地铁直流开关控制保护

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摘要：介绍广州地铁2号线1500V直流开关的结构特点，阐述了控制保护原理，举2例分析有关运营故障，并提出对应措施，以确保地铁接触网供电系统的正常稳定运行。

关键词：1500V直流开关；控制保护；故障分析；广州地铁2号线

0引言

广州地铁2号线接触网采用1500V直流双边供电系统。在牵引变电所（以下简称牵引所），通过干式整流器实现24脉波整流，将33kV交流电转变为1500V的直流电，输送到母排后通过1500V直流开关经直流电缆输送到接触网上。广州地铁2号线采用江苏长江电器集团与瑞士SECHERON合资生产的1500V直流开关，馈线开关采用了SIEMENS公司的DPU96作测控保护单元，进线开关及回流柜采用S7控制器。

11500V直流开关的结构特点

1500V直流开关主要由上部连接、下部连接、驱动装置、合闸机构、分闸机构、大电流脱扣保护装置、灭弧装置以及分合闸位置辅助触点组成。其中驱动装置和大电流脱扣保护装置是1500V直流开关的核心部分。

驱动装置的作用是牵引棘轮拉动动触头使其与静触头闭合，完成合闸。驱动装置由工程塑料支架、限位缓冲弹簧、分闸辅助弹簧、传动圆钢组成。整个驱动装置在合闸线圈铁心的推动下在受限范围水平面内沿导轨方向前后运动。合闸时铁心推动驱动装置往前运动，驱动装置牵引棘轮拉动动触头运动；驱动装置的运动使分闸辅助弹簧压缩；为避免铁心向前使动触头与静触头发生猛烈冲击而损坏，驱动装置运行到限制位置后，限位缓冲弹簧受压收缩产生与铁心运动相向的力，吸收驱动装置的动能使之迅速平稳地停在与静触头密贴的位置。

大电流脱扣保护装置是直流开关上利用电磁力原理实现直流保护的一种装置。有一个由硅钢片叠成的磁扼垂直套在动触头外侧，只要开关回路中的电流达到整定值，磁扼中产生的磁场把衔铁吸合下来，衔铁带动连杆，连杆的运动顶起牵引触头的棘齿，原来在水平方向力的平衡被打破，棘轮向上顶起，轴脱扣后，动触头在分闸弹簧作用下迅速弹开（这时合闸铁心未动）。DPU96根据辅助触点的输入和主电路电流电压的测量值进行运算，输出控制使合闸线圈失电、铁心后退，驱动装置在分闸辅助弹簧作用下往回运动，DPU96发出大电流报警信息。大电流脱扣保护的整定值通过调整磁扼中的磁通路来实现。

21500V直流开关的控制保护

广州地铁2号线1500V直流开关采用西门子DPU96测控保护单元，实现对开关的控制、保护、测量及通信功能。

2.11500V直流开关的控制

1）在开关本体上直接分闸

打开1500V开关柜门，转动小车面板前的操作手柄至分闸位，不需要经过DPU96判断条件可以直接分闸，也就是将机械转动直接作用在大电流脱扣装置上，使开关脱扣分闸。

2）当地位分合闸

在1500V开关柜面板上用分合闸按钮发触发信号给本开关DPU96，经DPU96运算判断后进行分合闸。

3）远方位控制

牵引所内4台馈线直流1500V开关的DPU96、2台进线直流1500V开关及回流柜的S7各自通过通信模块，以PROFIBUS总线协议构成网络，经牵引所内RTU进行通信协议转换后，实现牵混所（牵引所和降压所的统称，以下同）中央信号屏、牵混所监控微机、OCC控制中心对1500V直流开关的分合闸，并取得开关保护、电流电压量、操作记录等数据。

2.21500V直流开关的保护

1）大电流脱扣保护

直流进线、馈线开关设置大电流脱扣保护。大电流脱扣主要用于接触网近端短路保护，它在1500V直流开关上利用电磁原理实现保护分闸。进线开关整定值为12000A，馈线开关整定值为9000A。

2）Imax保护

直流馈线开关设置有Imax保护，即电流速断保护。在DPU96中可设定Imax的整定值，只要DPU96检测到开关主电路中电流大于此整定值则DPU96保护分闸。馈线开关整定值Imax=8000A。

3）过电流保护

直流馈线开关设置过电流保护。当电流达到整定值3000A并持续30s后DPU96保护分闸。

4）di/dt保护

直流馈线开关设置有di/dt保护，即电流变化率保护。开关合闸后，测量装置不断检测开关主电路中电流的变化率di/dt，当di/dt≥24A/ms时发出报警，di/dt≥40A/ms时触发DPU96产生中断。在30ms内如果电流变化率仍高于40A/ms则30ms后DPU96保护分闸；如果30ms内电流变化率低于40A/ms，则di/dt复零，中断退出。

5）ΔI保护

直流馈线开关设置ΔI保护，即电流增量保护。在di/dt被触发后（di/dt≥40A/ms）持续1ms，ΔI达到整定值4000A(馈线开关)，经过延时(1ms)，ΔI动作，DPU96保护分闸。di/dt保护和ΔI保护是直流接触网末端短路的主保护。

6）接触网热过负荷保护

直流馈线开关设置有接触网热过负荷保护。由于1500V的直流供电系统的电流较大，如果供电导体长时间通过大电流，可能会因供电导体的机械强度降低而导致故障发生。DPU96通过连续检测开关主电路中电流的大小和时间计算，判断结果后发出报警，如果电流持续增大则DPU96保护分闸并闭锁，经过设定的冷却时间后才可以重新合闸。

7）反向电流保护

直流进线开关设置有反向电流保护。对于进线开关，在其S7（控制器）中检测进线电流的方向及大小，一旦进线电流出现反向(即流入整流器方向)且大于所设定飘移值，则DPU96保护分闸，同时DPU96控制输出，通过硬线触点联跳33kV整流变进线开关及另外一台1500V进线开关。因此当一台1500V直流进线开关发生反向电流保护时，整个牵引所会退出运行。从运营安全的角度出发，可以考虑在运营前甩开对另外一台1500V进线开关的联跳线路，减少故障影响范围。

8）二极管逆流保护

广州地铁2号线1500V采用24脉波全波整流系统，在二极管整流器上装设有逆流保护。其原理为：在整流器的每一个整流桥臂上都装有1个穿心式电流互感器，如果整流桥臂内的某个二极管反向击穿，则在这个二极管支路的熔断器开始熔断的弧前时间和燃弧时间内，将有故障电流流经这个桥臂，接在电流互感器二次侧的逆流保护单元就有信号输出，向整流机组33kV进线开关保护装置发出跳闸信号，33kV开关保护分闸，同时33kV保护控制输出向1500V进线开关DPU96发跳闸信号，DPU96再保护分闸1500V进线开关。

9）框架保护

直流开关柜、整流器柜、回流柜设置有框架保护。框架保护分为电流型框架保护和电压型框架保护。其原理为:负极柜的S7（控制器）检测框架与大地之间的电流和框架对负极的电压，达到整定值则S7输出控制，通过硬线触点向本所所有1500V直流开关及邻所相邻1500V直流开关发出联跳信号(脉冲宽度大于500ms)，每个直流开关的DPU96或S7收到信号后保护分闸同时闭锁自动重合闸程序。

10）馈线开关联跳邻所功能及自动重合闸程序

当馈线开关DPU96检测判断发生大电流脱扣分闸、Imax保护、过电流保护、di/dt保护、ΔI保护或接触网热过负荷保护时，DPU96通过硬线触点向邻所馈线1500V直流开关发联跳信号(设计整定脉冲宽度少于500ms)，联跳邻所馈线1500V直流开关；邻所馈线开关DPU96检测到联跳信号后进行判断，满足条件（联跳脉冲宽度少于500ms）则跳闸并进入重合闸程序，如果脉冲宽度大于500ms（框架保护动作）则跳闸后退出重合闸程序；供电分区两端的馈线开关跳闸后，如果DPU96各自进入重合闸程序，则分别在85s内测试3次合闸条件，满足合闸条件则合闸，3次测试都不符合要求则DPU96退出重合闸程序。

31500V直流开关的运营故障分析

3.1故障案例一

1）故障情况

2005年6月9日，越秀公园站214开关跳闸，DPU96显示大电流脱扣保护动作，并联跳与之形成双边供电的三元里站212开关。越秀公园214开关重合不成功，三元里站的212开关自动重合成功。其供电示意图如图1所示。

2）原因分析

由于三元里站212重合成功，表明故障点不在接触网上。抢修人员在地铁车辆上登乘时没有发现接触网有瞬时故障点，而214开关大电流脱扣保护动作，表明故障点在牵引变电所近端。检查越秀公园站接触网电缆和隔离开关没有发现异常。将越秀公园214开关直流小车拉到试验位，切除与三元里站联跳电路，试合214开关发现开关合闸声音异常，同时DPU96再次报大电流脱扣保护动作，214开关再次分闸，因此初步判断故障点在开关本身内。检查214开关合闸线圈电阻为8Ω(标准7.8Ω，20℃)，属正常范围内。将214开关解体后，发现其驱动装置拉动棘轮的轴脱出，导致214开关大电流脱扣分闸，而此轴脱出的原因是其固定工程塑料断裂。

3）改进措施

对2号线全线1500V直流开关进行解体，检查驱动装置和大电流脱扣装置机械传动、受力部件，更换有类似异常现象的开关，防止故障再次发生。在日常检查中加强对直流开关仓内的温度、湿度的测量，建立年度温、湿度档案。对驱动装置中的工程塑料支架研究使用其他材料替代的可能性，寻找替代部件。

3.2故障案例二

1）故障情况

2005年10月1日，海珠广场站牵引所213开关跳闸重合成功，越秀公园站牵引所211开关跳闸后没有重合，越秀公园至海珠广场下行2A7区瞬时失电。图2为其供电示意图。

2）原因分析

故障发生后，检查海珠广场站213开关及越秀公园站211开关、海珠广场至越秀公司下行接触网设备、地铁车辆（故障时有一地铁车辆在2A7区），未发现异常。检查海珠广场站213开关及越秀公园站211开关DPU96，发现海珠广场站213开关di/dt保护动作，分断电流1600A，DPU96进入重合闸程序，第1次检测后开关重合成功；越秀公园站211开关收到邻所馈线开关联跳信号，但DPU96闭锁211开关，同时DPU96退出自动重合闸程序，因此越秀公园站211开关没有进行重合。分断电流1600A，基本可以排除接地故障（接地故障经验值在5000A以上)；在进行海珠广场站213开关DPU96二次保护校验后，排除二次保护设备故障的原因。根据上述检查的结果，初步判断213开关di/dt保护动作的原因与地铁车辆的取流状态有关。对海珠广场站213开关DPU96数据下载后进一步分析，发现213开关di/dt保护报警的情况很多，2005年以来有141次报警，而同期全线其他牵引所开关di/dt保护报警最多的只有20次，其他的在10次以内。因此最终判断地铁车辆在此区段取流变化存在着不同于其他区段的特点。在海珠广场站213开关DPU96二次保护校验时，检查越秀公园站侧收到的联跳信号，发现联跳脉冲宽度有时出现大于500ms而海珠广场站输出端正常的情况。更换越秀公园站联跳输入继电器后正常。

3）改进措施

针对此次故障，在满足安全和综合考虑DPU96相关保护配合的条件下，采取适当提高海珠广场站213开关DPU96di/dt保护整定值和时间的方法，以躲开此区段地铁车辆取流的影响。到目前为止，海珠广场站213开关没有再出现di/dt保护报警或动作的情况。

4结论

①ΔI和di/dt是直流供电系统中具有自身特点的保护，其相关整定值的确定（如定值、持续时间或延时），要通过计算线路末端的短路电流及其变化率来确定。

②运营经验表明，ΔI和di/dt保护的最终整定，还必须考虑与地铁车辆及运营的配合情况，如必须能够躲过机车的启动电流和冲击电流对保护装置的影响，与隧道线路状况（上下坡度、坡长等）、列车运行图充分结合，这样才可以保证ΔI和di/dt保护的正确动作。

③对于馈线开关故障联跳邻所开关的信号，邻所开关DPU96是通过输入脉冲宽度来判断故障类型的，一旦输入电路出现卡滞不灵敏的情况，将导致邻所开关DPU96退出重合闸程序，因此可考虑采用数字通信方式进行改进。

④直流开关投入使用2年后，应对直流开关本身进行拆解检修，充分检查开关内部各部件的状态，消除隐患。

⑤在运营时间，必须充分掌握直流开关高压室的环境状况，如温度、湿度、灰尘等，建立档案，保证直流开关有一个良好的运行环境。

1500V直流供电系统在我国城市地铁系统中已有一定范围的应用，深入分析1500V直流开关的控制保护原理，有针对性采取检修措施和相关对策，积累相关的运营经验，对确保地铁接触网供电系统的正常稳定运行具有重要的意义。

参考文献：

[1]GB/T10411-2005,城市轨道交通直流牵引供电系统［S］.

[2]喜林.DDL保护在直流牵引供电系统的应用［J］.电气化铁道，2004（3）.

[3]高劲，董斌.广州地铁1号线牵引供电整流器的保护配置［J］.机车电传动，2003（2）：31-32.