城鐵低壓配電系統運行方式中的自投自復原理

摘 要：闡述城鐵低壓配電系統的運行方式和低壓進線、母線分段開關的聯鎖關系；自投自復工作原理。
關鍵詞：運行方式 操作電源 進線開關 母線分段開關 自投自復
北京市快速軌道交通西直門-東直門城市鐵路工程（以下簡稱城鐵工程），西起西直門東至東直門，線路全長約40.5公里。設有西直門、知春路、上地、霍營、立水橋、望京西和東直門等16座車站。每座車站均設有變電所，其低壓配電系統負責提供車站動力照明各種設備的電源。
1.低壓配電系統運行方式：
低壓配電系統主接線為分段單母線，設有母線分段開關。附圖1為進線和母線分段開關一次接線圖。進線開關1QF、2QF和母線分段開關3QF之間設有聯鎖，嚴禁2個進線開關和母線分段開關同時合閘。進線和母線分段開關為就地、遠方（控制中心）兩級手動控制，并具有“失壓自投、過流閉鎖、來電自復”和“合閘防跳”功能。進線開關和母線分段開關的狀態，包括開關合、分閘狀態和故障跳閘信號全部上傳控制中心。下文中手動控制包括就地和遠方控制開關合、分閘。

運行方式1：分別手動操作閉合兩個進線開關，母線分段開關為斷開狀態。兩路進線同時供電。此運行方式為正常運行方式。
運行方式2；手動閉合任一個進線開關和母線分段開關，另一個進線開關為斷開狀態。或在運行方式1時，手動操作任一進線開關跳閘，母線分段開關不自投，可手動操作母線分段開關合閘。由一路進線電源帶變電所全部一、二級負荷。三級負荷可根據變壓器運行情況，選擇全部自動切除、部分切除或不切除。
運行方式3：在發生非低壓系統內部故障造成的進線電源失壓后，進線開關延時自動跳開（延時時間需與上一級開關的自投時間配合），母線分段開關自動投入。當失壓電源恢復，母線分段開關自動跳閘，進線開關自動恢復合閘，完成“失壓自投、來電自復”的功能。由一路進線電源帶變電所全部一、二級負荷。三級負荷可根據變壓器運行情況，選擇全部自動切除、部分切除或不切除。
運行方式4：當低壓系統發生短路故障，造成任一進線開關跳閘，母線分段開關閉鎖不自投。實現“過流閉鎖”功能。此時低壓配電系統為單電源供電，并承擔本段母線的全部負荷。一級負荷實施雙電源末端切換，故障母線的二、三級負荷停止供電。
●幾點說明：
在變壓器中壓饋出開關合閘后，兩路進線開關未閉合前，母線分段開關不能自動投入，但可手動操作合閘。當低壓母線系統短路故障，發生變壓器中壓饋出開關越級跳閘，使低壓進線開關失壓跳閘時，母線分段開關閉鎖自投。在城鐵工程中此閉鎖關系沒有設置。
當1#進線開關1QF失壓跳閘，母線分段開關自投，由2#進線供電時，而該供電電源也發生失壓，由于低壓操作電源消失，且2#進線開關2QF沒有裝設失壓脫扣器，因此2QF開關不會跳閘。當2#進線電源先恢復，開關狀態沒有變化，仍為1QF開關斷開，2QF開關和母線分段開關3QF閉合；當1#進線電源先恢復，母線分段開關斷開，2QF開關失壓斷開，1QF開關自復合閘，母線分段開關再次自投。
2.操作電源：
城鐵車站設有牽引降壓混合變電所或降壓變電所，在牽引降壓混合變電所中設有直流電源屏，為中壓開關柜、直流750V開關柜設備提供直流操作電源。在降壓變電所中，沒有設直流電源屏。變電所低壓開關柜設備的操作電源統一采用交流操作，操作電源的構成方式見附圖2。
變電所低壓配電系統采用PLC（Programmable Logic controller）裝置實現對開關設備的控制、信息采集和通訊。低壓配電系統采用交流操作電源時，相應PLC裝置的電源也引自此操作電源。當兩個低壓進線電源同時失電時，交流操作電源也將失電，造成PLC裝置無法進行通訊。牽引降壓混合變電所的通訊控制器由直流操作電源屏通過逆變器供電，降壓變電所設置UPS裝置。通過了解中壓系統開關設備、配電變壓器的狀態和低壓配電系統通訊故障，判斷出低壓兩個電源故障。低壓配電系統的操作電源也可采用直流操作電源，具有電源可靠、故障判斷簡單等優點。缺點需增加設備投資。對于北京城鐵工程，需要在降壓變電所增加直流成套電源裝置，按照設備招標的情況，需增加投資20余萬。

3.進線、母線分段開關操作控制分析：
城鐵工程低壓控制要求：
進線、母線分段開關只能有兩個開關同時為合閘狀態。
進線、母線分段開關具備“合閘防跳”功能。
進線開關手動操作分閘，母線分段開關不自投。
無論開關為就地控制、遠方控制，進線和母線分段開關均能實現“失壓自投、過流閉鎖、來電自復”的功能。
母線分段開關抽出后，進線開關能夠合閘。
進線開關操作控制分析：（以1QF開關為例）進線開關的控制原理圖見附圖3：

●就地控制
●開關合閘
轉換開關1SH在“就地”位電壓繼電器1KV和2KV帶電，其常開接點為閉合狀態；“電源得電中間繼電器”1KA也帶電，其常開接點為閉合狀態。閉合按鈕1SB，雙位置繼電器1KSW動作線圈得電，繼電器的常開接點閉合，常閉接點斷開并保持。在合閘回路中，1KSW的常開接點為閉合；3KT的常閉接點為閉合； 1KA 常開接點為閉合；開關輔助常閉接點1QF 為閉合；母線分段開關未合閘，母線分段開關位置中間繼電器5KA的常閉接點為閉合。合閘回路接通。開關合閘后，在合閘回路中，開關輔助常閉接點1QF 打開，切斷合閘回路。開關合閘操作完成。在分勵脫扣回路的開關輔助常開接點閉合，具備手動分閘和失壓跳閘條件。
●合閘防跳
在事故防跳閉鎖回路中，開關合閘后，開關輔助常開接點1QF 為閉合，1KSW常開接點和1KA常開接點已經閉合，此回路接通。3KT得電并自保持。由于其在合閘回路中的常閉接點經延時后斷開，保證開關可靠合閘。若開關合閘于故障狀態時，開關跳閘。由于開關合閘后3KT得電并自保持，合閘回路被切斷。即使合閘命令一直存在，如按鈕1SB粘連，開關也不會再次合閘，避免開關產生“跳躍”。說明：在進線開關合閘回路中采用母線分段開關位置中間繼電器5KA的常閉接點的作用，一方面實現進線開關和母線分段開關之間聯鎖，另一方面可滿足母線分段開關抽出后，進線開關能夠合閘的要求。
●開關分閘 轉換開關1SH打在“就地”位電壓繼電器1KV和2KV帶電，其常開接點為閉合；“電源得電中間繼電器”1KA也帶電，其常開接點為閉合。閉合按鈕1SBS，雙位置繼電器1KSW釋放線圈得電，繼電器的常開接點斷開，常閉接點閉合接點并保持。在分勵脫扣回路中，1KSW的常閉接點閉合；開關為合閘狀態，開關輔助常開接點1QF 為閉合；分勵脫扣回路接通，開關分閘。
開關跳閘后，其輔助常開接點1QF 為斷開，切斷分勵脫扣回路。開關分閘操作完成。在事故防跳閉鎖回路中，由于1KSW的常開接點斷開；切斷3KT的自保回路，3KT繼電器失電。在合閘回路中，開關輔助常閉接點閉合，3KT繼電器失電后，其常閉接點閉合，1KA常開接點閉合，5KA常閉接點閉合。具備手動合閘條件。
●遠方控制合分閘：轉換開關1SH打在“遠方”位，控制命令來自控制中心。其余同“就地控制”。
進線開關失壓跳閘和來電自復（就地和遠方控制均有此功能，原理分析相同，僅轉換開關1SH位置不同）注：進線控制原理圖中的雙位置繼電器1KSW，只有手動操作（包括遠方控制）時，才能使繼電器的接點狀態發生轉換。在下面的討論中，由于進線開關為失壓跳閘，因此1KSW繼電器的接點狀態不發生變化，處于合閘后的狀態，即常開接點閉合，常閉接點打開。
●失壓跳閘
當進線開關上口電壓消失后，電壓繼電器1KV和2KV失電，時間繼電器1KT失電，其常開接點斷開；“電源得電中間繼電器”1KA也失電。在電源失壓延時自動脫扣回路，時間繼電器1KT的常閉接點延時閉合，接通分勵脫扣回路，實現開關失壓跳閘。開關跳閘后，其輔助常開接點1QF 為斷開，切斷分勵脫扣回路。在事故防跳閉鎖回路中，1KSW的常開接點仍為閉合狀態，由于1KA 常開接點為斷開，切斷時間繼電器3KT的自保回路，3KT失電。在合閘回路中，1KSW的常開接點為閉合，3KT的常閉接點（延時動斷）為閉合。開關已分閘，其輔助常閉接點1QF 為閉合。母線分段開關自投合閘后，開關位置中間繼電器5KA的常閉接點為斷開，1KA 常開接點為斷開，合閘回路不會接通。此時手動操作合閘不能實現。
●來電自復
當進線開關上口電壓恢復后，電壓繼電器1KV和2KV得電，其常開接點為閉合；時間繼電器1KT重新得電，其常開接點閉合；“電源得電中間繼電器”1KA也得電。在事故防跳閉鎖回路中， 1KSW的常開接點閉合，雖然1KA的 常開接點重新閉合；由于1QF常開接點為斷開狀態，事故防跳閉鎖回路不通，3KT沒有得電，其在合閘回路中的常閉接點（延時動斷）仍為閉合。在合閘回路中，1KSW的常開接點為閉合，3KT的常閉接點（延時動斷）為閉合；開關為分閘，斷路器輔助常閉接點1QF 為閉合；1KA 常開接點已閉合；當母線分段開關自復分閘后，開關位置中間繼電器5KA的常閉接點為閉合，合閘回路被接通。進線開關自復合閘成功。在事故防跳閉鎖回路，1KSW的常開接點為閉合，1KA常開接點為閉合，進線開關“來電自復”后即啟動3KT繼電器帶電并自保持。因此進線開關的“來電自復”具備“合閘防跳”功能。并在開關合閘后，“分勵脫扣回路”的開關輔助常開接點閉合，具備手動分閘和失壓跳閘條件。
母線分段開關操作控制分析：
根據控制要求，母線分段開關在手動控制情況下，包括就地和遠方操作，都能實現自投自復功能。理論上母線分段開關的操作控制有以下幾種方式：（1）手動合閘；手動分閘（2）手動合閘；自復分閘（3）自投合閘；手動分閘（4）自投合閘；自復分閘。在每個合、分閘過程完成后，均能恢復初始狀態，以便進行下一輪操作。就地和遠方控制原理分析相同，僅轉換開關3SH位置不同和命令發出位置不同。下面以就地控制進行分析。母線分段開關的控制原理圖見附圖4。

3．1手動合閘；手動分閘
手動合閘
轉換開關3SH在“就地”位。
閉合按鈕3SB。
在手動合閘回路中，當1QF、2QF開關未同時合閘時，開關常閉輔助接點1QF或2QF為閉合，5KT繼電器不帶電，其常閉接點（延時動斷）為閉合，3QF開關輔助常閉接點閉合。合閘回路接通。母線分段開關合閘后，在合閘回路中，開關輔助常閉接點3QF 打開，切斷合閘回路。開關合閘操作完成。在手動分閘回路中的開關輔助常開接點閉合，具備手動分閘條件。當兩路進線電源均帶電，母線分段開關與進線開關1QF同時為合閘狀態，進線開關2QF處于分閘狀態。在母線分段開關“進線電源恢復自動脫扣”回路中，開關1QF為手動合閘，1KSW常開接點閉合，1QF常開輔助接點閉合，1KA、2KA繼電器常開接點閉合，但2KSW和2QF開關的常開接點斷開。此回路不會接通。
●合閘防跳
在事故跳閘閉鎖回路中， 母線分段開關合閘后，開關的常開接點3QF閉合，6KA繼電器未得電，其常閉接點閉合，5KT得電并自保持。由于其在合閘回路中的常閉接點經延時后斷開，保證開關可靠合閘。若開關合閘于故障狀態時，開關跳閘。由于開關合閘后5KT得電并自保持，合閘回路被切斷。即使合閘命令一直存在，如按鈕3SB粘連，開關也不會再次合閘，避免開關產生“跳躍”。
●手動分閘
轉換開關3SH打在“就地”位。
閉合按鈕3SBS。
在分勵脫扣回路中，開關為合閘狀態，斷路器輔助常開接點3QF 為閉合；分勵脫扣回路接通，開關分閘。并使“防跳自保持解除繼電器”6KA帶電。
斷路器跳閘后，其輔助常開接點3QF 為斷開，切斷分勵脫扣回路。開關分閘操作完成。
在事故防跳閉鎖回路中， 由于6KA得電，其常閉接點斷開，切斷事故防跳閉鎖回路。5KT失電，手動合閘回路恢復正常狀態，即滿足和進線開關的聯鎖關系時，開關具備手動合閘條件。
3．2手動合閘；自復分閘：有兩種情況下母線分段開關實現此操作過程，其一：此操作過程不是正常操作。低壓為單電源供電，一個進線開關和母線分段開關為手動閉合，另一個進線開關為斷開狀態。當誤操作另一個開關合閘時，雖然進線開關由于聯鎖關系未合閘，但開關雙位置繼電器已經動作，常開接點閉合。母線分段開關在這種情況下會發生手動合閘、自復分閘的運行方式。其二：兩路進線電源正常，運行方式由一個進線開關和母線分段開關手動合閘運行狀態，向兩個進線開關同時合閘的運行狀態進行轉換時發生此操作過程。
●手動合閘的分析同3．1。
●自復分閘（第一種情況）
轉換開關3SH打在“就地”位。
當失電電源電壓恢復后，電壓繼電器得電，其常開接點為閉合；時間繼電器1KT或2KT重新得電，其常開接點閉合；“電源得電中間繼電器”1KA或2KA也得電。
在“進線電源恢復自動脫扣”回路中，當1#進線有壓且開關1QF 閉合，其輔助常開接點閉合，當2#進線開關上口電源恢復，2KA繼電器得電時，2QF為分閘狀態，但2KSW繼電器由于誤操作原因，常開接點一直為閉合狀態，自動脫扣回路接通，母線分段開關自復分閘。或當2#進線有壓且開關2QF閉合，其輔助常開接點閉合，當1#進線開關上口電源恢復，1KA繼電器得電時，1QF為分閘狀態，但1KSW繼電器由于誤操作原因，常開接點一直為閉合狀態，接通自動脫扣回路，母線分段開關自復分閘。
在“進線電源恢復自動脫扣”回路接通時，使“防跳自保持解除繼電器”6KA帶電。在事故跳閘閉鎖回路中， 由于6KA得電，其常閉接點斷開，切斷事故防跳閉鎖回路。5KT繼電器失電。在手動合閘回路中，5KT繼電器常閉接點為閉合狀態，母線分段開關自復分閘完成，當滿足和進線開關的聯鎖關系時，開關具備手動合閘條件。
●自復分閘（第二種情況）
轉換開關3SH打在“就地”位。
電壓繼電器1（3）KV和2（4）KV帶電，其常開接點為閉合；“電源得電中間繼電器”1（2）KA也帶電，其常開接點為閉合。
在“進線電源恢復自動脫扣”回路中，當1#進線有壓且開關1QF 閉合，其輔助常開接點閉合，2KA繼電器常開接點閉合，當手動操作2#進線開關合閘時，2KSW繼電器常開接點閉合，自動脫扣回路接通，母線分段開關自復分閘，母線分段開關分閘后，2#進線開關合閘。或當2#進線有壓且開關2QF閉合，其輔助常開接點閉合，1KA繼電器常開接點閉合，當手動操作1#進線開關合閘時，1KSW繼電器常開接點閉合，自動脫扣回路接通，母線分段開關自復分閘，母線分段開關分閘后，2#進線開關合閘。
其他同第一種情況。
3．3自投合閘；手動分閘 ●自投合閘
轉換開關3SH打在“就地”位。
當1#或2#進線開關上口電壓消失后，相應電壓繼電器失電，其常開接點為斷開；“電源得電中間繼電器”1KA或2KA也失電。
（3）當1#或2#進線開關失壓延時跳閘后，在母線分段開關“電源失壓自投合閘”回路，常閉接點1QF 和1KT或2QF 和2KT為閉合；“事故防跳閉鎖”5KT繼電器也沒有得電，其常閉接點為閉合；自投合閘回路接通。（由于進線開關為失壓跳閘，此回路中接入的進線開關雙位置繼電器常開接點仍為閉合狀態，自投合閘回路接通；若進線開關為手動分閘，則此雙位置繼電器常開接點翻轉，由閉合狀態回到常開狀態，不能接通自投合閘回路。）
（4）母線分段開關自投合閘后，其輔助常閉接點3QF 為斷開，切斷自投合閘回路。自投合閘過程完成。
●合閘防跳
在事故防跳閉鎖回路中， 母線分段開關自投合閘后，開關的常開接點3QF閉合，6KA繼電器未得電，其常閉接點閉合，5KT得電并自保持。由于其在合閘回路中的常閉接點經延時后斷開，保證開關可靠合閘。若開關合閘于故障狀態時，開關跳閘。由于開關合閘后5KT得電并自保持，合閘回路被切斷。即使合閘命令一直存在，開關也不會再次合閘，避免開關產生“跳躍”。
●手動分閘：在自投合閘后，一般情況下，不會進行手動分閘操作。當特殊要求需要開關手動分閘，需首先解掉“電源失壓自投合閘” 回路1XB連接片。然后才能進行手動分閘操作。因為母線分段開關的自投合閘是一個自動過程，當合閘條件和聯鎖條件具備時，此過程將自動進行。當手動分閘后，自投合閘條件仍具備，開關將再次自動合閘，因此手動分閘不能成功。需要首先解除自投合閘回路，城鐵工程在此回路中增設了解除自投回閘回路的連接片1XB。手動分閘操作的分析同3．1。 3．4自投合閘；自復分閘：此運行方式是母線分段開關最常見的一種方式。
●自投合閘同3．3。
自復分閘
轉換開關3SH打在“就地”位。
當失電電源電壓恢復后，電壓繼電器得電，其常開接點為閉合；時間繼電器1KT或2KT重新得電，其常開接點閉合；“電源得電中間繼電器”1KA或2KA也得電。在“進線電源恢復自動脫扣”回路中，當1#進線有壓且開關1QF 閉合，其輔助常開接點閉合，當2#進線開關上口電源恢復，2KA繼電器得電時，2QF為失壓跳閘，2KSW繼電器常開接點一直為閉合狀態，自動脫扣回路接通，母線分段開關自復分閘。或當2#進線有壓且開關2QF閉合，其輔助常開接點閉合，當1#進線開關上口電源恢復，1KA繼電器得電時，1QF為失壓跳閘，1KSW繼電器常開接點一直為閉合狀態，接通自動脫扣回路，母線分段開關自復分閘。在“進線電源恢復自動脫扣”回路接通時，使“防跳自保持解除繼電器”6KA帶電。在事故跳閘閉鎖回路中， 由于6KA得電，其常閉接點斷開，切斷事故防跳閉鎖回路。5KT繼電器失電。在電源失壓自投合閘回路中，5KT繼電器常閉接點為閉合狀態，母線分段開關自復分閘完成，1KSW繼電器和2KSW繼電器接點均為閉合狀態，當滿足失壓條件和且進線開關的失壓跳閘時，開關具備自投合閘條件。
4.結束語：
本文附圖重點在于對開關操作控制原理的理解，圖中開關輔助接點和雙位置繼電器等的接點數量，應根據選用元件的情況，考慮是否加裝中間繼電器進行擴展。另外工程的要求和特點不同，也會對開關的控制原理產生影響。