城市轨道交通直流系统多站逆流保护误动作故障分析

程小科

（重庆市轨道交通（集团）有限公司，重庆 401120）

0 引 言

为保证城市轨道交通供电系统的可靠运行，变电所内继电保护设置较为复杂，线路及设备发生故障后大多触发一到两个变电所相关保护动作，这样能够快速确定故障点；当涉及几个变电所保护动作且无明显故障点时，排查较为困难，重庆轨道交通某线路发生的多站逆流保护动作是该类故障的典型案例，该案例的排查手段及解决措施可为城市轨道交通同行解决供电系统中保护误动作问题提供参考。

1 逆流保护的设置及原理

在每座牵引变电所会为城市轨道交通直流牵引系统设置两套整流机组，正常运行时两套整流机组并列运行。当一套整流机组的整流器内部或者整流器至直流正极进线柜的连接电缆发生短路故障时，另一套整流机组或相邻牵引变电所会向故障点反送故障电流，形成逆向电流。为保护设备和人身安全，在直流正极进线柜内设置逆流保护，达到快速切除故障的目的。逆流保护的原理是由分流器、电压传感器采集逆流信号，由控制器（PLC）进行逻辑运算。当逆流保护装置检测到的故障电流大于整定值时，保护动作出口，跳开两套整流机组高压侧交流断路器及低压侧直流母线进线断路器，当直流母线进线开关为隔离开关时，则跳开所有的直流馈线断路器。逆流保护的接线原理图如图1所示。

图1 逆流保护接线原理图

2 逆流保护动作过程与原因分析

2.1 逆流保护动作现象

2021年9月，重庆市轨道交通某线路连续3 个牵引变电所先后频发逆流保护动作现象，动作发生时间、地点无规律变化，甚至在整流机组空载运行或不带电情况下出现逆流保护动作，故障信息统计如表1所示。

表1 逆流保护动作故障统计表

2.2 逆流保护动作过程分析

逆流保护的首次动作发生在末端站牵引变电所，1#整流机组直流进线柜内发生逆流保护动作后，经检查未发现异常，后恢复该所供电。随后2#整流机组直流进线柜内发生两次逆流保护动作。其间中间牵引所也发生了逆流保护动作。将末端牵引所退出运行，运行方式调整为前端牵引所越区大单边供电，在该方式下运行约15 分钟，前端牵引所也发生逆流保护动作，造成接触网失电。为模拟故障现象，当日夜间对故障区间按正常行车方式进行动车测试，结果未发生逆流保护动作；对直流1 500 V 系统一次回路、避雷器、二次回路进行检查，对逆流保护功能进行检验，检查结果均正常，排除设备自身问题。

次日采用示波器在线监视直流进线柜24 V 辅助电源、PLC 模拟量输入信号。末端所2 小时内持续出现37 次逆流保护动作信号，图2、图3分别是示波器采集到的两种波形。

图2 示波器采集的波形1

图3 示波器采集的波形2

分析示波器的波形数据，采样回路有较高的尖峰信号，判断存在外部干扰。在排查干扰源时发现，末端所正在对“地铁钢轨电位及杂散电流综合治理研究”科研排流设备（以下简称“科研设备系统排流柜”）进行“手动排流”测试，排流柜开通排流（IGBT 导通，排流脉宽在800～850（μs），IGBT 控制频率为5 kHz）时采样回路波形出现尖峰信号。图4、图5分别为科研系统排流柜开通前后在逆流保护控制器（PLC）模拟量输入端捕捉的波形图。

图4 开通前波形

图5 开通后波形

此次发生故障地铁线路逆流保护整定值为-500 A、延时10 ms，通过分析连续逆流保护动作的录波波形，发生逆流保护的电流持续时间多为10～100 ms 之间，图6、图7为出现逆流保护动作时的故障录波波形。

图6 末端所逆流保护动作保护装置录波波形

图7 中间所逆流保护动作保护装置录波波形

通过对以上数据的分析可知，干扰逆向电流超过-500 A，持续时间在15～35 ms 之间，达到逆流保护动作的条件，故造成跳闸。据统计重庆其他线路逆流保护定值动作延时均设定为100 ms，发生故障的线路逆流保护动作延时设定为10 ms，整定值延时时间偏短。

为验证直流开关柜进线柜采样回路的抗干扰能力，在电流采样回路并联一个不同品牌的变送器，接线原理如图8所示。对科研系统排流柜进行不同脉宽的“手动排流”，使其产生干扰信号，如图9所示，利用示波器捕捉两个电流采样回路的波形数据。

图8 并联新增电流采样回路接线原理图

图9 科研系统排流柜通过“手动排流”产生干扰信号

对比发现在同一干扰源下，两个电流采样回路的数据有明显差异，如表2所示，新增的电流采样回路在不同脉宽下均未触发示波器录波，而直流开关柜原有电流采样回路绝大多数出现启动录波现象，反映出直流开关柜设备本身存在抗干扰能力差的问题。

表2 两个不同的电流采样回路监视的波形数据

2.3 原因分析

通过故障模拟、加挂示波器捕捉故障信号等一系列措施锁定引起逆流保护误动作的原因为变电所内存在外部干扰信号，现场逆流保护的采样回路分流器额定参数为4 000 A/ 60 mV，电压传感器输入/输出参数为± 90 mV/4～20 mA，即逆流保护控制器（PLC）模拟量输入口有持续0.67 mA 电流输入时（（20-4）÷2÷90×500÷4 000×60）会触发保护动作，加之该线路直流开关柜电流采样回路抗干扰能力较差，保护延时设置偏小，出现外部干扰后，容易引起保护误动作。科研系统排流柜在开通IGBT 时产生高频干扰信号，科研设备系统排流柜原理如图10所示，该设备功率约为40 kW，当其处于调制状态时，会在牵引变电所负极叠加交变电压，由于调制频率5 kHz 会产生一个小容抗，并与整流器柜两端并联的10 µF 电容耦合引起逆流，通过实验室仿真验证，得知逆流在300 A左右。

图10 科研系统排流柜示意图

科研设备系统排流柜具有钢轨电压限制与杂散电流排流的功能，钢轨电压达到阈值后，系统根据电压值控制IGBT的开通与关断频率。利用装置内部设置的电阻消耗钢轨电压，解决了在传统钢轨电位限制装置中出现的频繁动作现象，同时根据钢轨电压值控制排流回路中的IGBT 启动排流；该装置的IGBT 呈高频方波通断时，本所及相邻所的钢轨电压与杂散电流系统的排流瞬态也随之呈现高频方波的通断形式，电压、电流的通断变化在相应区域产生磁场变化，并通过磁场与导线的耦合对所在区域内的PLC 采样回路、通信线路产生感应电流、电位，造成采样回路出现本文图2、图3波形中的尖端峰值，使保护误动作。在本故障中末端所虽未安装科研设备系统，但该系统的排流柜通断涉及本所及相邻所钢轨电位变化及杂散电流排流的变化，因此在本所及相邻所产生电磁干扰，影响PLC 电流采样，引起相邻变电所逆流保护误动作。

3 解决措施

3.1 干扰源治理

如图11所示，在科研设备系统排流柜内增加电抗器、支撑电容和电阻器，使IGBT 调制时产生的交变电压更平滑，通过增大回路的容抗，可以抑制逆流的产生，通过实验室仿真验证，得知逆流几乎为零。仿真试验数据如图12、图13所示。

图11 科研系统改造示意图

图12 改造前逆流仿真数据

图13 改造后的逆流仿真数据

3.2 提高设备抗干扰能力

调整直流进线柜逆流保护定值延时（由10 ms 调整到100 ms），躲过瞬间干扰的尖峰信号。根据现场出现的波形及工况，考虑到电容对电压信号有较好的抑制能力，利用电容的这一特性来减少外部干扰对变送器输出信号的影响。为此在进线柜、馈线柜电流采样回路（变送器输出回路）并联220 nF 电容模块。在进线柜PLC 电流采样、直流馈线保护电流采样输入侧并联电容，加强采样的抗干扰能力，接线图如图14、图15所示。同时进行抗干扰能力测试，在采样端加快速电脉冲群测试（试验电压2 kV，脉冲频率5 kHz 模拟干扰信号），由示波器抓取变送器输出波形，抗干扰能力试验数据如图16、图17所示。

图14 馈线柜在V16 输入侧并联HCM 电容

图15 进线柜在PLC 输入侧并联HCM 电容

图16 未加电容前的电流采样波形

图17 加电容后的电流采样波形

通过优化电流采样回路的抗干扰能力，对比前后的试验数据，优化后的电流采样回路能够有效抑制尖峰信号，抗干扰能力大大提升。经现场测试和长时间运行观察，在采取以上措施后，该线路没有再出现逆流保护误动作的现象。

4 结 论

本文所述的故障案例为典型的电容耦合、区域内电磁干扰相互叠加引起保护误动作现象，在处理该类故障时需要从系统角度出发进行综合分析，并制定排除干扰源、阻断传播路径、对敏感设备加强抗电磁干扰能力等方面的防护措施，确保轨道交通牵引供电系统能够安全稳定地运行。