一種城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)短路試驗(yàn)的解決方案

陳 剛，于紀(jì)利

(1.武漢鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，武漢 430205;2.中鐵電氣化局集團(tuán)有限公司，北京 100036)

牽引供電系統(tǒng)短路試驗(yàn)的目的是為了檢驗(yàn)電氣設(shè)備的穩(wěn)定性、校驗(yàn)牽引供電系統(tǒng)繼電保護(hù)整定值的準(zhǔn)確性及牽引供電系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。短路試驗(yàn)時(shí)在供電臂的遠(yuǎn)點(diǎn)、近點(diǎn)各取一處短路點(diǎn)，用接地線將接觸網(wǎng)和回流軌短接，在牽引變電所的直流開關(guān)柜上讀取和采集故障電流、電壓及波形數(shù)據(jù)，將收集到的數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)的整定值比較，作為定值整定的依據(jù)。短路試驗(yàn)的成功取決于有一個(gè)全面且操作性強(qiáng)的試驗(yàn)方案，短路連接方式應(yīng)安全可靠，保護(hù)動(dòng)作正確，不損壞任何設(shè)備。結(jié)合重慶市軌道交通3號(hào)線一期工程給出了牽引供電系統(tǒng)短路試驗(yàn)的一種解決方案，并進(jìn)行了實(shí)際驗(yàn)證。

1 試驗(yàn)準(zhǔn)備工作

1.1 相關(guān)設(shè)備的準(zhǔn)備

重慶市軌道交通3號(hào)線一期工程供電系統(tǒng)共設(shè)2個(gè)110 kV/35 kV主變電所、8個(gè)35 kV/1500 V(DC)牽引降壓混合變電所、13個(gè)35/0.4 kV降壓變電所，其中一個(gè)為跟隨式降壓變電所，為全線提供車輛和站場(chǎng)電源。

(1)試驗(yàn)開始前，牛角沱、紅旗河溝、唐家院子、龍頭寺牽引混合變電所整流機(jī)組在停用狀態(tài)，所有直流快速開關(guān)、上網(wǎng)隔離開關(guān)以及越區(qū)隔離開關(guān)均在停用狀態(tài)，接地漏電保護(hù)裝置64D及再生能量吸收裝置在停用狀態(tài)。

(2)取消試驗(yàn)直流快速開關(guān)的重合閘功能和線路檢測(cè)功能。

(3)調(diào)整試驗(yàn)直流快速開關(guān)放大器的最大電流系數(shù)，使保護(hù)錄取故障電流的最大值達(dá)到40 kA。

(4)在進(jìn)行變電所近端短路試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)斷路器的電流上升率保護(hù)可能會(huì)先于大電流脫扣保護(hù)動(dòng)作跳閘，此時(shí)為校驗(yàn)大電流脫扣保護(hù)的靈敏性，須事先關(guān)掉電流上升率保護(hù)。

1.2 分合閘控制接線

(1)如圖1所示，使用繼電保護(hù)測(cè)試儀在試驗(yàn)的直流快速開關(guān)分、合閘回路中，分別串接入一個(gè)可控的干節(jié)點(diǎn)，用來模擬快開的分合閘操作;測(cè)試儀置于安全位置，以備如果快速開關(guān)拒動(dòng)時(shí)，在設(shè)備所能承受的短路電流時(shí)間范圍內(nèi)分閘，達(dá)到保護(hù)設(shè)備的目的;在繼電保護(hù)測(cè)試儀上設(shè)置合閘、合閘保持、分閘時(shí)間。

(2)在其合閘電保持回路中，串入柜外一個(gè)空氣開關(guān)，開關(guān)保持閉合，如圖2所示。當(dāng)直流開關(guān)拒動(dòng)或分閘失敗時(shí)，試驗(yàn)人員須在第一時(shí)間分?jǐn)嘣摽臻_，使得開關(guān)的合閘電保持回路失電而達(dá)到緊急分閘的目的。

圖1 斷路器分合閘接線示意

圖2 緊急分閘接線示意

1.3 其他準(zhǔn)備工作

35 kV開關(guān)柜保護(hù)波形檢測(cè)準(zhǔn)備完畢;保安、試驗(yàn)等工作人員已就位;施工單位人員、廠家對(duì)試驗(yàn)相關(guān)設(shè)備及準(zhǔn)備工作進(jìn)行最終簽字確認(rèn);試驗(yàn)區(qū)間全線已封鎖，線路無試驗(yàn)之外的其他人員逗留或施工作業(yè)。

2 短接點(diǎn)的設(shè)置

根據(jù)《地下鐵道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》(GB 50299—1999)以及一期接觸網(wǎng)供電區(qū)間實(shí)際情況，本次試驗(yàn)地點(diǎn)為牛角沱牽引降壓混合變電所和唐家院子牽引降壓混合變電所，近端、遠(yuǎn)端短路試驗(yàn)均選擇牛角沱至唐家院子上行區(qū)間K10+202處為短路點(diǎn)，近端、遠(yuǎn)端試驗(yàn)的選擇通過變電所和開關(guān)的切換來完成。近端試驗(yàn)在牛角沱變電所內(nèi)，試驗(yàn)開關(guān)為牛角沱214;遠(yuǎn)端試驗(yàn)在唐家院子變電所內(nèi)，合上紅旗河溝牽引所越區(qū)隔離開關(guān)3222，試驗(yàn)開關(guān)唐家院子212。短路點(diǎn)選擇示意如圖3所示，正負(fù)極之間短接的短接點(diǎn)設(shè)置在饋線上網(wǎng)處30 m范圍內(nèi)，正、負(fù)極匯流排通過短接固定夾具用2根150 mm2直流電纜進(jìn)行短接。

圖3 短路點(diǎn)選擇示意

3 供變電回路短路電流計(jì)算

短接點(diǎn)設(shè)置和連接好后，斷開相應(yīng)供電臂的電源，將供電電纜與正極柜斷開，回流電纜與負(fù)極柜斷開，利用橋式法分別測(cè)試近點(diǎn)接地回路與遠(yuǎn)點(diǎn)接地回路的直流電阻，按實(shí)測(cè)值計(jì)算出短路電流值，并與理論計(jì)算值進(jìn)行比較，按設(shè)計(jì)提供的保護(hù)定值進(jìn)行修改及核對(duì)。

3.1 近端短路電流計(jì)算

合上牛角沱站3214刀閘，在牛角沱站214開關(guān)柜斷路器下樁頭與負(fù)極隔離刀2214下口測(cè)量到近端短路回路電阻4.547 mΩ。設(shè)計(jì)方提供的短路試驗(yàn)牛角沱變電所回路等效直流電阻暫態(tài)值為28.135 8 mΩ、穩(wěn)態(tài)值為47.021 7 mΩ，由此計(jì)算出近端短路時(shí)暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)短路電流為

設(shè)計(jì)方提供的短路計(jì)算書上該回路的短路電流暫態(tài)值為51.76 kA，穩(wěn)態(tài)值為 32.48 kA。

3.2 遠(yuǎn)端短路電流計(jì)算

合上唐家院子站3212刀閘、紅旗河溝站越區(qū)隔離開關(guān)3222刀閘，在唐家院子站212開關(guān)柜斷路器下樁頭與負(fù)極隔離刀2212下口測(cè)量到遠(yuǎn)端短路回路電阻228.6 mΩ。設(shè)計(jì)方提供的短路試驗(yàn)紅旗河溝變電所回路等效直流電阻暫態(tài)值為26.7627 mΩ，穩(wěn)態(tài)值為44.6733 mΩ，由此計(jì)算出遠(yuǎn)端短路時(shí)暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)短路電流為

設(shè)計(jì)方提供的短路計(jì)算書上該回路的短路電流暫態(tài)值為 6.65 kA，穩(wěn)態(tài)值為 6.1 kA。

結(jié)果表明，本實(shí)驗(yàn)方案中的近端和遠(yuǎn)端實(shí)測(cè)短路計(jì)算電流數(shù)據(jù)與短路計(jì)算書上的設(shè)計(jì)值相近，符合設(shè)計(jì)要求，滿足試驗(yàn)條件。

4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集

(1)試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集接線電路如圖4所示，其中SEPCOS為直流保護(hù)與控制裝置。接線前，應(yīng)將整流機(jī)組置于停用檢修位置，并在變壓器高壓側(cè)用接地棒可靠接地，才能進(jìn)行試驗(yàn)操作;試驗(yàn)前，需對(duì)分流器及緩沖放大器進(jìn)行校驗(yàn)，記錄其誤差范圍;直流開關(guān)采用后臺(tái)直接合閘方式，取消自動(dòng)重合功能和線路檢測(cè)功能;若試驗(yàn)開關(guān)未跳閘，應(yīng)立即進(jìn)行緊急分閘操作以保護(hù)設(shè)備。

圖4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集接線電路示意

(2)開關(guān)故障跳閘，將開關(guān)控制方式打到手動(dòng)位后，由試驗(yàn)員查看SEPCOS直流保護(hù)與控制系統(tǒng)故障報(bào)警信息，確認(rèn)并做好記錄;讀取并保存保護(hù)裝置采集的波形圖。

(3)35 kV斷路器故障錄波由南瑞廠家使用筆記本電腦將錄入的電流波形圖截取并保存。

(4)在主變電所內(nèi)安排技術(shù)員對(duì)35 kV出線開關(guān)各參數(shù)進(jìn)行觀察并記錄，并向臨時(shí)調(diào)度組匯報(bào)實(shí)時(shí)情況。

5 試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析及確認(rèn)

5.1 近端(牛角沱)短路試驗(yàn)

(1)直流1 500 V采樣波形圖分析

近端(牛角沱)短路試驗(yàn)時(shí)，由SEPCOS采集的直流1 500 V采樣波形圖(圖5)和報(bào)警記錄得到的相關(guān)數(shù)據(jù)見表1。

圖5 牛角沱214近端短路1 500 V采樣波形

表1 近端短路試驗(yàn)記錄的相關(guān)數(shù)據(jù)

圖5所示的波形圖和相關(guān)數(shù)據(jù)分析表明，在試驗(yàn)斷路器合閘瞬間，短路電流產(chǎn)生并在極短時(shí)間內(nèi)(約10 ms)增大超過9 000 A，大電流脫扣保護(hù)和電流速斷保護(hù)在跳閘未完成時(shí)先后啟動(dòng)，延時(shí)約10 ms時(shí)間斷路器跳閘，跳閘時(shí)記錄的電流值為9 579 A;SEPCOS報(bào)大電流脫扣保護(hù)動(dòng)作須判斷無其他保護(hù)動(dòng)作且斷路器為分位，由于電流速斷保護(hù)的迅速激活啟動(dòng)，SEPCOS未能顯示大電流脫扣保護(hù)動(dòng)作，只是報(bào)了電流速斷保護(hù)動(dòng)作。從SEPCOS的事件記錄可得，短路電流從0 A至峰值時(shí)所經(jīng)歷的時(shí)間約為20 ms，電流從最大值下降至0 A所經(jīng)歷的時(shí)間約20 ms。

(2)35 kV整流機(jī)組保護(hù)波形分析

由于試驗(yàn)斷路器在極短時(shí)間內(nèi)跳閘，斷口拉弧，所以35 kV整流機(jī)組保護(hù)波形圖(圖6)由一段迅速上升曲線和一段急速下降至零的曲線組成;且A、B、C相電流大致相同，零序電流為零。短路電流從0 A至峰值時(shí)所經(jīng)歷的時(shí)間約為20 ms，電流從最大值下降至0 A所經(jīng)歷的時(shí)間約20 ms，與直流波形圖相符。

圖6 牛角沱35 kV開關(guān)柜整流機(jī)組保護(hù)波形

5.2 遠(yuǎn)端(唐家院子)短路試驗(yàn)

(1)直流1 500 V采樣波形圖分析

遠(yuǎn)端(唐家院子)短路試驗(yàn)時(shí)，由SEPCOS采集的直流1500V采樣波形圖(圖7)和報(bào)警記錄得到的相關(guān)數(shù)據(jù)見表2。

圖7 唐家院子212遠(yuǎn)端短路1 500 V采樣波形

表2 遠(yuǎn)端短路試驗(yàn)記錄的相關(guān)數(shù)據(jù)

電流波形圖由一段上升曲線和一段急速下降至零的曲線組成;當(dāng)試驗(yàn)斷路器合閘后，短路電流開始增大，由保護(hù)事件記錄可知電流上升率大于DDL保護(hù)整定值E，60 ms后DDL保護(hù)動(dòng)作，斷路器跳閘，此時(shí)SEPCOS記錄跳閘時(shí)的電流為4 327 A，此電流值不足以啟動(dòng)速斷和過流保護(hù);由于跳閘時(shí)斷路器觸頭不可能立刻完全分離，從而產(chǎn)生電弧，使得短路電流繼續(xù)增大至6 059 A，歷時(shí)約40 ms后電弧完全消失，短路電流降為0 A。短路電流由0 A至峰值所經(jīng)歷的時(shí)間約為220 ms，由峰值到0 A所經(jīng)歷的時(shí)間約40 ms。

(2)35 kV整流機(jī)組保護(hù)波形分析

35 kV整流機(jī)組保護(hù)波形圖(圖8)也由一段緩慢上升曲線和一段急速下降至零的曲線組成;且A、B、C相電流大致相同，零序電流為零。短路電流從0 A至峰值時(shí)所經(jīng)歷的時(shí)間約為220 ms，電流從最大值下降至0 A所經(jīng)歷的時(shí)間約40 ms，與直流波形圖相符。

圖8 唐家院子35 kV開關(guān)柜整流機(jī)組保波形

6 試驗(yàn)結(jié)果分析

從試驗(yàn)結(jié)果來看，此次短路試驗(yàn)驗(yàn)證了該供電系統(tǒng)的可靠性、保護(hù)裝置整定值的準(zhǔn)確性和承受短路的能力，短路連接方式安全可靠，保護(hù)動(dòng)作正確，同時(shí)未損壞任何設(shè)備，試驗(yàn)取得圓滿成功。雖然達(dá)到了預(yù)期目的，有成功的經(jīng)驗(yàn)，但也存在一些不足。

(1)近端短路試驗(yàn)時(shí)，外接示波器未能錄到短路試驗(yàn)波形;由于錄波觸發(fā)時(shí)間沒有和實(shí)際波形出現(xiàn)時(shí)間匹配，使得波形溢出;可根據(jù)此次短路試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，調(diào)整示波器錄波觸發(fā)及記錄時(shí)間。

(2)由圖7和圖8所示的近端和遠(yuǎn)端短路試驗(yàn)采集到的35 kV開關(guān)柜整流機(jī)組保護(hù)的波形圖，可以明顯的看出短路試驗(yàn)35 kV交流側(cè)電流的變化情況，可以幫助對(duì)直流電流變化的分析，作為判斷直流斷路器動(dòng)作情況的依據(jù)。

(3)近端短路試驗(yàn)時(shí)，為了校驗(yàn)大電流脫扣保護(hù)的可靠性，應(yīng)將除了大電流脫扣保護(hù)以外的其他保護(hù)都關(guān)閉。

7 結(jié)語

本次短路試驗(yàn)從方案準(zhǔn)備、實(shí)施以及數(shù)據(jù)采集與處理都比較成功，達(dá)到了預(yù)期效果，對(duì)建立完善的短路試驗(yàn)技術(shù)方案和測(cè)量方法有一定參考價(jià)值。短路試驗(yàn)的成功必須有一個(gè)全面且操作性強(qiáng)的試驗(yàn)方案，短路試驗(yàn)方案的編制和優(yōu)化，需要在現(xiàn)場(chǎng)通過不斷的摸索和嘗試;正式短路試驗(yàn)開始前，應(yīng)進(jìn)行短路試驗(yàn)預(yù)演，確保指揮系統(tǒng)正常、試驗(yàn)程序正確、數(shù)據(jù)采集正常。

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