陈 静

（西安铁路职业技术学院 陕西 西安 710014）

基于西安地铁钢轨电位限制装置的研究

陈 静

（西安铁路职业技术学院 陕西 西安 710014）

钢轨电位限制装置是地铁牵引供电系统的重要组成部分。本文以西安地铁二号线的钢轨电位限制装置为例，详细论述了其保护的种类、工作原理、各种保护的试验方法，并对两次典型故障进行了分析，详细描述了其现象与处理过程。

钢轨电位限制装置；故障；保护；电压

在地铁直流牵引供电系统中，为了防止直流系统的回流无规则地流动，钢轨、直流开关柜等设备对地均采用绝缘方式安装。由于回流钢轨是回流电流的通路，而回流设备本身对地绝缘，如果回流不畅，就会引起回流钢轨与大地之间产生超出安全许可的接触电压。在地铁的实际运行中，这种接触电压会危及地铁设备及人员安全。这种情况下，就需要在回流钢轨与大地之间安装一套钢轨电位限制装置（也称短路装置），以限制钢轨的电位，避免超出安全许可的接触电压发生。当发生超出安全许可的接触电压时，此钢轨电位限制装置就会运行，钢轨与大地快速短接，从而保证人员和设备的安全。

1 保护种类与工作原理

以图1为例：在正常情况下，直流接触器Q11B1的触头是断开的，同时晶闸管处于截止状态。

钢轨与大地之间的电压由电压表检测并显示，而由电压测量元件U＞、U＞＞、U＜和晶闸管模块来判断电压并执行相应动作。

1.1 装置的保护种类

低电压保护“U＜”、一段电压保护“U＞”、二段电压保护“U＞＞”、三段电压保护“U＞＞＞”。

西安地铁二号线钢轨电位限制装置的低电压保护“U＜”、一段电压保护“U＞”、二段电压保护“U＞＞”均采用JY—3/1G型的电压继电器（背面接线图参考图2），图纸上的编号为：K8H1、K8K1、K8L1。每个电压继电器6、8接线柱接于辅助电源DC110V，2、4接线柱接于钢轨与系统大地，1、3接线柱是常开接点，5、7接线柱是常闭接点。

三段电压保护U＞＞＞ 由电流型继电器和晶闸管电路组成，与直流接触器Q11B1的触头并接于钢轨与系统大地。

1.2 装置的保护种类

1）一段电压保护“U＞”：运行钢轨与系统大地间的电压值小于“U＞”设定值（90 V，通过电压继电器可以修改整定值），在这种情况下直流接触器是断开的，即主触头断开。当测得的该电压大于或等于“U＞”，经过一段设定（0.8秒）的延时后，该装置直流接触器闭合，将回流回路有效短接，“U＞动作”、“合位指示”信号灯亮，合闸闭锁计数器加1，动作的延时确保在短期的允许电压最大值下，防止脉冲电压启动，确保直流接触器动作的正确性，不会发生不必要的短路，使接触器合闸。10秒钟（通过专用软件，在程序中可以修改整定值）之后，LOGO程序发出直流接触器断开命令，“U＞动作”信号灯灭。如果当时的电压值小于“U＞”的阈值，则钢轨电位限制装置经过一段可调整的延时后再进入正常状态。如果电压值又大于“U＞”，则钢轨电位限制装置再次动作，使运行钢轨与系统大地发生短路。此过程一直持续到电压又保持在许可范围内。一旦达到预设值（三次），短路装置即会闭锁。当闭锁时，需按复位按钮将其复归。

图1 钢轨电位限制装置基本回路原理Fig.1 Basic circuit theory of rail potential limiting device

2）二段电压保护“U＞＞”：测得的电压值大于或等于U＞＞的阈值（150 V，通过电压继电器可以修改整定值），钢轨与大地被无延时短接。“U＞＞动作”、“合位指示”、“闭锁指示”信号灯亮，合闸闭锁计数器加1，短路装置即会闭锁，需按复位按钮将其手动复归。

3）电压大于或等于U＞＞＞ ：如果电压超过U＞＞＞大于600 V（通过电压继电器可以修改整定值）时，则晶闸管元件立即导通以抵消直流接触器的机械延时，同时直流接触器被激活，“U＞＞＞动作”、“合位指示”、“闭锁指示”信号灯亮，合闸闭锁计数器加1，而闭锁状态继续保持。闭锁状态需按复位按钮将其手动复归。

4）低电压保护U＜：如果24小时（通过专用软件，在程序中可以修改整定值）内检测的电压均小于2 V（通过电压继电器可以修改整定值），即判定钢轨或钢轨连接电缆被破坏，不能运行列车，经一段时间延时，系统报故障同时闭锁输出。但如果24小时无运行车辆，运行钢轨与系统大地间的电压值小于“U＜”设定值，也会出现这种现象。

“U＜”装置动作后需按复位按钮将其手动复归。如果复归不了，断开该装置电源或将操作开关把手打向“U＞＞”一次，再手动复归就可以了。

2 故障现象与分析处理

故障1现象：2011年12月1日14:42 西安地铁北客站牵混所2#钢轨电位限制装置“U＞动作”，“闭锁/复位”、“接触器合位”、“装置故障”指示灯亮，并上传报文至SCADA。

图2 轨电位JY—3/1G电压检测继电器 U＞背面接线图Fig.2 Rail potential JY—3/1G voltage monitoring relays U＞ wiring diagram of the back

故障发现处理：现场确认：接触器在合位，电流表有电流流过。合闸计数器加3；内部U＞闭锁计数加3。

用万用表测试图1中LOGO A12C1的I1、I3有高电位存在，说明接触器、K8H1接点闭合。I2、I4、I5、I6均为低电位。

短接图1中LOGO A12C1的04接点，K14D1线圈受电，接触器断开，图1中LOGO A12C1的04接点，所有与04接点有关的下面回路，确定正常工作。

经对K8H1(JY—3/1G)电压继电器检查，判断该继电器已故障，不能正常工作。

以图2为例，说明对JY—3/1G电压继电器的检查项目与标准。

1）对新的JY—3/1G电压继电器进行外观检查，无机械损伤，正常。

2）用继电保护校验仪输出直流电压加于继电器的接线柱6、8，35 V继电器动作，30 V返回，直流电源回路启动正常。

3）用继电保护校验仪输出直流电压110 V加于继电器的接线柱6、8, 接线柱2、4间加到U＞动作90 V，继电器动作，1、3接点闭合，84 V继电器返回，返回系数为0.93，符合大于0.9的标准。

4）遥测继电器绝缘电阻大于2 MΩ。

更换了新的K8H1 (JY—3/1G)电压继电器，2号钢轨电位限制装置就恢复了正常运行状态。

故障2现象：2012年1月6日，西安地铁二号线北客站牵混所1、2号钢轨电位限制装置，出现连续多日直流接触器闭合动作，动作时间大约是每天4:50。动作后，出现“装置故障”、“闭锁/复位”、“接触器合位”的指示灯亮，并上传报文至SCADA。

故障分析处理：到达现场查看设备，确认接触器在合位。电流表有电流流过。合闸计数器加1；内部U＞闭锁计数加1。2012年1月7日对该装置进行了一段电压保护“U＞”、二段电压保护“U＞＞”整组传动试验，保护装置回路所有部件均正常。打开笔记本对LOGO程序进行了分析，发现LOGO程序中“U＜”的延时B005的时间设置改为6小时，不符合设定的24小时。西安地铁二号线大约22：50运行车辆全部回库，再无车辆运行，到4:50刚好6小时无运行车辆，运行钢轨与系统大地间的电压值小于“U＜”设定值2 V，钢轨电位限制直流接触器合闸动作，LOGO程序与实际故障现象相符。找出了故障原因是LOGO程序中“U＜”的延时B005的时间设置设定错误。立即就将LOGO程序中控制器调整的B005的时间设置改为24小时，给1、2号钢轨电位限制装置重新输入了LOGO程序，恢复了正常运行状态。 B005延时修改前、后显示的逻辑图如下(虚线上面)：

图3 B005延时修改前的逻辑图Fig.3 B005 logic diagram before delay modification

图4 B005延时修改后的逻辑图Fig.4 B005 logic diagram after delay modification

3 钢轨电位限制装置的试验

3.1 低电压保护“U＜” 的整组传动试验

方法①：在PC中修改LOGO逻辑程序中参数B005为1分钟，并上传输入至LOGO控制器中，或直接在LOGO控制器中修改LOGO逻辑程序中参数B005为1分钟。等到1分钟后，现场直流接触器设备合闸，“U＜动作”、“闭锁/复位”、“接触器合位”、“装置故障”指示灯亮。合闸计数器加1；内部“U＞”闭锁计数加1。并上传报文到SCADA。

方法②：短接电压继电器K8L1的接线柱1与3或在X3端子排上短接16号线与37号线即可。故障现象同方法①的故障现象。

3.2 一段电压保护“U>” 的整组传动试验

方法①：将测试转换开关快速转向“U＞”测试并保持0.8秒。现场直流接触器设备合闸， “U＞动作”、“接触器合位”指示灯亮。10秒后，“U＞动作”、“接触器合位”指示灯灭，“接触器分位” 指示灯亮。合闸计数器加1；内部“U＞”闭锁计数加1。并上传报文到SCADA。6秒后可手动操作，重复上述过程。但三次操作后，就出现“U＜动作”、 “闭锁/复位”、“接触器合位”、“装置故障”指示灯亮。并上传报文到SCADA。

方法②：在钢轨电位限制装置内，甩开接在运行钢轨、大地进线的一次电缆，用升压装置向电压继电器接线柱2与4方向的线上加压至90 V，或甩开一段电压保护“U＞”继电器和电压表与钢轨、大地一次电缆的二次线，在该二次线上加压至90 V，故障现象同方法①的故障现象。

方法③：短接电压继电器K8H1的接线柱1与3或在X3端子排上短接16号线与34号线即可。故障现象同方法①的故障现象。

3.3 二段电压保护“U>>” 的整组传动试验

方法①：将测试转换开关快速转向“U＞＞”测试并保持一段时间。现场直流接触器设备合闸，就出现“U＞＞动作”、“闭锁/复位”、“接触器合位”、“装置故障”指示灯亮。合闸计数器加1；内部“U＞”闭锁计数加1。并上传报文到SCADA。

方法②：在钢轨电位限制装置内，甩开接在运行钢轨、大地进线的一次电缆，用升压装置向电压继电器接线柱2与4方向的线上加压至150 V，或甩开一段电压保护“U＞＞”继电器和电压表与钢轨、大地一次电缆的二次线，在该二次线上加压至150 V，故障现象同方法①的故障现象。

方法③：短接电压继电器K8K1的接线柱1与3或在X3端子排上短接16号线与35号线即可。故障现象同方法①的故障现象。

3.4 三段电压保护“U>>>” 的整组传动试验

方法①：在钢轨电位限制装置内，甩开接在运行钢轨、大地进线的一次电缆，用升压装置向电压继电器接线柱2与4方向的线上加压至600 V，或甩开一段电压保护“U＞＞＞”继电器和电压表与钢轨、大地一次电缆的二次线，在该二次线上加压至600 V。就出现“U＞＞＞动作”、“闭锁/复位”、“接触器合位”、“装置故障”指示灯亮。合闸计数器加1；内部“U＞”闭锁计数加1。并上传报文到SCADA。

方法②：短接电流继电器K5E1的接线柱5与6或在X3端子排上短接16号线与36号线即可。故障现象同方法①的故障现象。

方法③：按下电流继电器的测试动作按钮。故障现象同方法①的故障现象。

按下电流继电器复位按钮与面板复位按钮才能进行下一次试验。

3.5 发出“装置故障”信号的试验

将LOGO控制器的参数B005设为00：01h，调节电压继电器（U＜）设定值为0 V,使其处于不动作状态；约1分钟后，“装置故障”指示灯亮起；直流接触器闭合，“接触器合位”指示灯亮起；闭锁输出，“闭锁/复位”指示灯亮起。 恢复电压继电器、LOGO!控制器参数设定，手动复位后恢复正常。

3.6 使直流接触器闭合的方法

1）“U＜”、“U＞＞”、 “U＞＞＞”动作后，可使直流接触器闭合，且必须手动复归；

2）“U＞” 动作后，可使直流接触器闭合规定的时间（10秒），就自动复归；

3）断开钢轨电位限制装置的直流控制电源，可使直流接触器直接闭合。

4 西安地铁二号线钢轨电位限制装置存在的问题

对于“U＞”、 “U＞＞”，从钢轨电位限制装置动作后，查看动作电压值，往往最大电压值小于整定值。使人误认为是钢轨电位限制装置发生了误动，其实是电压继电器的采样速率大于电压表的采样速率。即有一个脉冲电压信号时，电压继电器JY—3/1G检测到了，而电压表（XMA-ZV直流电压显示仪表，采样速率10次/秒）没有检测到。

5 结束语

文中结合现场的实际情况阐述了钢轨电位限制装置的重要性。要确保钢轨电位限制装置的稳定运行，不但要有好的硬件设备，还要开发稳定而过硬的软件做逻辑保障；更重要的是要能够掌握软件的应用。

[1]郑瞳炽，张明锐.城市轨道交通牵引供电系统[M].北京：中国铁道出版社，2007:44-48.

[2]何宗华.城市轨道交通工程设计指南[M].北京：中国建筑工业出版社，1993:179-207.

[3]王晓保.钢轨电位限制装置与框架保护关系的分析[J].城市轨道交通研究，2004(6):56-58.

WANG Xiao-bao.Relation between Rail over-voltage Protection Device and Frame Protection[J].Urban Mass Transit, 2004(6): 56-58.

[4]田胜利.轨道交通直流框架保护与钢轨电位限制装置关系分析[J].现代城市轨道交通,2004(3):28-30.

TIAN Sheng-li.Analysis of Relation between DC Frame Protection and Rail Potential Limit Device [J].Modern Urban Transit, 2004(3):28-30.

[5]苗因山.轨电位限制装置拒动导致框架保护故障[J].都市快轨交通，2008，21(3):92-94.

MIAO Yin-shan.Frame Protection Beakdown Caused by Refusing Action of Rail Potential Limit Equipment[J].Urban Rapid Rail Transit, 2008，21(3):92-94.

[6]余梦华.框架故障保护与轨电位限制装置保护的配合[J].城市公共交通，2003(5):31-32.

YU Meng-hua.The Coordination between Frame Fault Protection and Rail Potential Limit Device[J].Urban Public Transport, 2003(5):31-32.

Research of rail potential limiting device based on Xi'an metro

CHEN Jing
（Xi’an Railway Vocational Technical & Institute,Xi’an 710014,China）

Potential limiting device rail is an important part of the metro traction power supply system. In this paper,the rail potential limiting device of Xi'an metro line two as an example, discussed in detail the protection type, working principle, various protection test method, and the two typical faults are analyzed, with detailed description of the phenomenon and process.

Rail potential limiting device；breakdown；protect；voltage

U284

A

1674-6236(2014)14-0084-04

2013-08-30 稿件编号：201308194

陈 静（1979—），女，江苏阜宁人，讲师。研究方向：控制理论与控制工程。