摘要：地铁交通工程是一个涉及领域很广的大系统，涵盖机电、工建、通号、供电、AFC、综合监控、列车辆系统等多个细分专业，而供电系统是整个地铁交通系统的能量源泉。在整个供电系统中，普遍使用直流牵引电力为地铁机车提供电能。本篇文章主要侧重阐述供电系统中的负极柜设备特性，以及负极柜隔离开关的控制机理、闭锁逻辑及相关故障处理方案研究。对保证地铁供电系统正常运行有重要意义。
关键词：负极柜 隔离开关 闭锁 故障处理
一、地铁负极柜系统概述
1、在地铁供电系统中，普遍使用直流牵引电力为地铁机车提供电能。其中负极柜是连合回流钢轨设备与整流器柜阀侧负极的开关设备。一般牵引变电所的负极柜机构由手动操作的负极隔离刀闸、负极回流母排、分流器、人机交换操作界面、回流电流表、二次低压回路、框架故障保护装置组成。
2、当负极柜发出框架保护动作跳闸信号后，35KV交流中压断路器以及直流馈线柜断路器会闭锁合闸指令，仅当处理故障完毕后并且复归负极柜的框架保护之后，才撤除对35KV中压柜和直流开关柜相关闭锁操作。负极柜同时属于直流牵引系统的数据通信汇总中枢，具收集各项数据、发出各类控制、联跳脉冲信号功能，并经过PSCADA通信通道传输数据至后台。
二、负极柜隔离开关控制机理及闭锁逻辑
1、负极柜隔离开关控制方式
负极柜隔离开关是需手动控制的开关刀闸，需专用的负极拉杆去操作分合本柜隔离开关。其中隔离开关与35KV中压交流柜、1500V直流进线柜存在逻辑闭锁关系。
2、隔离开关作用
隔离开关的设置主要是用于隔离电源、倒闸控制、连接、切断供电直流牵引回路用。虽隔离开关不包括灭电弧作用，但设置了负极柜隔离开关，可在拉开刀闸后，使直流牵引回路有具体可靠隔离点，防止直流设备检修作业事故发生，保证供电检修人员安全。
3、负极柜隔离开关操作的闭锁逻辑
由于地铁供电系统中35KV中压断路器、1500V直流进线柜作用均是起闭合电路、切断电流作用，正常操作下无条件进行分闸动作。而隔离开关不具备灭弧功能，不能带负荷断开，因此整个地铁直流牵引系统合闸顺序为先操作闭合隔离开关，再操作闭合断路器。而分闸顺序是为先操作分断断路器，再操作分段隔离开关。因此负极柜隔离开关可手动操作的闭锁逻辑为（1）地铁供电系统交流35KV中压断路器为分闸状态；（2）直流牵引系统1500V进线断路器为分闸状态。（3）直流牵引系统自检测试通过，对应直流开关柜无报警、跳闸、故障信号。必须满足以上三点，对应的负极柜隔离开关刀允许操作。
4、负极柜隔离开关的电气闭锁电路及工作原理
常见负极柜隔离开关操作部分主要通过隔离开关刀闸，操作手柄，闭锁电磁铁、直流操作电源等组成。闭锁电路图如下。
隔离开关的控制机理为：分合操作隔离刀需要通过专用负极拉杆去拉动。负极柜PLC检测得操作逻辑条件未满足时，闭锁电磁铁不得电，卡住操作机构，负极拉杆无法转动操作机构；仅当满足负极柜操作逻辑条件时，闭锁电磁铁得电，锁芯被吸出，操作机构可被负极拉杆转动以控制其分合闸状态。负极柜隔离开关操作刀仅在35KV中压断路器分闸位、直流牵引系统检测就绪、1500V进线断路器分闸位才能操作。
三、地铁负极柜故障诊断处理
1、在供电系统中，负极柜常见故障可分为一次回路故障和二次回路故障。当发生负极柜的故障时，应当按先检查一次回路，再排查二次回路的顺序进行。
2、负极柜一次回路故障点一般出现在负极回流母排，负极柜框架等；需要注意的是直流牵引系统的框架保护一般是由于直流正极母线与框架出现泄漏电流或者短路问题，触发框架保护联跳直流各开关柜、中压断路器等。
除以上情况外，负极母线也会对框架出现泄漏电流或者短路问题启动框架保护动作，导致直流开关柜本站、邻站跳闸。此时需要特别检查一次回路上是否存在故障点，比如负极母排与柜体框架若故障接触，使外壳框架与负极母线出现短路，这时候每当地铁制动的瞬间，牵引电流瞬间下降，正极电压提高，负极与地电位会出现改变，每当地铁启动瞬间，牵引电流瞬间提高，正极电压下降，而负极与地电位对比正常情况下会降得更低；在地铁启动和制动这些过程中，随着直流系统框架与地网之间存在较大电位差，随后电流传感器检测得框架对地的电流值达到框架保护的整定值，则触发框架保护。
因此，负极柜内一次回路的短路故障也可触发框架保护跳闸，不论方向与极性，只要出现直流系统框架对地电位差较大，产生的故障电流值超整定值便触发框架保护动作。框架保护照样适用负极柜短路故障。
3、负极柜二次回路故障较多出现在PLC、传感器、二次接线、各类变送器等元器件上。二次回路故障直接影响整个直流供电系统的保护、检测无法正常启动，或影响设备无法完成相应分合闸动作，更严重则导致开关柜跳闸。以下侧重分析关于负极柜的隔离开关闭锁点的故障，导致直流开关柜跳闸的故障案例。
故障现象：在送电期间直流牵引系统一进线开关柜自动分闸，故障发生后经查看设备本体运行状况无异常，报文只显示进线开关分闸报文，无相关继电保护动作信息。
故障原因诊断：首先检查故障1500V进线柜设备一次本体，及相关二次回路，无发现明显异常；然后尝试多次对电容脱扣装置（小车PLC通过此装置向断路器脱扣线圈发送脉冲使其得电，令小车断路器的动触头从合闸位变位至分闸位，完成直流开关柜的可靠快速分闸动作）进行误触发故障模拟，检查后台报文显示与故障当晚进线柜自动分闸报文不一致，电容脱扣动作引起分闸的原因可以排除；并通过类似方法系统地模拟测试各种可能故障情况。
通过对进线柜开关、小车本体以及柜内的二次回路的检测后均未发现异常情况，从而确定是由于外部设备闭锁关系引起自动分闸。其直流开关柜与负极柜隔离开关闭锁回路如下图：
上图是直流开关柜解除与负极柜闭锁回路，根据负极柜隔离开关控制机理及闭锁逻辑，若该处任何一辅助触点接触不良都会导致本开关柜自动分闸，且后台无其它报文只显示进线开关分闸报文，其中图中Q31为负极柜隔离开关解除闭锁辅助触点、Q0为35KV中压柜开关解除闭锁辅助触点。
从负极柜设备的原理逻辑可知，负极刀闸、35KV三工位开关闭锁触点均与本身机构同步转动实现分合来通断电路。通过对机构与触点的之间进行多次的检测，可以确认负极隔离开关、35KV开关闭锁触点任一对出现问题，直流进线开关均自动分闸，且无显示除分闸报文外的其它报文，测试出来的结果，与当晚故障发生分闸的报文一致。
最后经过分析，闭锁辅助触点发生接触不良的可能原因有以下几点：（1）负极隔离开关的辅助触点弹片存在老化问题，弹片经过开关机构的联动操作后，自恢复性变差，造成再闭合接触时发生接触不到位；（2）中压35KV开关辅助触点的联动机构在转动过程的角度精度有变化，从而造成单个触点的接触不良，长时间通电过程中，由于接触电阻过大而断开电路；（3）35KV开关柜闭锁回路的端子排存在质量问题，从而造成闭锁回路的触点接触不良，引起分闸。
因此，本次跳闸故障由于隔离开关闭锁回路的辅助触点发生接触不良，无法满足相关闭锁逻辑，直接导致送电过程中直流牵引进线柜出现跳闸故障。
故障处理及缺陷优化：根据设备的实际情况和经过多次的研究和测试，提出以下方案：进行触点并线的改造。主要在原有的负极隔离开关辅助常开触点上并联一组备用触点，以增加触点的导通性能，减少线路松动或接触不良的情况；同时，在中压35KV开关柜上，将原来的中压开关柜解除负极柜闭锁回路辅助触点与一组备用触点并联，以增加触点的导通性能，减少线路松动或接触不良引起的自动分闸故障。并对全线牵引所进行整改，杜绝此类故障的发生，很好地优化负极柜隔离开关闭锁控制的缺陷问题。
总结
本文论述了直流牵引系统的负极隔离开关的控制机理及闭锁逻辑，以及说明了框架保护不论极性与方向，其同样适用于负极柜框架短路故障，只要直流系统框架对地电位差达到一定时，故障电流值一旦超过整定值便触发框架保护动作。并且根据隔离开关的闭锁逻辑回路和现场对辅助触点进行了分析，优化了因闭锁回路中各闭锁触点的缺陷问题，解决了牵引系统直流开关柜自动分闸故障。有效减少了设备误动作造成的停电风险，也保证了整个地铁供电系统的人身安全和设备安全。
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论文作者:梁煜壕
论文发表刊物:《电力设备》2019年第2期
论文发表时间:2019/6/5
标签：负极论文; 触点论文; 回路论文; 故障论文; 框架论文; 开关柜论文; 操作论文; 《电力设备》2019年第2期论文;