張目然 梁紹昌

(廣州市地下鐵道總公司 廣州 510030)

直流牽引系統(tǒng)雙邊聯(lián)跳功能優(yōu)化

張目然 梁紹昌

(廣州市地下鐵道總公司 廣州 510030)

針對(duì)廣州地鐵2號(hào)線直流饋線開關(guān)跳閘后異常閉鎖現(xiàn)象，結(jié)合聯(lián)跳保護(hù)的原理和特點(diǎn)，對(duì)聯(lián)跳信號(hào)的產(chǎn)生、傳遞、接收過程進(jìn)行深入的分析和嚴(yán)格的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，確定開關(guān)異常閉鎖的原因，提出通過外圍電路調(diào)整優(yōu)化雙邊聯(lián)跳功能的方案，取得較好的應(yīng)用效果。

廣州地鐵2號(hào)線;直流牽引;雙邊聯(lián)跳;自動(dòng)重合閘

2005年初—2008年底，廣州地鐵2號(hào)線共發(fā)生約30次直流饋線開關(guān)跳閘事件，其中4次出現(xiàn)被聯(lián)跳開關(guān)異常閉鎖的情況。這些跳閘事件的共同特點(diǎn)是:主跳開關(guān)跳閘后自動(dòng)重合成功，而被聯(lián)跳開關(guān)跳閘后閉鎖，保持分閘狀態(tài)。被聯(lián)跳開關(guān)的異常閉鎖，在一定程度上會(huì)誤導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)人員對(duì)故障的判斷，延誤供電時(shí)間的恢復(fù)，同時(shí)存在運(yùn)營安全隱患。若此時(shí)主跳開關(guān)出現(xiàn)合閘故障，則可能導(dǎo)致整個(gè)供電區(qū)失電，列車無法運(yùn)行。

筆者對(duì)此現(xiàn)象進(jìn)行了深入的分析和測(cè)試，提出了解決方法，并對(duì)2號(hào)線全線的雙邊聯(lián)跳功能進(jìn)行了優(yōu)化。

1 供電保護(hù)

1.1 供電方式

廣州地鐵2號(hào)線采用1 500 V直流牽引供電系統(tǒng)，雙邊供電方式，每一個(gè)接觸網(wǎng)分區(qū)都由相鄰兩個(gè)變電所對(duì)其供電。如圖1所示，AB段接觸網(wǎng)由A變電所214開關(guān)和B變電所213開關(guān)共同供電，BC段接觸網(wǎng)由B變電所214開關(guān)和C變電所213開關(guān)共同供電。

圖1 接觸網(wǎng)的雙邊供電方式

1.2 保護(hù)配置

根據(jù)GB 50157—2003《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》、GB 10411—89《地鐵直流牽引供電系統(tǒng)》等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，結(jié)合實(shí)際情況，廣州地鐵2號(hào)線直流1500 V饋線開關(guān)設(shè)置大電流脫扣保護(hù)(斷路器本體保護(hù))、di/dt+ΔI保護(hù)、過電流保護(hù)、熱過負(fù)荷保護(hù)和雙邊聯(lián)跳保護(hù)。變電所1500 V直流設(shè)備設(shè)一套框架泄漏保護(hù)，安裝于負(fù)極柜內(nèi)。

2 雙邊聯(lián)跳

2.1 基本原理

雙邊聯(lián)跳保護(hù)是直流牽引系統(tǒng)雙邊供電方式配備的后備保護(hù)，主要用于切斷遠(yuǎn)距離小電流故障，以確保接觸網(wǎng)發(fā)生短路故障時(shí)該區(qū)段供電的兩路饋線均斷開。

在發(fā)生短路故障時(shí)，若短路電流較大，則兩路饋線開關(guān)可能同時(shí)跳閘;若短路電流較小，則短路點(diǎn)近端饋線開關(guān)可能先跳閘(該開關(guān)稱為“主跳開關(guān)”)，并發(fā)出指令聯(lián)跳另一饋線開關(guān)(該開關(guān)稱為“被聯(lián)跳開關(guān)”)。主跳開關(guān)根據(jù)保護(hù)類型，判斷是否啟動(dòng)自動(dòng)重合閘;被聯(lián)跳開關(guān)分閘后即進(jìn)入自動(dòng)模式，啟動(dòng)自動(dòng)重合閘功能。

假設(shè)雙邊供電系統(tǒng)故障點(diǎn)在AB段的F點(diǎn)(靠近A端)，如圖1所示。在正常供電模式下，短路瞬間近端A所214開關(guān)因大電流脫扣或速斷等保護(hù)跳閘，同時(shí)發(fā)聯(lián)跳信號(hào)給B所213(B所213也可能因檢測(cè)到故障電流而跳閘，但電流保護(hù)啟動(dòng)的可能性隨著故障點(diǎn)距離的增加而減小)。在特殊供電模式下(如B所全所退出)，B所越區(qū)隔離開關(guān)2133閉合，由A所214和C所213同時(shí)為AB、BC段的接觸網(wǎng)供電，供電距離增加。若F點(diǎn)出現(xiàn)短路故障，則C所213開關(guān)流過的短路電流可能不足以令開關(guān)跳閘，此時(shí)雙邊聯(lián)跳功能更加明顯，A所214開關(guān)跳閘，聯(lián)跳C所213。

2.2 功能實(shí)現(xiàn)

廣州地鐵2號(hào)線直流1 500 V饋線開關(guān)柜采用DPU96數(shù)字控制保護(hù)單元。該裝置以微處理器為基礎(chǔ)，用于避免直流開關(guān)設(shè)備和接觸網(wǎng)設(shè)備出現(xiàn)過負(fù)荷和短路的情況;根據(jù)電流的變化，在達(dá)到最大短路電流之前檢測(cè)出短路的發(fā)生，啟動(dòng)相應(yīng)的保護(hù)來跳開開關(guān)，切除故障回路，保護(hù)供電設(shè)備的安全。

雙邊聯(lián)跳功能的二次原理如圖2所示。其中，-F51是DPU96裝置的輸入輸出接點(diǎn)，-K18是聯(lián)跳發(fā)送繼電器，-K101是接收繼電器，-K02是分合閘接觸器，-Q0是斷路器。

圖2 雙邊聯(lián)跳功能二次原理

以本所饋線開關(guān)跳閘聯(lián)跳的鄰所相關(guān)開關(guān)為例。本所開關(guān)DPU96保護(hù)單元檢測(cè)到短路電流，并啟動(dòng)相應(yīng)保護(hù)，跳開本所斷路器，DPU96同時(shí)發(fā)聯(lián)跳信號(hào)，使-K18繼電器得電，其常開觸點(diǎn)閉合導(dǎo)致鄰所-K101繼電器得電，-K101繼電器的常閉觸點(diǎn)21～22斷開，鄰所開關(guān)跳閘，-K101的常開觸點(diǎn)13～14閉合，將聯(lián)跳信號(hào)傳遞給鄰所DPU96。

在外部條件均滿足時(shí)，被聯(lián)跳開關(guān)僅根據(jù)聯(lián)跳信號(hào)的脈寬決定是否進(jìn)入重合閘檢測(cè)程序。當(dāng)DPU96接收的聯(lián)跳信號(hào)小于時(shí)間T時(shí)，判斷為雙邊聯(lián)跳信號(hào)，正常進(jìn)入重合閘程序;當(dāng)脈沖信號(hào)大于時(shí)間T時(shí)，判斷為聯(lián)跳閉鎖信號(hào)，閉鎖重合閘功能。根據(jù)DPU96裝置說明書的規(guī)定，時(shí)間T=500 ms。

3 閉鎖原因

根據(jù)2005—2008年間直流開關(guān)異常閉鎖現(xiàn)象及雙邊聯(lián)跳原理的分析，被聯(lián)跳開關(guān)將一般雙邊聯(lián)跳信號(hào)誤判為閉鎖信號(hào)可能出現(xiàn)問題的環(huán)節(jié)有3個(gè)，即聯(lián)跳信號(hào)產(chǎn)生、傳遞和接收。針對(duì)以上3個(gè)環(huán)節(jié)，筆者會(huì)同相關(guān)技術(shù)人員進(jìn)行了測(cè)試分析。

3.1 聯(lián)跳信號(hào)產(chǎn)生

3.1.1 測(cè)試過程

在檢測(cè)不同類型保護(hù)動(dòng)作時(shí)，DPU96產(chǎn)生聯(lián)跳信號(hào)的脈寬。測(cè)試儀器采用 CSH:1型電池盒、NECRT3200-N波形記錄儀。測(cè)試方法:模擬短路電流，分別觸發(fā)di/dt+ΔI、過電流、Imax保護(hù)或操作1 500 V斷路器小車緊急分閘把手，以模擬大電流脫扣保護(hù)。通過波形記錄儀，監(jiān)測(cè)DPU96發(fā)出的聯(lián)跳信號(hào)脈寬。測(cè)試點(diǎn)在圖2中的A點(diǎn)。

3.1.2 測(cè)試結(jié)果

通過對(duì)單臺(tái)DPU96裝置不同保護(hù)下聯(lián)跳脈寬的測(cè)量及不同DPU96裝置的對(duì)比，得出以下結(jié)果(測(cè)試數(shù)據(jù)見表1)。

表1 DPU96聯(lián)跳信號(hào)脈寬(發(fā)送) ms

1)di/dt+ ΔI、過電流、Imax保護(hù)聯(lián)跳脈寬基本在295 ms，大電流脫扣保護(hù)聯(lián)跳脈寬約292 ms。

2)DPU96產(chǎn)生的聯(lián)跳脈沖寬度穩(wěn)定。同種類型保護(hù)發(fā)送的聯(lián)跳脈沖寬度相對(duì)于平均值的最大誤差為0.25%，平均在 0.1%。

3)DPU96裝置的個(gè)體差異不大，不同DPU96裝置聯(lián)跳脈寬測(cè)試符合以上結(jié)果。

3.2 聯(lián)跳信號(hào)傳遞

3.2.1 測(cè)試過程

對(duì)DPU96聯(lián)跳信號(hào)傳遞過程中的關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，分析傳輸特性，繪制雙邊聯(lián)跳信號(hào)時(shí)序圖;測(cè)試線路距離對(duì)信號(hào)傳遞的影響。測(cè)試儀器采用CSH-1型電池盒、NEC-RT3200-N波形記錄儀。測(cè)試方法:在雙邊聯(lián)跳回路中，用波形記錄儀同時(shí)監(jiān)測(cè)相關(guān)繼電器動(dòng)作情況，通過多次測(cè)量，計(jì)算平均值;在正線選取不同間距的站點(diǎn)，測(cè)試聯(lián)跳信號(hào)發(fā)送和接收的脈寬。測(cè)試點(diǎn)分別在圖2中的A～F點(diǎn)和C點(diǎn)。

3.2.2 測(cè)試結(jié)果

1)雙邊聯(lián)跳信號(hào)時(shí)序見圖3。由圖可知:保護(hù)動(dòng)作后DPU96發(fā)出聯(lián)跳信號(hào)，-K18線圈得電(A點(diǎn)測(cè)試);9 ms后K18常開觸點(diǎn)11～14、21～24閉合，-K101得電(B點(diǎn)測(cè)試);經(jīng)24 ms延時(shí)，-K101常閉觸點(diǎn)21～22斷開，-K02接觸器失電(D點(diǎn)測(cè)試);經(jīng)10 ms延時(shí)后，-K02常開觸點(diǎn)1～2斷開(E點(diǎn)測(cè)試)，-Q0失電;57 ms后，斷路器分位信號(hào)反饋給DPU96(F點(diǎn)測(cè)試);-K101得電后，經(jīng)29 ms延時(shí)，其常開觸點(diǎn)13～14閉合(C點(diǎn)測(cè)試)，DPU96接收到鄰所的聯(lián)跳信號(hào)。

圖3 雙邊聯(lián)跳信號(hào)時(shí)序

2)DPU96發(fā)出聯(lián)跳信號(hào)脈寬295 ms，經(jīng)-K18、-K101等繼電器后，到達(dá)DPU96接收端時(shí)約276.5 ms。

3)傳輸距離對(duì)聯(lián)跳信號(hào)無明顯影響。2號(hào)線相鄰變電所間線路距離為2～3 km，越區(qū)供電時(shí)最長在5 km左右。以圖1為例，分別在A、B、C所進(jìn)行測(cè)試，A、B所間距約3 km，A、C所間距約5 km。由測(cè)試數(shù)據(jù)(見表2)可知:

(1)線路距離3 km時(shí)，B所213接收聯(lián)跳脈寬平均值為 276.5 ms，A 所214 為278.3 ms，相差1.8 ms;線路距離5 km時(shí)，C所213接收聯(lián)跳脈寬平均值為279 ms，A 所為 276.4 ms，相差 2.6 ms。

(2)A所214接收來自3 km外的聯(lián)跳脈寬約278.3 ms，5 km 外的約276.4 ms，相差1.9 ms，考慮繼電器及DPU96裝置的個(gè)體差異，則線路距離對(duì)DPU96聯(lián)跳信號(hào)傳輸?shù)挠绊懣梢院雎浴?/p>

表2 不同線路距離DPU96接收脈寬 ms

3.3 聯(lián)跳信號(hào)接收

3.3.1 測(cè)試過程

測(cè)試聯(lián)跳接收信號(hào)的脈寬與斷路器閉鎖的關(guān)系，測(cè)試儀器采用CSH-1型電池盒、NEC-RT3200-N波形記錄儀。測(cè)試方法:如圖4所示，利用時(shí)間繼電器-SJ(Siemens 3RP1525-1AP30，100～500 ms)調(diào)節(jié)24 V信號(hào)脈寬，模擬DPU96發(fā)送的聯(lián)跳信號(hào)，測(cè)試DPU96接收脈寬及斷路器閉鎖情況。根據(jù)DPU96說明書提供的500 ms閉鎖判別依據(jù)和前期測(cè)試結(jié)果，選擇脈寬范圍為205～430 ms，每個(gè)固定脈寬進(jìn)行30次測(cè)試。

圖4 不同聯(lián)跳脈寬接收測(cè)試原理

3.3.2 測(cè)試結(jié)果

1)斷路器閉鎖與接收的聯(lián)跳脈寬有直接關(guān)系，如表3所示，聯(lián)跳接收脈寬越長，斷路器閉鎖的概率越高。

2)當(dāng)聯(lián)跳接收脈寬小于220 ms時(shí)，斷路器閉鎖概率為0。

表3 不同聯(lián)跳脈寬下斷路器閉鎖情況統(tǒng)計(jì)

4 解決方法

由斷路器被聯(lián)跳后異常閉鎖測(cè)試的分析可知，斷路器異常閉鎖的直接原因是DPU96接收到的聯(lián)跳信號(hào)脈寬在275 ms左右，處于閉鎖判斷的不穩(wěn)定階段，因此考慮將DPU96接收到的聯(lián)跳脈寬控制在220 ms以下的可靠范圍。DPU96裝置的程序已固化，聯(lián)跳脈寬不可調(diào)，因此考慮通過外圍電路的優(yōu)化達(dá)到調(diào)整脈寬的目的，如圖5所示。

在聯(lián)跳回路增加時(shí)間繼電器-K1，其常閉觸點(diǎn)15～16與-K18線圈串聯(lián)。當(dāng)DPU96裝置發(fā)出聯(lián)跳信號(hào)后，-K1繼電器線圈得電，延時(shí)(時(shí)間可調(diào))斷開15～16觸點(diǎn)。通過繼電器K1延時(shí)的調(diào)整，即可達(dá)到調(diào)整聯(lián)跳脈寬的效果。

在回路改造后，經(jīng)過模擬測(cè)試和近3年的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行，未發(fā)生過異常閉鎖情況。

圖5 外圍電路優(yōu)化原理

5 結(jié)語

通過對(duì)廣州地鐵2號(hào)線直流牽引系統(tǒng)雙邊聯(lián)跳功能的分析和測(cè)試，提出了優(yōu)化方案，經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的考驗(yàn)，該方案切實(shí)可行。

［1］GB 50157—2003地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國計(jì)劃出版社，2003:50-55.

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Optimization of Two Way Inter-tripping Protection for DC Traction Power Supply System

Zhang Muran Liang Shaochang
(Guangzhou Metro Corporation，Guangzhou 510030)

Abstract:In view of the DC circuit breaker latching on Guangzhou metro Line 2，this article introduces the process of generation，transmission and receiving of inter－tripping signals.Based on the theory and characteristics of inter－tripping protection，the reason of circuit breaker latching is revealed and an improved scheme of two－way inter－tripping protection by changing the peripheral circuit is put forward.

Key words:Guangzhou metro Line 2;DC traction power supply system;two way inter－tripping protection;auto reclosing

U223

A

1672-6073(2013)02-0119-04

10.3969/j.issn.1672-6073.2013.02.030

收稿日期:2012-03-26

2012-04-06

作者簡(jiǎn)介:張目然，女，工程師，從事軌道交通供電系統(tǒng)運(yùn)營維護(hù)工作，zhangmuran@gzmtr.com

(編輯:郭 潔)