(hù)接線原理圖

2 逆流保護(hù)動(dòng)作過程與原因分析

2.1 逆流保護(hù)動(dòng)作現(xiàn)象

2021年9月，重慶市軌道交通某線路連續(xù)3 個(gè)牽引變電所先后頻發(fā)逆流保護(hù)動(dòng)作現(xiàn)象，動(dòng)作發(fā)生時(shí)間、地點(diǎn)無規(guī)律變化，甚至在整流機(jī)組空載運(yùn)行或不帶電情況下出現(xiàn)逆流保護(hù)動(dòng)作，故障信息統(tǒng)計(jì)如表1所示。

表1 逆流保護(hù)動(dòng)作故障統(tǒng)計(jì)表

2.2 逆流保護(hù)動(dòng)作過程分析

逆流保護(hù)的首次動(dòng)作發(fā)生在末端站牽引變電所，1#整流機(jī)組直流進(jìn)線柜內(nèi)發(fā)生逆流保護(hù)動(dòng)作后，經(jīng)檢查未發(fā)現(xiàn)異常，后恢復(fù)該所供電。隨后2#整流機(jī)組直流進(jìn)線柜內(nèi)發(fā)生兩次逆流保護(hù)動(dòng)作。其間中間牽引所也發(fā)生了逆流保護(hù)動(dòng)作。將末端牽引所退出運(yùn)行，運(yùn)行方式調(diào)整為前端牽引所越區(qū)大單邊供電，在該方式下運(yùn)行約15 分鐘，前端牽引所也發(fā)生逆流保護(hù)動(dòng)作，造成接觸網(wǎng)失電。為模擬故障現(xiàn)象，當(dāng)日夜間對(duì)故障區(qū)間按正常行車方式進(jìn)行動(dòng)車測(cè)試，結(jié)果未發(fā)生逆流保護(hù)動(dòng)作；對(duì)直流1 500 V 系統(tǒng)一次回路、避雷器、二次回路進(jìn)行檢查，對(duì)逆流保護(hù)功能進(jìn)行檢驗(yàn)，檢查結(jié)果均正常，排除設(shè)備自身問題。

次日采用示波器在線監(jiān)視直流進(jìn)線柜24 V 輔助電源、PLC 模擬量輸入信號(hào)。末端所2 小時(shí)內(nèi)持續(xù)出現(xiàn)37 次逆流保護(hù)動(dòng)作信號(hào)，圖2、圖3分別是示波器采集到的兩種波形。

圖2 示波器采集的波形1

圖3 示波器采集的波形2

分析示波器的波形數(shù)據(jù)，采樣回路有較高的尖峰信號(hào)，判斷存在外部干擾。在排查干擾源時(shí)發(fā)現(xiàn)，末端所正在對(duì)“地鐵鋼軌電位及雜散電流綜合治理研究”科研排流設(shè)備（以下簡(jiǎn)稱“科研設(shè)備系統(tǒng)排流柜”）進(jìn)行“手動(dòng)排流”測(cè)試，排流柜開通排流（IGBT 導(dǎo)通，排流脈寬在800～850（μs），IGBT 控制頻率為5 kHz）時(shí)采樣回路波形出現(xiàn)尖峰信號(hào)。圖4、圖5分別為科研系統(tǒng)排流柜開通前后在逆流保護(hù)控制器（PLC）模擬量輸入端捕捉的波形圖。

圖4 開通前波形

圖5 開通后波形

此次發(fā)生故障地鐵線路逆流保護(hù)整定值為-500 A、延時(shí)10 ms，通過分析連續(xù)逆流保護(hù)動(dòng)作的錄波波形，發(fā)生逆流保護(hù)的電流持續(xù)時(shí)間多為10～100 ms 之間，圖6、圖7為出現(xiàn)逆流保護(hù)動(dòng)作時(shí)的故障錄波波形。

圖6 末端所逆流保護(hù)動(dòng)作保護(hù)裝置錄波波形

圖7 中間所逆流保護(hù)動(dòng)作保護(hù)裝置錄波波形

通過對(duì)以上數(shù)據(jù)的分析可知，干擾逆向電流超過-500 A，持續(xù)時(shí)間在15～35 ms 之間，達(dá)到逆流保護(hù)動(dòng)作的條件，故造成跳閘。據(jù)統(tǒng)計(jì)重慶其他線路逆流保護(hù)定值動(dòng)作延時(shí)均設(shè)定為100 ms，發(fā)生故障的線路逆流保護(hù)動(dòng)作延時(shí)設(shè)定為10 ms，整定值延時(shí)時(shí)間偏短。

為驗(yàn)證直流開關(guān)柜進(jìn)線柜采樣回路的抗干擾能力，在電流采樣回路并聯(lián)一個(gè)不同品牌的變送器，接線原理如圖8所示。對(duì)科研系統(tǒng)排流柜進(jìn)行不同脈寬的“手動(dòng)排流”，使其產(chǎn)生干擾信號(hào)，如圖9所示，利用示波器捕捉兩個(gè)電流采樣回路的波形數(shù)據(jù)。

圖8 并聯(lián)新增電流采樣回路接線原理圖

圖9 科研系統(tǒng)排流柜通過“手動(dòng)排流”產(chǎn)生干擾信號(hào)

對(duì)比發(fā)現(xiàn)在同一干擾源下，兩個(gè)電流采樣回路的數(shù)據(jù)有明顯差異，如表2所示，新增的電流采樣回路在不同脈寬下均未觸發(fā)示波器錄波，而直流開關(guān)柜原有電流采樣回路絕大多數(shù)出現(xiàn)啟動(dòng)錄波現(xiàn)象，反映出直流開關(guān)柜設(shè)備本身存在抗干擾能力差的問題。

表2 兩個(gè)不同的電流采樣回路監(jiān)視的波形數(shù)據(jù)

2.3 原因分析

通過故障模擬、加掛示波器捕捉故障信號(hào)等一系列措施鎖定引起逆流保護(hù)誤動(dòng)作的原因?yàn)樽冸娝鶅?nèi)存在外部干擾信號(hào)，現(xiàn)場(chǎng)逆流保護(hù)的采樣回路分流器額定參數(shù)為4 000 A/ 60 mV，電壓傳感器輸入/輸出參數(shù)為± 90 mV/4～20 mA，即逆流保護(hù)控制器（PLC）模擬量輸入口有持續(xù)0.67 mA 電流輸入時(shí)（（20-4）÷2÷90×500÷4 000×60）會(huì)觸發(fā)保護(hù)動(dòng)作，加之該線路直流開關(guān)柜電流采樣回路抗干擾能力較差，保護(hù)延時(shí)設(shè)置偏小，出現(xiàn)外部干擾后，容易引起保護(hù)誤動(dòng)作?？蒲邢到y(tǒng)排流柜在開通IGBT 時(shí)產(chǎn)生高頻干擾信號(hào)，科研設(shè)備系統(tǒng)排流柜原理如圖10所示，該設(shè)備功率約為40 kW，當(dāng)其處于調(diào)制狀態(tài)時(shí)，會(huì)在牽引變電所負(fù)極疊加交變電壓，由于調(diào)制頻率5 kHz 會(huì)產(chǎn)生一個(gè)小容抗，并與整流器柜兩端并聯(lián)的10 μF 電容耦合引起逆流，通過實(shí)驗(yàn)室仿真驗(yàn)證，得知逆流在300 A左右。

圖10 科研系統(tǒng)排流柜示意圖

科研設(shè)備系統(tǒng)排流柜具有鋼軌電壓限制與雜散電流排流的功能，鋼軌電壓達(dá)到閾值后，系統(tǒng)根據(jù)電壓值控制IGBT的開通與關(guān)斷頻率。利用裝置內(nèi)部設(shè)置的電阻消耗鋼軌電壓，解決了在傳統(tǒng)鋼軌電位限制裝置中出現(xiàn)的頻繁動(dòng)作現(xiàn)象，同時(shí)根據(jù)鋼軌電壓值控制排流回路中的IGBT 啟動(dòng)排流；該裝置的IGBT 呈高頻方波通斷時(shí)，本所及相鄰所的鋼軌電壓與雜散電流系統(tǒng)的排流瞬態(tài)也隨之呈現(xiàn)高頻方波的通斷形式，電壓、電流的通斷變化在相應(yīng)區(qū)域產(chǎn)生磁場(chǎng)變化，并通過磁場(chǎng)與導(dǎo)線的耦合對(duì)所在區(qū)域內(nèi)的PLC 采樣回路、通信線路產(chǎn)生感應(yīng)電流、電位，造成采樣回路出現(xiàn)本文圖2、圖3波形中的尖端峰值，使保護(hù)誤動(dòng)作。在本故障中末端所雖未安裝科研設(shè)備系統(tǒng)，但該系統(tǒng)的排流柜通斷涉及本所及相鄰所鋼軌電位變化及雜散電流排流的變化，因此在本所及相鄰所產(chǎn)生電磁干擾，影響PLC 電流采樣，引起相鄰變電所逆流保護(hù)誤動(dòng)作。

3 解決措施

3.1 干擾源治理

如圖11所示，在科研設(shè)備系統(tǒng)排流柜內(nèi)增加電抗器、支撐電容和電阻器，使IGBT 調(diào)制時(shí)產(chǎn)生的交變電壓更平滑，通過增大回路的容抗，可以抑制逆流的產(chǎn)生，通過實(shí)驗(yàn)室仿真驗(yàn)證，得知逆流幾乎為零。仿真試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖12、圖13所示。

圖11 科研系統(tǒng)改造示意圖

圖12 改造前逆流仿真數(shù)據(jù)

圖13 改造后的逆流仿真數(shù)據(jù)

3.2 提高設(shè)備抗干擾能力

調(diào)整直流進(jìn)線柜逆流保護(hù)定值延時(shí)（由10 ms 調(diào)整到100 ms），躲過瞬間干擾的尖峰信號(hào)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)的波形及工況，考慮到電容對(duì)電壓信號(hào)有較好的抑制能力，利用電容的這一特性來減少外部干擾對(duì)變送器輸出信號(hào)的影響。為此在進(jìn)線柜、饋線柜電流采樣回路（變送器輸出回路）并聯(lián)220 nF 電容模塊。在進(jìn)線柜PLC 電流采樣、直流饋線保護(hù)電流采樣輸入側(cè)并聯(lián)電容，加強(qiáng)采樣的抗干擾能力，接線圖如圖14、圖15所示。同時(shí)進(jìn)行抗干擾能力測(cè)試，在采樣端加快速電脈沖群測(cè)試（試驗(yàn)電壓2 kV，脈沖頻率5 kHz 模擬干擾信號(hào)），由示波器抓取變送器輸出波形，抗干擾能力試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖16、圖17所示。

圖14 饋線柜在V16 輸入側(cè)并聯(lián)HCM 電容

圖15 進(jìn)線柜在PLC 輸入側(cè)并聯(lián)HCM 電容

圖16 未加電容前的電流采樣波形

圖17 加電容后的電流采樣波形

通過優(yōu)化電流采樣回路的抗干擾能力，對(duì)比前后的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，優(yōu)化后的電流采樣回路能夠有效抑制尖峰信號(hào)，抗干擾能力大大提升。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行觀察，在采取以上措施后，該線路沒有再出現(xiàn)逆流保護(hù)誤動(dòng)作的現(xiàn)象。

4 結(jié) 論

本文所述的故障案例為典型的電容耦合、區(qū)域內(nèi)電磁干擾相互疊加引起保護(hù)誤動(dòng)作現(xiàn)象，在處理該類故障時(shí)需要從系統(tǒng)角度出發(fā)進(jìn)行綜合分析，并制定排除干擾源、阻斷傳播路徑、對(duì)敏感設(shè)備加強(qiáng)抗電磁干擾能力等方面的防護(hù)措施，確保軌道交通牽引供電系統(tǒng)能夠安全穩(wěn)定地運(yùn)行。