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摘要：本文主要介绍了广州地铁一号线直流牵引系统的结构组成、运行方式、DC1500V直流开关柜的控制原理以及几种常见的故障分析。在掌握基本原理的前提下，根据故障现场实际情况分析总结，找出解决故障的最优方法。为日后设备供电的可靠和解决DC1500V直流开关柜技术故障打好基础并积累宝贵的经验。
关键词：DC1500V直流开关柜；控制原理；故障分析
1 前言
随着城市的快速发展，地铁由于其具有运量大、速度快、安全、准点、保护环境、节约能源和用地等特点，逐渐成为广大市民外出交通工具的第一选择。供电系统是地铁安全运行的动力源泉，深入地认识直流牵引供电系统的故障机理是提高牵引供电系统安全运行能力及相关保护控制技术的基础。目前我国直流牵引供电系统故障机理研究稍显滞后，研究DC1500V直流开关柜的控制原理及常见故障，一方面可以确保向地铁列车提供安全可靠供电，减少甚至消除不必要的停电，提高经济效益，另一方面可以在直流牵引供电系统发生故障时，需要保护装置有选择性及时切除故障，保护供电设备及人员安全。因此对于直流牵引供电系统、DC1500V直流开关柜的控制原理及其常见故障分析的相关问题研究具有十分重要意义。
2 DC1500V直流开关柜的控制原理
2.1 一号线直流供电系统组成
在城市轨道交通中牵引供电系统采用直流供电制。广州地铁一号线的直流供电系统采用DC1500V的供电电压，电能从牵引变电所经馈电线、接触网输送给电动列车，再从电动列车经钢轨（称轨道回路）、回流线流回牵引变电所。由馈电线、接触网、轨道回路及回流线组成的供电网络称为牵引网，如图2-1所示是广州地铁一号线直流供电系统图。牵引降压混合变电所33kV 侧和 0.4kV 均为为单母线分段，按其所需容量设置两组牵引整流机组并列运行。当其中一套机组因故退出运行时，另一套机组在具备运行条件时不应退出运行。
图2-1 广州地铁一号线直流供电系统图
2.2 一号线直流供电系统运行方式
在地铁直流供电系统中，主要是由DC 1500V开关向DC 1500V母排供电，再经母排引电向相应的接触网供电分区供电，从而为列车运行提供动力支持。
牵引变电所向接触网（或接触轨）供电方式有两种，即单边供电和双边供电。城市轨道交通接触网（或接触轨）在每个牵引变电所附近由电分段进行电气隔离，分成两个供电分区，每个供电分区也称为一个供电臂，如列车只从所在供电臂上的一个牵引变电所获得电能，这种供电方式称为单边供电。如一个供电臂同时从相邻两个牵引变电所获得电能，则称为双边供电。
2.3 DC1500V直流开关柜的分/合闸原理
DC1500V开关柜使用小型化可编程器件S5-95执行本开关柜的控制、测量和信号显示功能，并通过现场总线SINEC L2与中央信号屏（S5-115）进行通信，当S5-95对断路器分/合闸命令进行处理判断，若满足开关分合条件，则输出命令控制断路器的分/合闸。其控制方式可分为：当地控制、变电所PC机遥控、OCC PC机遥控三种。小车在试验位时，按下柜内的“直接合”按钮，可以不经过线路测试回路直接对开关送电。
2.3.1 当地合闸控制
当本所未收到邻所双边联跳信号、本所框架保护未动作、无MCB跳闸、无断路器故障、无小车故障和3UB61保护模块未出口时，操作人员在当地按下合闸按钮发出一个合闸命令并传输至S5-95，S5-95先检测断路器是否处于合位。若不在合位，则S5-95输出“断路器释放”命令，K15线圈得电，其两对常开点（13、14）（23、24）闭合；S5-95输出“测试接触器合”命令，K0线圈得电，其常开点（13、14）闭合，接通线路线路测试回路，且线路绝缘测试通过；S5-95输出“断路器合闸”命令，K11线圈得电，其常开点（1、2）闭合；S5-95输出“辅助脉冲继电器合闸”脉冲，K10线圈瞬间得电，其常开点（1、2）闭合，然后断开，由R10自保持，保证断路器线圈受电后通过操作机构合闸，然后接通合闸信号返回回路常开点B（3、4）将开关合闸信号返回给S5-95，S5-95检测确认“在规定的时间内断路器处于合位”时，复位输出“断路器合”，断路器合闸成功。
2.3.2 当地分闸控制
操作人员在当地按下分闸按钮发出模拟分闸信号并传输至S5-95，S5-95先检测断路器是否处于分位，若不在分位，则输出“断路器分”命令，K11线圈失电，其常开点（1、2）断开，断路器线圈失电分闸，然后接通分闸信号返回回路常闭点B（1、2）将分闸信号返回给S5-95，S5-95检测确认“在规定的时间内断路器处于分位”时，复位输出“断路器分”，断路器分闸成功。
2.3.3 遥控分/合闸原理
通过远控终端装置（RTU）将命令传至中央信号屏（S5-115），再通过柜内的现场通信总线SINEC L2传输至相应柜内的S5-95，最后通过S5-95内部设定的程序处理判断后，输出分/合闸命令，其控制过程与当地分/合闸操作过程是一样的。
2.3.4 保护动作跳闸控制
如果保护动作，其出口继电器常开点闭合，其串联在直流馈线开关柜的分/合闸控制回路的常闭点断开，使K11线圈失电，其常开点（1、2）断开，断路器线圈失电分闸，然后接通分闸信号返回回路常闭点B（1、2）将开关分闸信号返回给S5-95，S5-95检测确认“在规定的时间内断路器处于分位”时，复位输出“断路器分”，用于当地指示断路器分闸位（指示按钮显示绿色），同时在S5-95相应的保护跳闸故障信号点会亮红灯。
2.3.5 自动重合闸
在直流牵引供电系统中，馈线断路器在合闸前及故障跳闸后重合闸前，需经过线路检测回路对线路进行非永久性短路确认后才能合闸。DC1500V馈线开关柜因大电流脱扣、电流变化率保护（di/dt）和电流增量保护（△I）动作跳闸，8s后S5-95启动断路器的自动重合闸；当因接触网热过负荷保护动作跳闸时，闭锁断路器的测试装置和自动重合闸功能2分钟后S5-95启动断路器的自动重合闸；当因框架保护动作后，不启动自动重合闸功能。
3 DC1500V直流开关柜常见故障分析
3.1 接触网热过负荷保护动作
造成直流馈线开关热过负荷跳闸主要有两大原因：接触网的负荷情况、变送器故障。当发生接触网热过负荷保护动作，应当首先收集外部故障信息：供电区列车数量、行车间隔、行车密度，以及接触网、列车是否存在故障等。同时应当检查直流馈线开关U2变送器（热过负荷电流采集回路）是否存在断线、故障、端子松动等问题。
由于U2变送器电气参数为±150mV/0-10V,经过分流器4000A/60mV 的低电压信号输入变送器U2，U2变送器输出0V对应一次侧电流-12000A，5V对应一次侧0A，10V对应一次侧电流+12000A。故当U2变送器故障，输出端电压变为0V，则S5-95-95认为线路电流为-12000A，在S5-95-95内部执行热过负荷运算后，出口跳闸，并且不联跳对侧也不启动自动重合闸。
3.2直流馈线开关△I、di/dt保护动作
馈线柜出现△I保护动作出口跳闸，如果没有其他信号出来，首先既要收集外部信息判断是否接触网、列车故障，同时检查直流馈线开关保护装置及变送器U1(3UB61保护装置变送器)是否故障，当直流馈线开关△I保护动作出口跳闸，而又有装置故障的信号，可初步判断是变送器故障：
1、变送器输入端突然开路（完全断开）或突然完全坏并无输出或输出稳定时，小车馈线在变送器突然开路会跳闸，3UB61会报△I保护动作出口跳闸，8秒后馈线小车能够自动重合，重合后不会再跳闸；在D11的Q0.6会有装置故障灯亮；
2、变送器输入端的接线有松动（但接线接触不好）或变送器输出不稳定时，3UB61会报△I保护动作出口跳闸（并联跳对所），8秒后馈线小车能够自动重合，重合后会继续再跳闸再重合，在D11的Q0.6的装置故障灯一会亮一会灭；
3、若确认变送器无故障，需要进行3UB61保护装置校验，判断是否为保护装置故障。
在运营期间出现上述1的现象，变送器故障将引起馈线跳闸（并联跳对所馈线开关），8秒后重合闸，此时本所馈线柜的3UB61已退出保护，接触网的di/dt、△I保护由对所的3UB61完成。
在运营期间出现上述2、3的现象，由于出现不停的本所馈线和对所的馈线开关跳闸，可直接将3UB61的1端子拆下，暂时将3UB61装置的di/dt,△I保护退出。
3.3框架保护动作
框架保护动作后首先应当收集外部故障信息：列车、接触网有无故障情况，整流变室、高压室是否报火警等。若是由于外部原因引起框架保护动作，通常情况下均伴随di/dt、△I、轨电位等保护动作。直流系统一次设备原因导致框架保护动作，通常设备房会伴随烟感、温感、火灾报警等。若以上情况均排出，应当重点检查二次设备：
1、当负极柜分流器R101（1000A/150mV）接入变送器U1(±20mV/±10V)故障时，在IW40与M间的电压在0.05V以上（正常IW40与M间的电压为0V～0.05V以下），如果U1的输出（IW40,M）超过5.247V（35A），本所的所有直流开关和对所的直流馈线开关动作和本所交流106、107柜为电流型框架保护出口跳闸，而线路未发现任何短路故障和本所与临近的牵引所轨电位却未动作；
2、当负极柜变送器U2(±600V/0～5V～10V)故障时，IW42与M之间的电压超过5.75V～5.83V（直流90V）为框架报警（正常时在IW42与M之间的电压为4.9～5.1V ）；超过5.83V（直流100V）本所的交流106、107，本所的所有直流开关和对所的馈线开关框架电压型保护出口跳闸；而本所与临近的牵引所轨电位却未动作。
若在运营期间U1故障引起跳闸，将U1输入S5-95-95的信号拆除即IW40拆下，复归框架，暂时将电流型框架保护退出；若在运营期间U2故障时引起跳闸，将引起本所框架跳闸的馈线直流开关的F13断开，在负极柜上按S10复归框架（或远方复归），暂时将故障所退出；或在负极柜内U2的输出端（IW42,M）端子输入DC5V的模拟电压，屏蔽电压型框架保护；拆除负极柜S5-95 D10模块Q32.2、Q32.3，或拆除X1-44、X1-45端子，解除框架保护联跳交直流测开关。
4 总结
由于环境恶劣、设备老化等不确定因素，DC1500V直流系统发生故障的概率具有不确定性，这要求巡检人员在日常设备巡视时多多关注变电所内温度、湿度等参数变化，如有异常要及时上报。同时，各工班长和技术人员也要针对此类常见故障类型做好技术理论分析，不断完善故障处理流程，并根据检修周期合理安排施工计划，尽力将设备故障发生的概率降至最低。
参考文献
[1]仇龙刚. 直流牵引供电系统故障分析与保护方法研究[D].成都：西南交通大学,2015.
[2]李群湛.城市轨道交通交流牵引供电系统及其关键技术[J].西南交通大学学报,2015,50(2):199-207.
[3]张鑫.地铁直流牵引供电系统控制及保护装置的研究[J].价值工程，2015:126-128.
[4]张勋，李夏青.直流牵引供电系统的建模以及参数分析[J].北京石油化工学院学报，2011（01）.
作者简介：鲁晓珊（1990—），女，湖北天门人，助理工程师。
论文作者:鲁晓珊
论文发表刊物:《电力设备》2016年第22期
论文发表时间:2017/1/18
标签：断路器论文; 故障论文; 供电系统论文; 常开论文; 开关柜论文; 动作论文; 变送器论文; 《电力设备》2016年第22期论文;