地铁供电系统自动重合闸与线路测试

陈 静

(西安铁路职业技术学院，710014，西安∥讲师)

城市轨道交通牵引供电系统普遍采用DC 750 V和DC 1 500 V的供电制式，并采用架空柔性接触网、架空刚性接触网或第三轨向列车供电。西安地铁已建的2号线及正在建设中的1号线均采用DC 1 500 V的供电制式。其中，车辆段(或停车场)采用架空柔性接触网方式，正线采用架空刚性接触网方式。从西安地铁2号线的运行情况来看，这种供电模式运行稳定、可靠，能满足列车运行中的电能供应要求。但是，由于地铁接触网线路较长，且车辆段架空柔性接触网设置于户外，故接触网易受外部环境如风、雨、雷电等影响，从而造成牵引直流系统的短路故障。为缩小牵引直流系统短路故障的影响范围，保障供电的持续性和可靠性，在地铁牵引直流开关的馈线开关保护装置中除设有大电流保护、电流增量保护及电流变化率保护等功能外，还设有线路测试功能和自动重合闸功能，以使接触网发生瞬时性短路故障时能自动恢复正常供电。西安地铁2号线在运营初期就发生过此类案例。

1 线路测试和自动重合闸应用案例

西安地铁2号线运营初期某日早晨，列车上线运行约30 m in时，在行政中心站准备进站的列车顶部突然发生接触网短路故障。向该接触网区段供电的直流断路器保护动作跳闸(动作的保护为d i/d t)，延时15 s后，直流馈线开关启动自动重合闸功能，并启动线路测试功能。在线路测试通过后，直流馈线断路器迅速自动合闸，恢复了故障区段的接触网牵引供电。

虽然此次接触网短路停电故障造成列车失电，但在直流馈线断路器启动自动重合闸和线路测试功能判断接触网接地故障消除后，快速恢复了故障区段接触网的牵引供电，使得在故障区段行驶的列车能继续驶向车站，从而保障了列车内乘客的正常乘车，避免了事故影响进一步扩大。

经检查，在发生短路故障的列车顶部受电弓附近发现金属性异物，并存在严重的电烧灼现象。检修人员推断:在列车行驶过程中，由于振动过大，该金属异物弹起，并将受电弓带电部分与车体导通造成短路;当接触网停电后，金属异物由于振动和电烧灼远离了受电弓带电部分，于是，受电弓的绝缘恢复正常，变电所内直流馈线开关自动重合闸成功，恢复了故障区段接触网的供电。由此可见，自动重合闸功能对于接触网发生瞬时性短路故障后及时恢复牵引供电、保障列车的安全运营、缩小故障影响范围有较大意义;而线路测试是检查线路绝缘状态、保证故障后自动重合安全的必要功能。

2 自动重合闸原理

在城市轨道交通直流牵引供电系统中，接触网多为架空设置，部分安装于户外。根据地铁运行经验，接触网短路故障大多是暂时性的，如雷击过电压引起的绝缘子表面闪络、大风吹起的异物碰在接触网上、飞鸟等小动物身体导电等。当发生此类故障时，直流馈线断路器的继电保护能迅速跳开断路器，故障点的电弧即可熄灭，引起故障的异物随着被电弧烧掉或自行跌落而消失，绝缘强度重新恢复。这时，若及时合上馈线断路器，就可重新恢复接触网的供电。可见，通过自动重合闸功能可减少瞬时性故障造成的停电时间。

目前，西安地铁2号线牵引直流馈线开关采用的是SEPCOS继电保护装置。根据其保护功能的配置，该保护可通过线路测试功能判别故障性质并自动重合闸。按照西安地铁直流馈线保护的整定，在发生接触网线路故障情况下，只有以下4个条件同时具备，才可启动自动重合闸功能:①直流馈线断路器由运行合位变成分位;②重合闸装置投入;③开关的操作模式转换开关在“远动”位;④直流馈线开关保护中的大电流保护、d i/d t保护等电流型保护动作跳闸。

在设置自动重合闸功能时，为防止断路器合在故障线路上而造成反复的自动重合闸动作，自动重合闸功能均应配置相匹配的开关防跳功能，在开关第1次自动重合闸成功后，对所设延时时间范围内断路器的合闸动作进行计数，如在延时范围内再次跳闸并重合闸成功，保护装置将重新延时并将延时内的合闸次数与上次合闸的次数累计相加，当累计的合闸次数大于整定值时，防跳功能开启并自动闭锁合闸;当合闸次数少于整定值时，且本次合闸与上一次合闸的间隔时间大于设定的延时时间，保护装置自动将合闸次数累计值清零，重新计数，防跳功能不会闭锁合闸。

3 线路测试功能原理

目前，在地铁牵引供电系统直流馈线开关中均设有线路测试功能。当对开关装置发出合闸命令后，断路器的继电保护装置会在开关合闸前自动对馈线接触网进行一次绝缘性能测试，并将所测数据与整定值进行对比，以确保直流馈线开关合闸时馈线接触网绝缘良好，不存在短路故障。

西安地铁2号线牵引直流馈线开关所采用的SEPCOS继电保护装置的线路测试功能原理如图1所示。在断路器合闸前，由保护装置自动监测直流开关柜母线侧电压Ur和馈线侧接触网电压Uf，并与设定值对比(见表1)。

乙组患者手术期间无不良反应，甲组中有2例神经损伤、1例血肿，不良反应发生率为10.0%。乙组不良反应发生率较低于甲组，差异较为明显（χ2=4.564，P=0.041＜0.05）。

图1 线路测试原理图

表1 线路测试的参数设定值

设Uresidue为接触网残压，Uflow为线路最小工作电压，则线路测试的各种情况如下:

(1)Ur＜Uresidue，且 Uf＞ Uflow，直流开关判别馈线线路正常，可以合闸;

(2)Ur＞Uflow，且 Uf＞ Uflow，直流开关判别馈线线路正常，可以合闸;

(3)Ur＞Uflow，且 Uf＜ Uresidue，直流开关开始对线路电阻进行测量，合上线路测试接触器K15E1(见图1)，将测量到的线路电阻Rre与保护整定值中的Rmin(线路最小电阻)进行比较，若Rre≥Rmin，则断路器判别馈线线路(接触网)正常，可以合闸，否则保护装置将按照设定的测试次数，反复对馈线侧进行线路检测，如果均不能达到合闸的条件，保护装置将自动闭锁开关合闸。

除上述3种情况以外，继电保护装置均认为线路存在故障，不具备送电条件，会自动闭锁断路器的合闸。

4 自动重合闸与线路测试功能的配合

4.1 西安地铁自动重合闸与线路测试的动作过程

西安地铁自动重合闸与线路测试的流程如图2所示。

图2 自动重合闸与线路测试流程图

西安地铁2号线保护装置线路和自动重合闸的整定值整定情况测试为:

(1)线路测试每次母线电压施加的时间(即测试时间t)，1 s;

(2)两次测试所需(成功)的时间间隔，10 s;

(3)线路测试次数，3次;

(4)自动重合闸延时时间，15 s。

(5)防跳功能整定值，防跳次数3次，时间为12 s。

结合图2的动作流程，可分析在故障发生后，自动重合闸与线路测试的过程为:

当牵引直流馈线断路器操作方式在“远方”位时，由于馈线侧发生瞬时短路故障，馈线断路器保护动作并出口，直流馈线断路器跳闸。保护装置根据整定值在开关跳闸后延时15 s启动自动重合闸功能，同时断路器启动线路测试功能。保护装置根据线路测试程序发出第1次线路测试，线路测试用时1 s。如果合闸不允许，间隔10 s，发出第2次线路测试，线路测试用时为1 s。如果合闸仍不允许，再间隔10 s，发出第3次线路测试，线路测试用时1 s。若其中任何一步线路测试通过，断路器即可合闸;如果均不通过，则合闸不允许，SEPCOS保护装置发出断路器合闸闭锁信号(见图3)。

图3 自动重合闸与线路测试的配合示意图

根据保护的整定值及开关线路测试的特性，直 流馈线断路器重合闸启动延时15 s，线路测试时间1 s，逻辑命令执行时间为2 s，断路器合闸固有时间约0.1 s，可见，从故障跳闸至自动重合闸成功、恢复送电，最短需时为18.1 s。

4.2 线路测试与防跳功能存在的不匹配问题

由上述分析可知，由故障跳闸到经自动重合闸功能使开关合闸的最少用时为18.1 s，大于防跳保护所设的整定延时12 s。这说明在完成一次自动重合闸后，防跳功能合闸累计次数记录已经清零，如果断路器在重合闸后跳闸，将重新启动重合闸功能，而合闸成功后再次跳闸，如此反复。由于断路器防跳延时过短，无法有效对重合闸的次数进行记录，由此将造成断路器防跳功能失效。

根据对重合闸过程时间的分析，结合其它地铁的运行经验，建议将重合闸的延时缩小至4 s，将线路测试间隔时间缩小至2 s，将防跳功能整定延时延长至20 s。则根据上述原理，完成一次重合闸并成功合闸的最长时间需要17.1 s，小于防跳功能的延时时间20 s，可有效保证在任何重合闸启动后线路测试动作的情况下，均能对反复合闸的次数进行累计记录，从而实现断路器的防跳功能。

5 结语

本文介绍了直流开关保护中的线路测试功能、自动重合闸功能的原理，并通过发生在西安地铁2号线的故障实例，对西安地铁牵引直流供电系统中的自动重合闸、线路测试相互配合的动作过程进行了分析;通过分析西安地铁直流开关线路测试、自动重合闸的整定值，发现了自动重合闸过程中的断路器防跳保护和线路测试功能存在的时间匹配问题，对整定值中存在的问题提出了整改建议。

在城市轨道交通中，直流馈线开关设置的自动重合闸功能和线路测试是最常见的线路保护功能。馈线断路器在合闸前和故障跳闸后重合闸前，需经过线路测试装置对馈线进行非短路故障确认，即馈线线路测试得到测试通过后才能执行合闸命令。在设置各保护的整定值时，应充分考虑各项保护功能的相互匹配，确保各项保护功能的正常执行。

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