摘要：介紹廣州地鐵2號線1500v直流開關的結構特點，闡述了控制保護原理，舉2例分析有關運營故障，並提出對應措施，以確保地鐵接觸網供電系統的正常穩定執行。
關鍵詞：1500v直流開關；控制保護；故障分析；廣州地鐵2號線
0引言廣州地鐵2號線接觸網採用1500v直流雙邊供電系統。在牽引變電所（以下簡稱牽引所），通過乾式整流器實現24脈波整流，將33kv交流電轉變為1500v的直流電，輸送到母排後通過1500v直流開關經直流電纜輸送到接觸網上。廣州地鐵2號線採用江蘇長江電器集團與瑞士secheron合資生產的1500v直流開關，饋線開關採用了siemens公司的dpu96作測控保護單元，進線開關及回流櫃採用s7控制器。
11500v直流開關的結構特點
1500v直流開關主要由上部連線、下部連線、驅動裝置、合閘機構、分閘機構、大電流脫扣保護裝置、滅弧裝置以及分合閘位置輔助觸點組成。其中驅動裝置和大電流脫扣保護裝置是1500v直流開關的核心部分。
驅動裝置的作用是牽引棘輪拉動動觸頭使其與靜觸頭閉合，完成合閘。驅動裝置由工程塑料支架、限位緩衝彈簧、分閘輔助彈簧、傳動圓鋼組成。整個驅動裝置在合閘線圈鐵心的推動下在受限範圍水平面內沿導軌方向前後運動。
合閘時鐵心推動驅動裝置往前運動，驅動裝置牽引棘輪拉動動觸頭運動；驅動裝置的運動使分閘輔助彈簧壓縮；為避免鐵心向前使動觸頭與靜觸頭發生猛烈衝擊而損壞，驅動裝置執行到限制位置後，限位緩衝彈簧受壓收縮產生與鐵心運動相向的力，吸收驅動裝置的動能使之迅速平穩地停在與靜觸頭密貼的位置。
大電流脫扣保護裝置是直流開關上利用電磁力原理實現直流保護的一種裝置。有乙個由矽鋼片疊成的磁扼垂直套在動觸頭外側，只要開關迴路中的電流達到整定值，磁扼中產生的磁場把銜鐵吸合下來，銜鐵帶動連桿，連桿的運動頂起牽引觸頭的棘齒，原來在水平方向力的平衡被打破，棘輪向上頂起，軸脫扣後，動觸頭在分閘彈簧作用下迅速彈開（這時合閘鐵心未動）。dpu96根據輔助觸點的輸入和主電路電流電壓的測量值進行運算，輸出控制使合閘線圈失電、鐵心後退，驅動裝置在分閘輔助彈簧作用下往回運動，dpu96發出大電流報警資訊。
大電流脫扣保護的整定值通過調整磁扼中的磁通路來實現。
21500v直流開關的控制保護
廣州地鐵2號線1500v直流開關採用西門子dpu96測控保護單元，實現對開關的控制、保護、測量及通訊功能。
2.11500v直流開關的控制
1）在開關本體上直接分閘
開啟1500v開關櫃門，轉動小車面板前的操作手柄至分閘位，不需要經過dpu96判斷條件可以直接分閘，也就是將機械轉動直接作用在大電流脫扣裝置上，使開關脫扣分閘。
2）當地位分合閘
在1500v開關櫃面板上用分合閘按鈕發觸發訊號給本開關dpu96，經dpu96運算判斷後進行分合閘。
3）遠方位控制
牽引所內4臺饋線直流1500v開關的dpu96、2臺進線直流1500v開關及回流櫃的s7各自通過通訊模組，以profibus匯流排協議構成網路，經牽引所內rtu進行通訊協議轉換後，實現牽混所（牽引所和降壓所的統稱，以下同）**訊號屏、牽混所監控微機、occ控制中心對1500v直流開關的分合閘，並取得開關保護、電流電壓量、操作記錄等資料。
2.21500v直流開關的保護
1）大電流脫扣保護
直流進線、饋線開關設定大電流脫扣保護。大電流脫扣主要用於接觸網近端短路保護，它在1500v直流開關上利用電磁原理實現保護分閘。進線開關整定值為12000a，饋線開關整定值為9000a。
2）imax保護
直流饋線開關設定有imax保護，即電流速斷保護。在dpu96中可設定imax的整定值，只要dpu96檢測到開關主電路中電流大於此整定值則dpu96保護分閘。饋線開關整定值imax=8000a。
3）過電流保護
直流饋線開關設定過電流保護。當電流達到整定值3000a並持續30s後dpu96保護分閘。
4）di/dt保護
直流饋線開關設定有di/dt保護，即電流變化率保護。開關合閘後，測量裝置不斷檢測開關主電路中電流的變化率di/dt，當di/dt≥24a/ms時發出報警，di/dt≥40a/ms時觸發dpu96產生中斷。在30ms內如果電流變化率仍高於40a/ms則30ms後dpu96保護分閘；如果30ms內電流變化率低於40a/ms，則di/dt復零，中斷退出5）δi保護
直流饋線開關設定δi保護，即電流增量保護。在di/dt被觸發後（di/dt≥40a/ms）持續1ms，δi達到整定值4000a(饋線開關)，經過延時(1ms)，δi動作，dpu96保護分閘。di/dt保護和δi保護是直流接觸網末端短路的主保護。
6）接觸網熱過負荷保護
直流饋線開關設定有接觸網熱過負荷保護。由於1500v的直流供電系統的電流較大，如果供電導體長時間通過大電流，可能會因供電導體的機械強度降低而導致故障發生。dpu96通過連續檢測開關主電路中電流的大小和時間計算，判斷結果後發出報警，如果電流持續增大則dpu96保護分閘並閉鎖，經過設定的冷卻時間後才可以重新合閘。
7）反向電流保護
直流進線開關設定有反向電流保護。對於進線開關，在其s7（控制器）中檢測進線電流的方向及大小，一旦進線電流出現反向(即流入整流器方向)且大於所設定飄移值，則dpu96保護分閘，同時dpu96控制輸出，通過硬線觸點聯跳33kv整流變進線開關及另外一台1500v進線開關。因此當一台1500v直流進線開關發生反向電流保護時，整個牽引所會退出執行。
從運營安全的角度出發，可以考慮在運營前甩開對另外一台1500v進線開關的聯跳線路，減少故障影響範圍。
8）二極體逆流保護
廣州地鐵2號線1500v採用24脈波全波整流系統，在二極體整流器上裝設有逆流保護。其原理為：在整流器的每乙個整流橋臂上都裝有1個穿心式電流互感器，如果整流橋臂內的某個二極體反向擊穿，則在這個二極體支路的熔斷器開始熔斷的弧前時間和燃弧時間內，將有故障電流流經這個橋臂，接在電流互感器二次側的逆流保護單元就有訊號輸出，向整流機組33kv進線開關保護裝置發出跳閘訊號，33kv開關保護分閘，同時33kv保護控制輸出向1500v進線開關dpu96發跳閘訊號，dpu96再保護分閘1500v進線開關。
9）框架保護
直流開關櫃、整流器櫃、回流櫃設定有框架保護。框架保護分為電流型框架保護和電壓型框架保護。其原理為:
負極櫃的s7（控制器）檢測框架與大地之間的電流和框架對負極的電壓，達到整定值則s7輸出控制，通過硬線觸點向本所所有1500v直流開關及鄰所相鄰1500v直流開關發出聯跳訊號(脈衝寬度大於500ms)，每個直流開關的dpu96或s7收到訊號後保護分閘同時閉鎖自動重合閘程式。
10）饋線開關聯跳鄰所功能及自動重合閘程式
當饋線開關dpu96檢測判斷發生大電流脫扣分閘、imax保護、過電流保護、di/dt保護、δi保護或接觸網熱過負荷保護時，dpu96通過硬線觸點向鄰所饋線1500v直流開關發聯跳訊號(設計整定脈衝寬度少於500ms)，聯跳鄰所饋線1500v直流開關；鄰所饋線開關dpu96檢測到聯跳訊號後進行判斷，滿足條件（聯跳脈衝寬度少於500ms）則跳閘並進入重合閘程式，如果脈衝寬度大於500ms（框架保護動作）則跳閘後退出重合閘程式；供電分割槽兩端的饋線開關跳閘後，如果dpu96各自進入重合閘程式，則分別在85s內測試3次合閘條件，滿足合閘條件則合閘，3次測試都不符合要求則dpu96退出重合閘程式。
31500v直流開關的運營故障分析
3.1 故障案例一
１）故障情況
2023年6月9日，越秀公園站214開關跳閘，dpu96顯示大電流脫扣保護動作，併聯跳與之形成雙邊供電的三元里站212開關。越秀公園214開關重合不成功，三元里站的212開關自動重合成功。其供電示意圖如圖１所示。
２）原因分析
由於三元里站212重合成功，表明故障點不在接觸網上。搶修人員在地鐵車輛上登乘時沒有發現接觸網有瞬時故障點，而214開關大電流脫扣保護動作，表明故障點在牽引變電所近端。檢查越秀公園站接觸網電纜和隔離開關沒有發現異常。
將越秀公園214開關直流小車拉到試驗位，切除與三元里站聯跳電路，試合214開關發現開關合閘聲音異常，同時dpu96再次報大電流脫扣保護動作，214開關再次分閘，因此初步判斷故障點在開關本身內。檢查214開關合閘線圈電阻為8ω(標準7.8ω，20℃)，屬正常範圍內。
將214開關解體後，發現其驅動裝置拉動棘輪的軸脫出，導致214開關大電流脫扣分閘，而此軸脫出的原因是其固定工程塑料斷裂。
３）改進措施
對２號線全線1500v直流開關進行解體，檢查驅動裝置和大電流脫扣裝置機械傳動、受力部件，更換有類似異常現象的開關，防止故障再次發生。在日常檢查中加強對直流開關倉內的溫度、濕度的測量，建立年度溫、濕度檔案。對驅動裝置中的工程塑料支架研究使用其他材料替代的可能性，尋找替代部件。
3.2 故障案例二
1）故障情況
2023年10月1日，海珠廣場站牽引所213開關跳閘重合成功，越秀公園站牽引所211開關跳閘後沒有重合，越秀公園至海珠廣場下行2a7區瞬時失電。圖2為其供電示意圖。
２）原因分析
故障發生後，檢查海珠廣場站213開關及越秀公園站211開關、海珠廣場至越秀公司下行接觸網裝置、地鐵車輛（故障時有一地鐵車輛在2a7區），未發現異常。檢查海珠廣場站213開關及越秀公園站211開關dpu96，發現海珠廣場站213開關di/dt保護動作，分斷電流1600a，dpu96進入重合閘程式，第1次檢測後開關重合成功；越秀公園站211開關收到鄰所饋線開關聯跳訊號，但dpu96閉鎖211開關，同時dpu96退出自動重合閘程式，因此越秀公園站211開關沒有進行重合。分斷電流1600a，基本可以排除接地故障（接地故障經驗值在5000a以上）；在進行海珠廣場站213開關dpu96二次保護校驗後，排除二次保護裝置故障的原因。
根據上述檢查的結果，初步判斷213開關di/dt保護動作的原因與地鐵車輛的取流狀態有關。對海珠廣場站213開關dpu96資料**後進一步分析，發現213開關di/dt保護報警的情況很多，2023年以來有141次報警，而同期全線其他牽引所開關di/dt保護報警最多的只有20次，其他的在10次以內。因此最終判斷地鐵車輛在此區段取流變化存在著不同於其他區段的特點。
在海珠廣場站213開關dpu96二次保護校驗時，檢查越秀公園站側收到的聯跳訊號，發現聯跳脈衝寬度有時出現大於500ms而海珠廣場站輸出端正常的情況。更換越秀公園站聯跳輸入繼電器後正常。
3）改進措施
針對此次故障，在滿足安全和綜合考慮dpu96相關保護配合的條件下，採取適當提高海珠廣場站213開關dpu96di/dt保護整定值和時間的方法，以躲開此區段地鐵車輛取流的影響。到目前為止，海珠廣場站213開關沒有再出現di/dt保護報警或動作的情況。
4結論①δi和di/dt是直流供電系統中具有自身特點的保護，其相關整定值的確定（如定值、持續時間或延時），要通過計算線路末端的短路電流及其變化率來確定。
②運營經驗表明，δi和di/dt保護的最終整定，還必須考慮與地鐵車輛及運營的配合情況，如必須能夠躲過機車的啟動電流和衝擊電流對保護裝置的影響，與隧道線路狀況（上下坡度、坡長等）、列車執行圖充分結合，這樣才可以保證δi和di/dt保護的正確動作。
③對於饋線開關故障聯跳鄰所開關的訊號，鄰所開關dpu96是通過輸入脈衝寬度來判斷故障型別的，一旦輸入電路出現卡滯不靈敏的情況，將導致鄰所開關dpu96退出重合閘程式，因此可考慮採用數字通訊方式進行改進。
④直流開關投入使用2年後，應對直流開關本身進行拆解檢修，充分檢查開關內部各部件的狀態，消除隱患。
⑤在運營時間，必須充分掌握直流開關高壓室的環境狀況，如溫度、濕度、灰塵等，建立檔案，保證直流開關有乙個良好的執行環境。
1500v直流供電系統在我國城市地鐵系統中已有一定範圍的應用，深入分析1500v直流開關的控制保護原理，有針對性採取檢修措施和相關對策，積累相關的運營經驗，對確保地鐵接觸網供電系統的正常穩定執行具有重要的意義。
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文章**：《機車電傳動》原作者：肖偉強
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