北京地鐵大興線鋼軌電位限制裝置瞬動原因分析與優(yōu)化設(shè)計

李立勃

（石家莊市軌道交通有限責任公司，河北石家莊 050000）

1 供電系統(tǒng)概述

北京地鐵大興線全長21.8km，供電系統(tǒng)由10kV中壓環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)、動力照明配電系統(tǒng)和牽引供電系統(tǒng)三大部分組成。牽引供電系統(tǒng)如圖1所示，正常運行方式為雙邊供電，故障運行方式為單邊供電、大雙邊供電。各種運行方式下，主回流均通過走行軌直接回流至負極。由于短路電流的存在，可能會引起回流回路和大地間產(chǎn)生超出安全許可的接觸電壓，因此，需要在車站回流軌（鋼軌）和接地端子之間裝設(shè)鋼軌電位限制裝置（OVPD）。此外，雜散電流通過排流柜收集，然后統(tǒng)一接至負極，從而保證對隧道和車站結(jié)構(gòu)及金屬管線的保護。

圖1 牽引供電系統(tǒng)簡圖

2 鋼軌電位限制裝置工作原理

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

鋼軌電位限制裝置系統(tǒng)構(gòu)成如圖2 所示，主要由復用開關(guān)、電壓測量元件、PLC邏輯控制模塊等組成。當發(fā)生超出安全許可的接觸電壓時，此鋼軌電位限制裝置就將鋼軌與大地快速短接，使鋼軌電位下降，從而保證旅客和工作人員人身安全。

圖2 鋼軌電位限制裝置系統(tǒng)構(gòu)成示意圖

2.2 基本原理

鋼軌電位限制裝置工作原理如圖3所示。復用開關(guān)由晶閘管元件和接觸器組成，在正常情況下，直流接觸器的觸頭是斷開的，同時晶閘管處于截止狀態(tài)；在軌道電位異常的情況下，可以將鋼軌與大地用等電位母線短接。鋼軌與大地之間的電壓由電壓表監(jiān)測并顯示，而電壓測量元件U＞、U＞＞、U＞＞＞判斷電壓是否超過設(shè)定值，進而晶閘管模塊執(zhí)行相應(yīng)的動作。鋼軌電位限制裝置具有低電壓保護U＜、Ⅰ段電壓保護U＞、Ⅱ段電壓保護U＞＞、Ⅲ段電壓保護U＞＞＞共4種保護功能，其運行狀態(tài)如下。

圖3 鋼軌電位限制裝置工作原理

2.2.1 電壓小于U＞

走行鋼軌與等電位母線間的電壓值小于電壓測量元件U＞ 的設(shè)定值，在這種情況下，直流接觸器處于斷開狀態(tài)，即主觸頭斷開。

2.2.2 電壓大于或等于U＞

測得的電壓值大于或等于電壓測量元件U＞的閾值，經(jīng)過一段設(shè)定的延時后，該裝置將回流回路有效短接，動作的延時確保在短期的允許電壓最大值下，不會發(fā)生不必要的短路。10s之后，直流接觸器再次直接斷開。

如果當時的電壓值小于電壓測量元件U＞的閾值，則鋼軌電位限制裝置經(jīng)過一段可調(diào)整的延時后進入正常狀態(tài)。如果電壓值再次大于U＞，則鋼軌電位限制裝置將又一次發(fā)生短路。

此過程一直持續(xù)到電壓再次保持在許可范圍內(nèi)或短路次數(shù)達到預定數(shù)字（可設(shè)）后。之后裝置閉鎖，閉鎖后需按復位按紐將其手動復歸。

2.2.3 電壓大于或等于U＞＞

測得的電壓值大于或等于電壓測量元件U＞＞的閾值，則鋼軌與大地無延時短接。短路裝置即刻閉鎖，需按復位按紐將其手動復歸。

2.2.4 電壓大于或等于U＞＞＞

測得的電壓值大于或等于電壓測量元件U＞＞＞的閾值，則晶閘管元件立即導通以抵消直流接觸器的機械延時，同時直流接觸器被激活，而閉鎖狀態(tài)繼續(xù)保持，閉鎖狀態(tài)需按復位按紐將其手動復歸。

鋼軌電位限制裝置的控制回路采用閉環(huán)原理，保證一旦控制電源發(fā)生故障，裝置會自動將鋼軌與大地有效連接。這樣，在控制電源發(fā)生故障時，人員及設(shè)施安全得到保障。控制電源的失壓通過遠程信號傳遞。

直流接觸器一次、二次回路發(fā)生故障時，控制器將故障信號輸出，同時閉鎖合閘，需按復位按鈕將其手動復歸；若直流接觸器因故障不能閉合，在電壓大于Ⅲ段動作電壓設(shè)定值時，此功能由晶閘管元件執(zhí)行；若電壓小于低電壓保護設(shè)定值時，經(jīng)一段時間延時后，系統(tǒng)報故障同時閉鎖輸出，需按復位按紐將其手動復歸。

2.3 鋼軌電位限制裝置的保護定值

鋼軌電位限制裝置Ⅰ段動作值為90V，動作時間為0.8s，合閘后延時自動分閘時間為10s，連續(xù)動作 3 次閉鎖分閘；Ⅱ段動作值為150V，動作時間為0s；Ⅲ段動作值為600V，動作時間為0s。

3 鋼軌電位異常動作故障分析

3.1 故障現(xiàn)象

北京地鐵大興線自2010年12月30日開通以來，屢次出現(xiàn)鋼軌電位Ⅱ段保護多站同時動作的異常現(xiàn)象，抽取2011年4月23日～27日故障出現(xiàn)時間統(tǒng)計如表1所示。

從故障現(xiàn)象可以看出鋼軌電位同一時刻瞬時抬高，且Ⅱ段保護同時動作；Ⅱ段保護動作的變電所范圍較大，但每次動作范圍不盡相同。

表1 故障出現(xiàn)時間統(tǒng)計表 ?????時?:?分?:?秒?毫秒

3.2 故障分析

與走行軌回流連接的電氣回路分別為回流主回路、排流回路、機車電氣回路、軌限位回路，對各回路分析如下。

3.2.1 回流主回路

此回路流通不暢將導致軌電位升高，根據(jù)2011年5月22日～23日對4號線和大興線牽引回路的電阻值抽查測試對比發(fā)現(xiàn)，大興線的回路電阻值與4號線沒有明顯的差異，回流主回路判定為通暢狀態(tài)。因此，走行軌回流不是導致軌電位升高的原因。回路電阻值如表2所示。

表2 4號線和大興線回路電阻值比較表 ?????mΩ?/?km

3.2.2 排流回路

排流回路的連接及投入與否，也會不同程度地導致軌電位升高。根據(jù)測算，當極化電壓大于0.5V時，投入排流柜，一般軌電位會升高1倍。2011年5月將排流柜退出進行觀察，發(fā)現(xiàn)軌電位動作的次數(shù)沒有明顯程度的下降。因此判斷排流回路也不是軌電位Ⅱ段異常動作的主要原因。

3.2.3 機車電氣回路

司機操作手法的不同以及機車電路的瞬時性故障均會導致軌電位升高。根據(jù)對故障時機車范圍的搜索，發(fā)現(xiàn)每次故障時，在線的列車并不相同，同時經(jīng)過對機車專業(yè)的確認，排除了機車原因引起的軌電位升高。

3.2.4 軌限位回路

根據(jù)2011年9月10日19h24min，高米店南站軌電位動作時電流電壓錄制的波形（圖4）和電力監(jiān)控系統(tǒng)（SCADA）報文（表3）發(fā)現(xiàn)，Ⅰ段保護動作時，鋼軌對地電壓達到 90 V 時，電壓瞬間歸零，電流增大；Ⅱ段保護動作時，分流器兩端瞬間電流記錄值為40mV，按照60mV/1000A的變比計算，此時的電流值應(yīng)為666.7 A 左右。電壓瞬間增高到 260 V 左右，導致全線軌電位Ⅱ段保護動作。

圖4 9月10日高米店南站軌電位動作電流電壓波形圖

表3 高米店南站軌電位動作時的SCADA報文

3.3 故障原因

根據(jù)對故障的分析與查找，判定故障的原因為：在地鐵運行中，其中一站軌電位Ⅰ段保護動作后 10 s 分閘時，由于線路上有列車經(jīng)過，鋼軌電位限制裝置回路有大電流流向大地，此時分閘，產(chǎn)生過電壓，電壓數(shù)值達到Ⅱ段保護定值，從而將全線的軌電位瞬時抬高。由于每次Ⅰ段分閘時的電流大小不一，因此，影響的車站范圍也不一致。

4 優(yōu)化設(shè)計

圖5 鋼軌電位限制裝置優(yōu)化設(shè)計圖

根據(jù)大興線鋼軌電位限制裝置動作的原因，對軌電位回路進行改造，如圖5 所示。在鋼軌限位裝置的分流器旁，并聯(lián)加裝毫伏電壓繼電器，繼電器接點串入原接觸器分閘回路內(nèi)。當接觸器動作后，流過的回路電流較大時，毫伏電壓繼電器檢測到毫伏信號大于設(shè)定值從而動作，常閉接點打開，切斷接觸器線圈控制回路，從而閉鎖接觸器分閘，使鋼軌與大地保持接通狀態(tài)；當電流小于一定的數(shù)值時，毫伏電壓繼電器檢測到毫伏信號小于設(shè)定值，繼電器失電返回，此時，繼電器常閉接點返回，接通線圈控制回路，從而避免產(chǎn)生將鋼軌電位抬高的異常現(xiàn)象。閉鎖電流設(shè)定值為200 A。大興線自 2011年10月底全線采用優(yōu)化設(shè)計方案后，從根本上解決了軌電位Ⅱ段的異常動作現(xiàn)象。

5 結(jié)論

根據(jù)大興線鋼軌電位限制裝置II段動作異常的故障現(xiàn)象，可以判定，當鋼軌電壓升高達定值時，在其動作合閘后延時分閘的時刻，線路上若存在負荷，將會造成全線鋼軌電位抬高的現(xiàn)象。因此，在鋼軌電位限制裝置的設(shè)計中應(yīng)充分考慮分閘時的閉鎖電流功能設(shè)計。通過對大興線的設(shè)計優(yōu)化實施，解決了大興線軌電位Ⅱ段動作的異常現(xiàn)象，提高了運營效率，保證了運營質(zhì)量。

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[2]鎮(zhèn)江大全賽雪龍牽引電氣有限公司.DX線軌電位操作手冊[G].2009.

[3]中鐵電氣化勘測設(shè)計研究院.大興線繼電保護整定值[G].2009.

[4]GB50157-2013地鐵設(shè)計規(guī)范[S].

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