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摘要:地铁运营的安全、快捷、高效关系到城市出行居民的生活质量和工作效率,而直流牵引供电系统是地铁列车行进的直接动力源泉,其安全稳定性高、保护系统完善就可以避免意外中断牵引电能的事故发生,降低运营风险,确保地铁列车安全运营。
通过对地铁直流供电系统中实际断路器故障的数据收集,分析了再生制动装置的保护范围、保护设置以及保护定值,找出了直流系统中再生制动装置、分闸、总闸和框架保护装置的保护误动作原因,解释了保护误动作的现象。
关键词:直流牵引供电系统;保护设置;再生制动装置;保护误动作
引言:
基于北京地铁多条线路直流牵引供电系统保护动作情况,通过对实际断路器故障的数据分析,总结直流系统中再生制动装置、分闸、总闸和框架保护装置的保护误动作原因和处理方法,区分直流供电系统的正常保护现象与保护误动作的原因,为在线故障检测提供实践依据。
为了研究地铁牵引供电系统保护动作情况,在北京地铁2条线路进行保护动作情况测试分析,统计结果如表1-1所示:
表1-12条线路分别在2016年和2017年的跳闸数据统计表
表1-1是北京地铁2条线路分别在2016年和2017年的跳闸数据统计表。从表中看出故障跳闸排在第一位的是再生制动装置,第二位的就是分闸增量保护。
所以分别对直流系统中再生制动装置、分闸、总闸和框架保护装置的保护误动作进行故障原因分析,为在线故障检测提供实践依据。
一、再生制动装置故障分析
原地铁、轻轨车辆电制动采用再生制动或再生—电阻制动模式,制动设备放在车上,中间线路短,开关设置少,故障情况相对较少,但缺点是车辆重量大,电能消耗严重,使车辆的承载量受到限制。对于车流密度不大的线路,再生电制动功能得不到充分发挥,造成气制动投入频繁,使得洞内或沿线闸瓦灰尘较多,严重污染环境,且造成地铁隧道内温度不断升高。采用变电站设置再生制动装置后,有效的解决了这些问题。但在实际运行中发现,装置故障退出情况频发,分析原因,主要有:
1、电阻设置集中,散热不利,造成电阻温度频繁动作。电阻柜温度达到200摄氏度即可将断路器跳开,制动装置退出运行。温度保护的电气回路若开路,等同于高温故障。因此,当发生温度保护动作跳闸时,需调取数据记录,查看温度报警信息。若无温度攀升报警,即可以判断发生的故障是电气回路导致的误动作现象。误动作占温度跳闸故障的比例很小,大部分是实际温升达到跳闸值导致装置动作。因此,说明电阻工作在满负荷的工作状态,需要调节电阻的吸收能力以缓解满负荷的状态,降低因过渡吸收电能导致的温升。
2、IGBT过流动作,引发跳闸。IGBT共四条支路,投入工作时,采用“多相不重,差相斩波”的工作方式,其中一、二支路为一组,三、四支路为一组,每个支路的电流脉动幅值相互抵消,且各组支路在导通时相位角相差180度,使总的电流输出幅值偏小,因此,支路总电流是比较平稳的。实际设备中出现的过流保护动作,通过对各支路吸收电流的数据分析发现,支路电流总和没有达到定值即动作,通过更换IGBT驱动板的处理后,故障即消失。通过这一现象,确定是硬件的故障导致装置误动。
3、下位机受电磁信号干扰,引发误动作跳闸。下位机是再生装置的大脑,CPU信号处理、故障数据分析、遥控指令等都集中在下位机的处理功能里,其主要元件是电子芯片,极易受到电磁信号干扰,是再生制动故障中最难查找和处理的。
二、分闸故障分析
分闸开关保护的设置非常完善,其中的增量保护和双边联跳保护是地铁车辆主保护的后备保护。分闸保护与车辆保护相互配合,作为车辆主保护是正确的,对地铁列车的行车安全提供了充分的保障,但是分闸保护不能代替车辆主保护,车辆应自己保护自己。在运行中,如果发生车辆主保护动作分闸保护未动,或分闸保护和车辆保护同时动作,就属于正常保护动作。如果周期性的发生车辆主保护未动作而分闸保护动作的现象时,意味着分闸保护已经成为车辆主保护,车辆自身失去了保护功能。
1、牵引供电系统的计算条件:
列车编组:6辆编组、B型车,4动2拖;
列车最高运行速度:100km/h
列车启动平均加速度:(0~40km/h):≥0.83m/s2
列车平均加速度:(0~100km/h):≥0.5m/s2
列车平均常用制动减速度:≥1.0m/s2
列车紧急制动减速度:≥1.2m/s2
正线走行轨单位电阻:0.02Ω/km
钢铝复合接触轨单位电阻:0.0078Ω/km
列车运行间隔:2分钟
整流机组型式:等效24脉波
整流变压器电压:10kV/590V
整流机组空载电压:Udo=823.5V
整流机组电压调整率:dN=6%
2、正常双边供电运行方式下的模拟计算:
两座牵引变电站采用正常双边供电运行方式,考虑到对侧接触网的影响,其等效电路图如图2-1所示,网络变换如图2-2所示。
图2-1双边供电等效电路图
图2-2双边供电网络变换图
按照图2-2网孔1、2,根据网孔电流法,列回路方程:
得网孔1、网孔2回路电流为:
式中R11为回路1的自阻,
R22为回路2的自阻,
将图2-2中,r1、r2、r3转换为R1、R2、R3,其电流I1、I2转换为Ik1、Ik2,如图2-3所示,可得:
ρ1、ρ2为牵引变电所内阻
R1、R2、R3为接触网或接触轨电阻
R4、R5为走行轨电阻
图2-3星—三角变换电路图
经取值计算发现:
当短路点在任一端变电站出口时,总的短路电流数值最大,且该端变电站提供的短路电流最大,另一端变电站提供的短路电流最小;当短路点位于两牵引变电所中间时,总的短路电流数值最小。
3、增量保护跳闸脱扣的分析:
保护装置不断监测馈线电流if及电流变化率di/dt。当电流变化率di/dt高于设定值E,(di/dt)>E,保护启动。如果电流变化率di/dt低于E且未有跳闸出口,则DDL保护停止。
DDL+DeltaI保护
如果测量到的电流增量DeltaI高于参数设定DeltaImax的时间大于或等于参数tDeltaImax,DDL+DeltaI保护动作同时跳闸信号启动。若在保护出口动作前检测到电流变化率di/dt低于E,整个保护复归,相关参数清零。
DDL+DeltaT保护
如果DeltaT的测量值高于参数Tmax同时DeltaI的测量值高于参数DeltaImin,DDL+DeltaT保护动作同时跳闸信号启动。若在保护出口动作前检测到电流变化率di/dt低于E,整个保护复归,相关参数清零。DDL+DeltaI保护与DDL+DeltaT保护的启动值与返回值为同一设置。
图3-1DDL+DeltaI跳闸特性曲线
图3-2DDL+DeltaT保护跳闸曲线图
4、增量保护分闸出现电流变化率和大电流脱扣的保护动作后,启动线路检测回路完成自动重合闸的功能,以消除瞬时故障,快速恢复正常供电运行方式。具体保护动作流程如图4-1。
5、在读取的故障波形中,典型误动作波形图为某车站下层牵引站DDL+保护动作跳闸时段电流图(如图5-1)。在图中能够明显看到在故障电流动作之前,有近200ms的波形震荡。如果是正常的动作波形,故障电流是突发的。
图4-1增量保护动作流程图
图5-1某车站下层牵引站DDL+保护动作跳闸时段电流
三、总闸故障分析
当直流进线开关上口至整流器出口发生短路故障时,逆流保护应可靠动作,并将机组开关联跳,确保流向故障点的电源被全部切断。但经过实际动作后的数据分析发现,保护动作时未达到定值,在波形中还可看到一个1.5到2毫秒的极短尖峰,故障跳闸也很有规律,均为60开关。当进线60合闸后,电压突然上升很高,直流800V电压瞬间加在了测量系统中(分流器、双绞线、放大器)的元件上,会产生信号扰动。这种平衡过程所产生的系统中的扰动是导致60发生逆流保护动作的原因。当进线70合闸时,主母线上已经有了电压,整流器侧和主母线间的电压差非常低,因此70开关无逆流保护动作情况发生。基于此分析,将逆流保护的时间由原来的1ms调整到3ms。调整后,无故障跳闸发生。
四、框架保护故障分析
地铁直、环线变电站中的框架电压保护只报警,不跳闸,但尽管如此,还是以拆除退出运行为结果。其主要原因是变电站内无钢轨电位限制装置,无法将走行轨电位的电压限制在平稳状态,导致框架电压元件因轨电位无规律不明原因的升高而频繁动作,给运行人员带来不必要的烦恼。
北京地铁2条线路都安装了钢轨电位限制装置(简称轨电位),轨电位设置了三段电压保护,I段保护电压(U>)设定在150V,框架电压保护的电压启动值设置在180V。此时为了防止框架保护的电压元件误动作,应调整框架保护电压元件的整定值,使其动作时间的整定应长于钢轨电位限制装置的动作时间。这样就可以保证钢轨电位限制装置在框架保护的电压元件之前动作。在钢轨电位限制装置动作后,即将走行轨与结构地短接,钢轨电位降至0V,这就将框架保护装置闭锁了,不会中断直流牵引供电。既保证了人身的安全,同时又避免了地铁因断电引发的中断运营事故。如果在列车负荷过大时,钢轨电位上升达到并超过U>,钢轨电位限制装置拒动,框架保护的电压元件作为后备保护,会在到达整定时间后动作并命令本站机组开关、直流断路器全部跳闸。
在直、环线变电站电流框架保护动作的现象比较中发现,地下变电站在框架保护动作的同时,往往会出现一个分闸的电流保护动作信息,这个电流信息出现过速断、过流这两种保护。地上变电站的电流框架动作时没有出现电流保护信息。综合分析认为,地下变电站不适用框架电流保护。因为在地下变电站,直流正极接地并不是小接地电流系统,而是大接地电流系统。当直流正极接地时,其短路电流不受变电所接地电阻制约,与接地电阻无关,其短路电流之大完全可以靠开关本身的保护动作跳闸。如果直流设备绝缘安装不好,那么机组的低压侧若发生接地短路电流故障,也会使框架电流元件动作,从而影响变电站的安全运行。
五、总结
通过对北京地铁2条线路测试的保护动作情况统计结果来分析再生制动装置故障、分闸故障、总闸故障和框架保护故障中正常保护和保护误动作的现象,总结了直流系统保护误动作的原因和处理方法,为在线故障检测提供理论和实验的依据。
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