肖明輝

0 引言

在地鐵郊區(qū)線的建設(shè)過程中，常常會遇到車站間距大的情況?？紤]故障情況下牽引變電所的支援以及鋼軌回流、鋼軌電位等因素，一般要在長大區(qū)間設(shè)置區(qū)間牽引變電所。對于長大區(qū)間牽引變電所內(nèi)是否設(shè)置鋼軌電位限制裝置，不同設(shè)計往往會給出不同方案。本文結(jié)合運營中出現(xiàn)的實際問題，具體分析有關(guān)故障，探討區(qū)間牽引變電所設(shè)置鋼軌電位限制裝置的必要性。

廣州地鐵四號線新造站和官橋站為相鄰2 座高架車站，2 個站間距約為6.3 km，在新造站和官橋站之間設(shè)置了新官區(qū)間牽引變電所，該區(qū)間牽引變電所中沒有設(shè)置鋼軌電位限制裝置。高架區(qū)間，在接觸軌與地之間設(shè)置避雷器，作為正極過電壓保護；在鋼軌與地之間設(shè)置避雷器，作為負極過電壓保護。

在運營過程中，新官區(qū)間牽引變電所至官橋站區(qū)間上行段接觸軌與地之間的直流避雷器爆炸，導致正極對地短路故障。出現(xiàn)正極對地短路故障后，官橋站直流開關(guān)柜保護裝置動作，而新官區(qū)間牽引變電所直流開關(guān)柜保護裝置沒有動作。根據(jù)對新官區(qū)間牽引變電所保護裝置的試驗，驗證新官區(qū)間牽引變電所設(shè)備均正常。有人認為新官區(qū)間牽引變電所直流開關(guān)柜保護裝置不動作的原因是未設(shè)置鋼軌電位限制裝置造成的。

1 故障分析

1.1 故障情況

新官區(qū)間牽引變電所—官橋站高架區(qū)間避雷器故障，形成正極對地短路，導致官橋站直流饋線開關(guān)211 的保護裝置SEPCOSΔI 保護動作跳閘。避雷器故障點里程為ZDK28+750，新官區(qū)間牽引變電所里程為ZDK26+667，官橋牽引變電所里程為ZDK29+800。新官區(qū)間牽引變電所距離故障點約2.083 km，官橋站距離故障點約1.05 km。

官橋站直流饋線開關(guān) 211 的保護裝置SEPCOSΔI 保護動作跳閘的故障錄波波形如圖1 所示，亦稱直流短路故障波形圖。

圖1 直流短路故障波形圖

經(jīng)查，新官區(qū)間牽引變電所開關(guān)213 保護整定值：DA（大電流脫扣整定值）為9 000 A；E（保護啟動值）為50 kA/s；F（保護返回值）為9 kA/s；ΔI（電流變化量定值）為6 000 A；ΔImin（最小電流變化量定值）為1 200 A；tΔI（最小電流變化量保護跳閘延時時間）為1 ms；T（保護延時時間常數(shù)）為80 ms。官橋站開關(guān)211 保護整定值：DA為9 000 A；E 為50 kA/s；F 為9 kA/s；ΔI 為4 000 A；ΔImin為1 200 A；tΔI為1 ms；T 為80 ms。

當新官區(qū)間牽引變電所—官橋站出現(xiàn)正極對地短路，短路電流通路如圖2 所示。

圖2 直流短路電流回路圖

1.2 官橋站保護裝置動作

由官橋站開關(guān)211 SEPCOS動作跳閘后錄波圖看出，在官橋站開關(guān)211 測得短路電流的初始值di/dt≈2 350 /5 = 470 A/ms，約在13 ms 達到ΔI 整定值，達到ΔI 定值（4 000 A）時的di/dt≈（4 000～3 775）/0.5 = 90 A/ms。

因為90 A/ms 大于F 值（9 kA/s），所以開關(guān)211 ΔI 保護出口；又因為電流最大值沒有達到9 kA，所以大電流脫扣保護裝置沒有動作。

因此，官橋站開關(guān)動作與設(shè)定是相符的。

1.3 新官所開關(guān)213 保護裝置不動作原因

新官區(qū)間牽引變電所距離故障點較遠，雖沒有設(shè)置鋼軌電位限制裝置，但通過官橋鋼軌電位限制裝置，估計初始di/dt 也會大于E 值（50 kA/s），ΔI 保護裝置起動。

但因距離較遠，所以di/dt 肯定比官橋站開關(guān)211 檢測到的值小，且其開關(guān)213 的ΔI 整定值為6 000 A，比官橋站設(shè)定的ΔI 高。

從官橋站開關(guān)211 的錄波圖中看出，當官橋站開關(guān)211 測得短路電流上升到6 000 A 時（短路約持續(xù)30 ms 時的時刻），di/dt 已→0，持續(xù)時間約12 ms，此持續(xù)時間大于tΔI，且逐漸減為負值，而此時官橋站開關(guān)213 側(cè)的電流一定沒到6 000 A（因為新官區(qū)間牽引變電所—故障點要比官橋所—故障點遠，所以官橋站相當于近端，電流上升得快），保護還沒有出口，而官橋站此時的di/dt 小于F（9 kA/S），且持續(xù)時間約12 ms 大于tΔI，因此，新官區(qū)間牽引變電所的開關(guān)213 的ΔI 保護返回。

根據(jù)波形，在短路發(fā)生后的約42 ms 時，電流重新上升。開關(guān)213 的ΔI 保護裝置也可能重新起動，但此時ΔI 的計算基值已不再是0，而是約42 ms時的電流值（I1，幾千安培為基準值），當電流再上升到I1+ 6 000 A 時，保護才能出口。而這時可能有以下幾種可能，而使得保護不能動作，又返回。

保護雖未返回，但在電流上升到I1+ 6 000 A之前或在（42 + 80）ms 之前，避雷器防爬器已經(jīng)動作，將故障隔離了。

因此，綜上，新官區(qū)間開關(guān)213 保護裝置未動作（應是第一次出口前返回了），另外，在防爬器動作之前，開關(guān)213 的電流肯定未達到9 000 A，大電流脫扣器也不動作。

1.4 設(shè)鋼軌電位限制裝置后開關(guān)213 動作分析

新官區(qū)間牽引變電所開關(guān)213 ΔI 保護裝置動作的條件是：在短路持續(xù)30 ms 之前（即di/dt 小于9 kA/s 之前），電流大于6 000 A。該點官橋站開關(guān)211 測得的電流為6 000 A，新官區(qū)間牽引變電所要比官橋站離故障點遠將近1 倍（1 km 左右），所以，此時新官區(qū)間牽引變電所開關(guān)213 測得電流肯定小于6 000 A，因此該保護裝置肯定不動作，新官區(qū)間牽引變電所即使增加鋼軌電位限制裝置，出現(xiàn)該類故障時新官區(qū)間牽引變電所開關(guān)213 也未必動作。

2 鋼軌電位限制裝置的設(shè)置

鋼軌電位限制裝置原理如圖3 所示。設(shè)置鋼軌電位限制裝置的目的是限制鋼軌與地之間的電位，以避免人員在軌道區(qū)域受到鋼軌與地之間高電位的傷害。其內(nèi)設(shè)有電壓測量回路用來測量鋼軌和地之間的電位差，當鋼軌對地低電壓或者地對鋼軌電壓超過一定幅值時，鋼軌電位限制裝置動作。鋼軌電位限制裝置根據(jù)EN50122-1 標準設(shè)三段電位動作保護，當鋼軌與地之間的電位在90～120 V 時，接觸器延時1 s 合閘；當鋼軌與地之間的電位120～170 V 時，接觸器無延時合閘；當鋼軌電位限制裝置大于600 V 時，晶閘管在0.2 ms 內(nèi)導通，加速鋼軌與地之間的短接。

圖3 鋼軌電位限制裝置原理圖

鋼軌電位限制裝置接通時，提供了負極與地之間的電流通路。但這只是牽引變電所中負極與地電流通路之一。排流柜也連通了負極與地。鋼軌電位限制裝置只是為保護軌道區(qū)域的人身安全才設(shè)置，對于不預留車站的區(qū)間牽引變電所，軌道區(qū)域在運營時是沒有人員的，可以不設(shè)置鋼軌電位限制裝置。至于負極與地之間的電流通路未必一定要通過設(shè)置鋼軌電位限制裝置才能實現(xiàn)。

在地鐵直流牽引供電系統(tǒng)中，鋼軌對地絕緣安裝，被用作直流牽引電流的負極回流通路。因此，鋼軌對地有時存在高電位，而列車與鋼軌之間是等電位的，當乘客站在站臺時，有可能通過列車車體接觸到這一高電位。特別是在站臺上安裝了站臺屏蔽門之后，由于站臺屏蔽門直接與鋼軌連接，更增加了乘客接觸鋼軌高電位的機會。為了保障乘客的安全，在鋼軌或負母排和地之間安裝了鋼軌電位限制裝置，當鋼軌電位超過預定的值時，鋼軌電位限制裝置將鋼軌電位鉗制到地電位。因此鋼軌電位限制裝置作為保護乘客安全設(shè)備，一般情況下，只在車站或者預留車站的變電所設(shè)置。

3 結(jié)束語

綜上所述，官橋所保護動作與設(shè)定相符。由于新官區(qū)間牽引變電所不是車站，對于包含范圍內(nèi)正常的接觸網(wǎng)對鋼軌或者接觸網(wǎng)對接地扁鋼的金屬性短路，新官區(qū)間牽引變電所都能正常動作。本文所論述的新官區(qū)間牽引變電所問題，對于一般區(qū)間牽引變電所都是適用的。故，區(qū)間牽引變電所中可以不設(shè)置鋼軌電位限制裝置。如設(shè)置鋼軌電位限制裝置，只是在出現(xiàn)接觸網(wǎng)對地短路時，更有利于保護，但是否設(shè)置需根據(jù)具體情況確定。