直流牽引供電系統(tǒng)繼電保護整定計算方法

高云霞

0 引言

直流保護對地鐵直流牽引供電系統(tǒng)運行的安全性和可靠性起著極其重要的作用。由于直流牽引供電系統(tǒng)和直流保護自身的特殊性，保護的整定計算復雜、配合困難，且沒有成熟的計算方法可以參考借鑒，如何才能得到理想的直流保護定值是地鐵供電系統(tǒng)繼電保護工作者長期以來的研究課題。

1 直流短路故障特性

地鐵直流牽引供電系統(tǒng)由整流機組、直流開關柜、直流電纜、牽引網等部分組成。直流系統(tǒng)的短路分析方法是RL 回路的暫態(tài)響應分析，基本理論是戴維南定理與疊加定理，短路電流I = U(1-e-t/τ)/R（時間常數(shù)τ = L/R），di/dt = Ue-t/τ/L。直流短路的顯著特征之一是回路電阻和電感參數(shù)的大小對短路電流的大小和特性影響非常大，因此接觸網近、中遠端的故障電流特性有很大差別。

1.1 饋線近端短路特性

短路點距變電所越近，電流上升率越大，短路電流也越大。當接觸網發(fā)生近端短路時，預期短路電流峰值一般可達80 kA 以上，初始電流上升率di/dt 可達5 kA/ms 以上，如不快速切除，短路電流將在極短時間內上升到最大值，對系統(tǒng)和設備造成極大危害，因此必須在短路電流達到峰值之前快速切除。牽引變電所近端短路特性如圖1 所示。

圖1 牽引變電所近端短路特性示意圖

1.2 中遠端短路特性

中遠端的短路電流，由于線路電感的作用，τ值增大，短路電流變化相對緩慢，初始上升率較小，中遠端短路特性示意圖略。

2 饋線的保護配置及原理

2.1 保護配置方案

由于近端和中遠端的短路故障特性差異較大，單一的一種保護難以兼顧速動性與選擇性的要求，需要根據直流系統(tǒng)近端以及中、遠端的故障特征分別配置相應的保護。直流饋線配備如下保護：大電流脫扣保護（斷路器本體DA 保護）；ΔI、di/dt 保護；熱過負荷保護；雙邊聯(lián)跳保護。其中最重要的是大電流脫扣保護和ΔI、di/dt 保護，兩者分別作為接觸網近端和中遠端的主保護。

2.2 保護原理

直流快速斷路器本體的大電流脫扣保護，作為接觸網近端短路的主保護，采用磁脫扣原理，其機械響應時間和全分斷時間（燃弧熄滅時間）均與電流變化率有關，當直流短路電流上升率達到5 kA/ms 時，直流快速斷路器的機械響應時間只有3～4 ms，全分斷時間（燃弧熄滅時間）為25 ms左右。斷路器能在短路電流達到峰值之前快速切斷以限制短路電流。近端短路斷路器分斷電流波形如圖2 所示。

圖2 近端短路斷路器分斷電流波形圖

對于中遠端短路故障，由于短路電流上升率di/dt 較小，大電流脫扣保護動作時間相對較長，靈敏度也不高，直流饋線配備采用微處理器構成的反應電流增量的ΔI 保護和電流上升率的di/dt 保護，分別作為接觸網中、遠距離短路故障的主保護。

ΔI 保護是在電流上升率di/dt 高于整定值的條件下檢測電流增量，在到達峰值電流之前檢測到短路。當di/dt 高于整定值，保護裝置啟動，并開始計算ΔI，保護裝置啟動時刻的電流作為基值。達到ΔI 延時后，若ΔI 達到ΔI 整定值（ΔItrip），則保護裝置動作。ΔI 保護裝置動作特性及跳閘邏輯如圖3所示。圖中曲線2 和曲線3 滿足動作條件，保護裝置判斷為故障，動作跳閘；曲線1和4 都不滿足動作條件，因此不跳閘。

di/dt 保護通過檢測di/dt 檢測到遠端短路。當di/dt 高于整定值，保護裝置啟動，若di/dt 持續(xù)超過定值一段時間（di/dt 延時）后，則保護出口跳閘。di/dt 保護裝置動作特性及跳閘邏輯如圖4 所示。圖中第1 種情況滿足跳閘條件，出口跳閘；第2 種情況不滿足跳閘條件，因此不跳閘。

不同廠家的保護裝置動作原理和整定參數(shù)稍有不同，但沒有本質差別。

圖3 ΔI 保護裝置動作特性曲線圖

圖4 di/dt 保護動作特性曲線圖

3 整定配合計算方法

整定值是否適用是直流保護裝置能否發(fā)揮作用的關鍵因素之一。為得到理想的保護定值，必須進行短路計算和保護校核計算。

3.1 直流短路計算

短路計算目的是確定直流饋線保護定值并進行靈敏度校驗。主要計算直流牽引供電系統(tǒng)在各種運行方式下接觸網-回流軌和接觸網-架空地線短路在某一時刻的短路電流I 及其變化率di/dt。采用的基本理論和方法是戴維南定理與疊加定理，及RL動態(tài)回路的暫態(tài)響應分析方法。短路計算的關鍵是回路總電阻R 和總電感L 的確定。因接觸網-回流軌和接觸網-架空地線2 種故障的短路電流流回牽引變電所的路徑不同，R 和L 的計算有所不同。

3.2 饋線保護的整定計算

3.2.1 大電流脫扣（DA 直接脫扣保護）整定

（1）首先按躲開饋線最大負荷電流計算整定初值。

（2）為保證選擇性，DA 定值還應與相鄰供電區(qū)間近端短路時的保護配合，不致越區(qū)跳閘。

（3）供電臂兩側的饋線保護定值應相同。取同時滿足以上幾個條件的最大值作為饋線的DA保護定值。

3.2.2 di/dt 保護（di/dt、di/dtduration）整定

（1）di/dt 初始定值。該值應大于機車啟動時的最大電流變化率，同時應小于越區(qū)供電時區(qū)間末端短路t 時刻的短路電流變化率di/dt│t=di/dtduration。

（2）延時時間（di/dtduration）定值。di/dt 保護范圍至下一相鄰供電區(qū)間末端，為保證選擇性，其延時時間應與相鄰供電區(qū)間的保護配合。同時，還應考慮機車內LC 濾波回路充電時（如受電弓的離線導致濾波器充電）可能引起的di/dt 保護裝置誤動。di/dt 延時時間定值應大于T/2（T 為濾波回路充電電流變化率的諧振周期），（L 為濾波回路與線路的總電感）。取上述2 種計算結果中的較大值作為延時時間的定值。

3.2.3 ΔI 保護整定

ΔI 保護整定的主要參數(shù)為di/dt、ΔI、ΔIdelay、di/dtduration。其中di/dt、di/dtduration為ΔI 保護元件的參數(shù)，不同于di/dt 保護元件的參數(shù)。

ΔI 保護同樣要考慮與機車特性配合，躲過機車啟動或機車濾波器充電導致的ΔI 保護裝置誤動。另外為保證選擇性，還要考慮與相鄰供電區(qū)間的保護配合，不致越區(qū)跳閘。在該原則下，不同廠家的ΔI 保護可以有多種整定方法，可以用ΔI 定值配合，也可用di/dt 定值配合（若ΔI 保護元件的di/dt 與di/dt 保護元件的di/dt 可單獨整定），也可用ΔI 延時時間（ΔIdelay）配合，不論用哪種方法整定，ΔI和di/dt、ΔIdelay定值之間是相互關聯(lián)的。

（1）用ΔI 定值與相鄰供電區(qū)間保護配合：

a.di/dt 定值。di/dt 定值可與di/dt 元件的di/dt定值相同，也可高于該值。

b.ΔI 定值。第1 步，首先按躲開機車濾波器最大充電電流整定；第2 步，與大電流脫扣的DA定值相似，與相鄰供電區(qū)間近端短路時的保護配合。ΔI 定值取上述2 個計算結果的較大值。

c.ΔI 延時時間（ΔIdelay）定值。由于ΔI 定值已考慮了配合，ΔIdelay取值可以盡可能的小，一般取1～3 ms 即可。

（2）用di/dt 定值與相鄰供電區(qū)間保護配合。用該方法整定的前提條件是ΔI 元件的di/dt 與di/dt元件的di/dt 可單獨整定：

a.ΔI 元件的di/dt 定值。di/dt 躲開區(qū)間末端短路電流初始變化率。

b.ΔI 定值。由于di/dt 已考慮了與相鄰區(qū)間的短路配合，ΔI 定值可不必再考慮與相鄰區(qū)間的保護配合，僅按躲開機車牽引濾波器最大充電電流整定即可。

c.ΔI 延時時間（ΔIdelay）定值。由于di/dt 定值已考慮了配合，ΔIdelay取值可以盡可能的小，一般取1～3 ms 即可。

（3）用ΔIdelay與相鄰供電區(qū)間保護配合。di/dt定值按躲開機車啟動、ΔI 定值按躲開機車牽引濾波器最大充電電流整定，ΔIdelay與相鄰區(qū)間短路保護配合，ΔIdelay取40 ms 即可。

3.2.4 熱過負荷保護

根據接觸網和饋線電纜的熱特性及其載流量進行整定，不需與其他保護配合，在此不做贅述。

3.3 饋線保護定值的校核

初始定值確定后，應在系統(tǒng)所有運行方式下對保護裝置進行校核計算，驗證各種保護的保護范圍和靈敏度，確保配置的保護系統(tǒng)能夠相互配合，對直流供電系統(tǒng)實現(xiàn)全范圍的有選擇性短路保護。

4 結束語

雖然地鐵直流保護的整定、配合困難，但并非無“法”可依，采用科學的計算方法是得到理想定值的前提條件和必要途徑，本文提出了地鐵直流保護的幾種整定計算方法，對于地鐵供電系統(tǒng)的直流保護設計具有指導意義。該“計算方法”應用于廣州地鐵的設計，經過短路試驗和實際運營的驗證，得到了理想的預期效果，并被上海、北京、南京等多個城市地鐵工程設計廣泛采用。