轨道交通直流断路器故障跳闸案例分析

赵胜豪

(深圳市地铁集团有限公司运营总部，广东深圳518000)



轨道交通直流断路器故障跳闸案例分析

赵胜豪

(深圳市地铁集团有限公司运营总部，广东深圳518000)

针对城市轨道交通供电设备直流断路器自身故障引起相邻直流开关保护跳闸，根据现场的故障数据判断和对比，分析引起开关跳闸的相关原因，并提出了解决方法。

直流断路器跳闸分析

在地铁的供电系统中，由于1 500 V直流供电系统的稳定性直接影响到行车安全，所以直流开关断路器设备的稳定运行一直占据着重要的位置，而其开关柜本身的故障不仅会引起自身断路器的跳闸，还会引起相邻的直流开关柜保护动作[1-2]。本文通过对实例的分析，和相关数据的对比，判断出影响自身与相邻直流断路器正常运行的相关原因，并对后续的处理和改进措施提出方案。

1　现场供电设备故障现象

2012年8时00分05秒，深圳地铁蛇口线黄贝岭站213直流断路器上升率延时保护跳闸、214直流断路器电流速断保护跳闸，新秀站211直流断路器上升率延时保护跳闸、212上升率延时保护跳闸，后四台直流断路器重合闸成功。

1)此种特殊现象的出现极为罕见，因为根据地铁直流牵引供电系统要求[3]：为保证供电可靠性，采用双边供电，并通过相关保护的设定，继电保护动作值的大小，时间的长短，来区分远端和近端的故障种类，以便实现供电保护装置的选择性和速动性[4-5]。也就是说：一个线路如果出现故障，如果两端都设有保护装置，那么只会引起两端的保护动作，而不会引发相邻设备跳闸。在本案中黄贝岭和新秀是相邻两站，因此黄贝岭214与新秀212共同保护2×12接触网线路,如果此线路发生短路，则黄贝岭214与新秀212会共同迅速跳闸，而不会影响黄贝岭213与新秀211断路器状态。

2)但以上相关故障报文和以下波形的分析，却与地铁供电系统设计不符。

具体查找思路如下:首先采集了四台直流断路器保护装置的故障录波进行分析,故障录波(图1、图2、图3、图4)所示。

3)5月22日凌晨，变电专业抢修人员抢修组对地铁黄贝岭、新秀两站跳闸直流断路器的主触头及辅助触头的烧伤情况及上网电缆进行了检查测试，并核对了所有直流断路器电流变送器，结果如下：

黄贝岭站214柜对应断路器直流断路器的电流变送器故障，测量电流值与实际电流值不符(后发现此变送器的故障才是整个事件的诱因)。当即对故障电流变送器进行更换并进行了测试，电流测量值恢复正常。之后核对了黄贝岭站所有直流开关柜的二次保护定值，并进行了相应的测试，均未发现异常。

4)新秀站211柜对应的断路器直流断路器从分流器到电流变送器的二次采样线极性取反，导致测量电流与实际电流值相反(此现象导致故障录波中显示的电流值仍然为正值，但并不是发生跳闸的原因)，经过调整并进行了测试，电流测量值恢复正常。之后核对了新秀站所有直流开关柜的二次保护定值，并进行了相应的测试。

5)设备启动的保护

供电设备启动了以下二次保护

①黄贝岭站

黄贝岭站214柜启动了电流速断保护(保护定值为6 500 A)，213柜启动了上升率延时保护(保护定值为上升率为25 A/ms，电流变化量2 000 A)，由故障录波可看出214柜故障电流值超过了6 500 A，且持续时间达到1 ms，故DCP保护装置启动电流速断保护；213柜保护动作值为上升率超过了25 A/ms，电流变化量在50 ms内达到2 233 A，故DCP保护装置启动上升率延时保护。

②新秀站

新秀站211、212柜均启动了上升率延时保护(保护定值为上升率为25 A/ms，电流变化量2 000 A)，由故障录波可看出211柜保护动作值为上升率超过了25 A/ms，电流变化量在50 ms内达到2 084 A，故DCP保护装置启动上升率延时保护。212柜保护动作值为上升率超过了25 A/ms，电流变化量在50 ms内达到3 436 A，故DCP保护装置启动上升率延时保护。

2　黄贝岭213、214断路器，新秀211、212断路器跳闸原因分析及定值重新计算

1)经过相关波形的分析和参数的对比，最后得出:由于黄贝岭214直流断路器电流变送器故障，导致所采集的电流值要远远高出实际一次电流值。经确认，在08∶00∶05时间点上，如图5所示，在黄新下行线2×12段与2×13黄新下行线折返线上均有列车启动。也正是由于列车的启动电流瞬间加剧了保护的跳闸，在列车启动过程中，给2×12段接触网供电的214直流断路器上故障电流变送器所测得的电流值达到电流速断保护动作值6 500 A，触发了DCP106保护装置速断保护动作。由于214断路器跳闸，导致同一供电臂上的新秀212断路器负载电流瞬间升高，但此时2×13黄新下行线折返线上也有列车启动，新秀站整流机组负载较大，212断路器部分负载电流由黄贝岭站整流机组供给。

图5　黄贝岭213、214断路器，新秀211、212断路器跳闸电流趋势图

2)具体电流流向为：负载电流经黄贝岭213断路器馈出至2S12段接触网，电流经新秀211断路器直流断路器反送给新秀直流开关柜主母排，再通过新秀212断路器馈出到2×12段接触网。在此过程中，流经黄贝岭213断路器的电流为正向，上升率超过25 A/ms，且50 ms内电流变化量达到2 233 A，引起上升率延时保护动作；流经新秀211断路器的电流为反向，但由于新秀211断路器的电流采样线极性接反，所以故障录波中显示的电流值仍然为正值；新秀211断路器上升率超过25 A/ms，且50 ms内电流变化量达到2 084 A，引起了上升率延时保护动作；流经新秀212断路器的电流为正向，上升率超过25 A/ms，且50 ms内电流变化量达到2 937 A引起了上升率延时保护动作。

3)此种故障的出现在国内地铁供电系统运行中实属罕见，属于几个故障的叠加后出现的现象。因此较为复杂现场难以迅速判断。

为了实现保护功能的选择性后重新按照现场实际对ΔI+di/dt电流增量+电流变化率保护(ROR)进行了定值计算：

在机车内有滤波器，滤波器中电感、电容组成了谐波振荡回路，震荡周期为：

其中：L为滤波器总电感，L′为接触网最大电感。

根据现场数据馈线瞬时(2 s)最大负荷电流：6 000 A；机车最大启动电流2 400 A；后引进了新车型最大启动电流变为3 000 A。机车主回路滤波器参数：L=1.2 mH，C=4 500 μF，R=7.5 Ω。机车辅助回路滤波器参数：L=14 mH，C=460 μF。经过计算后得出F=2 700 A，t=60 ms。DI_del的动作电流值改为2 700 A，t_del动作延迟60 ms可有效实现该保护的选择性。

3　结论及后续改进措施

1)经过上述仔细分析得出：黄贝岭214直流断路器跳闸是由于电流变送器故障引起，并且配合着两列地铁列车的启动引发了瞬间的大电流，从而引起相邻其它三台断路器的保护动作跳闸。

2)根据此次故障分析，在上下行供电臂上供电的4台直流断路器发生某一台直流断路器本体故障跳闸时[6-7](如开关柜内直流断路器位置行程开关故障，DCP保护装置由于无法监测到断路器直流断路器位置导致跳闸)，可能出现其他3台直流断路器上升率延时保护动作跳闸的隐患，在后续的工作中整定值进行进一步完善，并对末端站供电方式进行全面充分论证，重新计算整定值的大小和时间，以确保装置的选择性功能实现。

3)根据地铁设计规范要求，为确保牵引供电可靠性而采用双边供电[8]，从一定程度上来说，也不可避免的涉及到了临近保护装置的动作条件和选项，因此，作为这种特殊供电方式，一旦发生故障，必须从整体上来加以分析和判断，来提高设备故障抢修的恢复速度。

4)在接触网的同一供电区段内，若在短时间内出现两辆/多辆列车相继启动，第一辆列车启动引起电流上升率保护或定时限过流保护启动，而另一辆列车的启动恰巧引起电流上升率保护或定时限过流保护跳闸，这种可能性在理论上是存在的。至于解决的方案，英国ENOTRAC公司的观点认为，人工智能或神经元网络可能是最佳的解决办法，具体的实施方法还需作进一步研究。

Analysis of DC circuit breaker tripping cases in rail transit system

ZHAO Shenghao

For the DC circuit breaker tripping caused by its own malfunctions, we collected and compared malfunction data on site, analyzed the causes of the tripping, and put forward solutions.

DC circuit breaker，tripping，analysis

U279.3

A

1002-6886(2016)04-0076-04