直流牽引系統雙邊聯跳功能優化

張目然 梁紹昌

(廣州市地下鐵道總公司 廣州 510030)

直流牽引系統雙邊聯跳功能優化

張目然 梁紹昌

(廣州市地下鐵道總公司 廣州 510030)

針對廣州地鐵2號線直流饋線開關跳閘后異常閉鎖現象，結合聯跳保護的原理和特點，對聯跳信號的產生、傳遞、接收過程進行深入的分析和嚴格的現場測試，確定開關異常閉鎖的原因，提出通過外圍電路調整優化雙邊聯跳功能的方案，取得較好的應用效果。

廣州地鐵2號線;直流牽引;雙邊聯跳;自動重合閘

2005年初—2008年底，廣州地鐵2號線共發生約30次直流饋線開關跳閘事件，其中4次出現被聯跳開關異常閉鎖的情況。這些跳閘事件的共同特點是:主跳開關跳閘后自動重合成功，而被聯跳開關跳閘后閉鎖，保持分閘狀態。被聯跳開關的異常閉鎖，在一定程度上會誤導現場人員對故障的判斷，延誤供電時間的恢復，同時存在運營安全隱患。若此時主跳開關出現合閘故障，則可能導致整個供電區失電，列車無法運行。

筆者對此現象進行了深入的分析和測試，提出了解決方法，并對2號線全線的雙邊聯跳功能進行了優化。

1 供電保護

1.1 供電方式

廣州地鐵2號線采用1 500 V直流牽引供電系統，雙邊供電方式，每一個接觸網分區都由相鄰兩個變電所對其供電。如圖1所示，AB段接觸網由A變電所214開關和B變電所213開關共同供電，BC段接觸網由B變電所214開關和C變電所213開關共同供電。

圖1 接觸網的雙邊供電方式

1.2 保護配置

根據GB 50157—2003《地鐵設計規范》、GB 10411—89《地鐵直流牽引供電系統》等相關標準的要求，結合實際情況，廣州地鐵2號線直流1500 V饋線開關設置大電流脫扣保護(斷路器本體保護)、di/dt+ΔI保護、過電流保護、熱過負荷保護和雙邊聯跳保護。變電所1500 V直流設備設一套框架泄漏保護，安裝于負極柜內。

2 雙邊聯跳

2.1 基本原理

雙邊聯跳保護是直流牽引系統雙邊供電方式配備的后備保護，主要用于切斷遠距離小電流故障，以確保接觸網發生短路故障時該區段供電的兩路饋線均斷開。

在發生短路故障時，若短路電流較大，則兩路饋線開關可能同時跳閘;若短路電流較小，則短路點近端饋線開關可能先跳閘(該開關稱為“主跳開關”)，并發出指令聯跳另一饋線開關(該開關稱為“被聯跳開關”)。主跳開關根據保護類型，判斷是否啟動自動重合閘;被聯跳開關分閘后即進入自動模式，啟動自動重合閘功能。

假設雙邊供電系統故障點在AB段的F點(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開關因大電流脫扣或速斷等保護跳閘，同時發聯跳信號給B所213(B所213也可能因檢測到故障電流而跳閘，但電流保護啟動的可能性隨著故障點距離的增加而減小)。在特殊供電模式下(如B所全所退出)，B所越區隔離開關2133閉合，由A所214和C所213同時為AB、BC段的接觸網供電，供電距離增加。若F點出現短路故障，則C所213開關流過的短路電流可能不足以令開關跳閘，此時雙邊聯跳功能更加明顯，A所214開關跳閘，聯跳C所213。

2.2 功能實現

廣州地鐵2號線直流1 500 V饋線開關柜采用DPU96數字控制保護單元。該裝置以微處理器為基礎，用于避免直流開關設備和接觸網設備出現過負荷和短路的情況;根據電流的變化，在達到最大短路電流之前檢測出短路的發生，啟動相應的保護來跳開開關，切除故障回路，保護供電設備的安全。

雙邊聯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，-K18是聯跳發送繼電器，-K101是接收繼電器，-K02是分合閘接觸器，-Q0是斷路器。

圖2 雙邊聯跳功能二次原理

以本所饋線開關跳閘聯跳的鄰所相關開關為例。本所開關DPU96保護單元檢測到短路電流，并啟動相應保護，跳開本所斷路器，DPU96同時發聯跳信號，使-K18繼電器得電，其常開觸點閉合導致鄰所-K101繼電器得電，-K101繼電器的常閉觸點21～22斷開，鄰所開關跳閘，-K101的常開觸點13～14閉合，將聯跳信號傳遞給鄰所DPU96。

在外部條件均滿足時，被聯跳開關僅根據聯跳信號的脈寬決定是否進入重合閘檢測程序。當DPU96接收的聯跳信號小于時間T時，判斷為雙邊聯跳信號，正常進入重合閘程序;當脈沖信號大于時間T時，判斷為聯跳閉鎖信號，閉鎖重合閘功能。根據DPU96裝置說明書的規定，時間T=500 ms。

3 閉鎖原因

根據2005—2008年間直流開關異常閉鎖現象及雙邊聯跳原理的分析，被聯跳開關將一般雙邊聯跳信號誤判為閉鎖信號可能出現問題的環節有3個，即聯跳信號產生、傳遞和接收。針對以上3個環節，筆者會同相關技術人員進行了測試分析。

3.1 聯跳信號產生

3.1.1 測試過程

在檢測不同類型保護動作時，DPU96產生聯跳信號的脈寬。測試儀器采用 CSH:1型電池盒、NECRT3200-N波形記錄儀。測試方法:模擬短路電流，分別觸發di/dt+ΔI、過電流、Imax保護或操作1 500 V斷路器小車緊急分閘把手，以模擬大電流脫扣保護。通過波形記錄儀，監測DPU96發出的聯跳信號脈寬。測試點在圖2中的A點。

3.1.2 測試結果

通過對單臺DPU96裝置不同保護下聯跳脈寬的測量及不同DPU96裝置的對比，得出以下結果(測試數據見表1)。

表1 DPU96聯跳信號脈寬(發送) ms

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

2)DPU96產生的聯跳脈沖寬度穩定。同種類型保護發送的聯跳脈沖寬度相對于平均值的最大誤差為0.25%，平均在 0.1%。

3)DPU96裝置的個體差異不大，不同DPU96裝置聯跳脈寬測試符合以上結果。

3.2 聯跳信號傳遞

3.2.1 測試過程

對DPU96聯跳信號傳遞過程中的關鍵點進行監測，分析傳輸特性，繪制雙邊聯跳信號時序圖;測試線路距離對信號傳遞的影響。測試儀器采用CSH-1型電池盒、NEC-RT3200-N波形記錄儀。測試方法:在雙邊聯跳回路中，用波形記錄儀同時監測相關繼電器動作情況，通過多次測量，計算平均值;在正線選取不同間距的站點，測試聯跳信號發送和接收的脈寬。測試點分別在圖2中的A～F點和C點。

3.2.2 測試結果

1)雙邊聯跳信號時序見圖3。由圖可知:保護動作后DPU96發出聯跳信號，-K18線圈得電(A點測試);9 ms后K18常開觸點11～14、21～24閉合，-K101得電(B點測試);經24 ms延時，-K101常閉觸點21～22斷開，-K02接觸器失電(D點測試);經10 ms延時后，-K02常開觸點1～2斷開(E點測試)，-Q0失電;57 ms后，斷路器分位信號反饋給DPU96(F點測試);-K101得電后，經29 ms延時，其常開觸點13～14閉合(C點測試)，DPU96接收到鄰所的聯跳信號。

圖3 雙邊聯跳信號時序

2)DPU96發出聯跳信號脈寬295 ms，經-K18、-K101等繼電器后，到達DPU96接收端時約276.5 ms。

3)傳輸距離對聯跳信號無明顯影響。2號線相鄰變電所間線路距離為2～3 km，越區供電時最長在5 km左右。以圖1為例，分別在A、B、C所進行測試，A、B所間距約3 km，A、C所間距約5 km。由測試數據(見表2)可知:

(1)線路距離3 km時，B所213接收聯跳脈寬平均值為 276.5 ms，A 所214 為278.3 ms，相差1.8 ms;線路距離5 km時，C所213接收聯跳脈寬平均值為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裝置的個體差異，則線路距離對DPU96聯跳信號傳輸的影響可以忽略。

表2 不同線路距離DPU96接收脈寬 ms

3.3 聯跳信號接收

3.3.1 測試過程

測試聯跳接收信號的脈寬與斷路器閉鎖的關系，測試儀器采用CSH-1型電池盒、NEC-RT3200-N波形記錄儀。測試方法:如圖4所示，利用時間繼電器-SJ(Siemens 3RP1525-1AP30，100～500 ms)調節24 V信號脈寬，模擬DPU96發送的聯跳信號，測試DPU96接收脈寬及斷路器閉鎖情況。根據DPU96說明書提供的500 ms閉鎖判別依據和前期測試結果，選擇脈寬范圍為205～430 ms，每個固定脈寬進行30次測試。

圖4 不同聯跳脈寬接收測試原理

3.3.2 測試結果

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

2)當聯跳接收脈寬小于220 ms時，斷路器閉鎖概率為0。

表3 不同聯跳脈寬下斷路器閉鎖情況統計

4 解決方法

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

在聯跳回路增加時間繼電器-K1，其常閉觸點15～16與-K18線圈串聯。當DPU96裝置發出聯跳信號后，-K1繼電器線圈得電，延時(時間可調)斷開15～16觸點。通過繼電器K1延時的調整，即可達到調整聯跳脈寬的效果。

在回路改造后，經過模擬測試和近3年的現場運行，未發生過異常閉鎖情況。

圖5 外圍電路優化原理

5 結語

通過對廣州地鐵2號線直流牽引系統雙邊聯跳功能的分析和測試，提出了優化方案，經過現場運行的考驗，該方案切實可行。

［1］GB 50157—2003地鐵設計規范［S］.北京:中國計劃出版社，2003:50-55.

［2］王靖滿.直流牽引供電系統繼電保護配置及整定的探討［J］.電氣化鐵道，2009，22(6):30-32.

［3］王宏.地鐵牽引供電系統直流饋線保護［J］.電氣化鐵道，2002(4):41-44.

［4］郭志.直流牽引供電系統繼電保護參數匹配［J］.都市快軌交通，2009，22(4):85-88.

［5］章新華，岳宏波.地鐵直流牽引雙邊聯跳保護的探討［J］.機車電傳動，2009(2):40-41.

［6］王景濤，謝偉梁，劉平.城市軌道直流系統雙邊聯跳裝置的原理與調試［J］.電氣化鐵道，2001(1):16-17.

［7］Siemens AG.SITRAS DPU96 digital protective unit and controller:3［G］.Berlin，2000.

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

作者簡介:張目然，女，工程師，從事軌道交通供電系統運營維護工作，zhangmuran@gzmtr.com

(編輯:郭 潔)