淺析地鐵直流牽引變電所的保護(hù)原理

許立國(guó)

【摘 要】在我國(guó)，地鐵是城市公共交通發(fā)展的主要方向，也是緩解現(xiàn)有城市交通壓力的主要方法和手段。在目前的地鐵工作中，設(shè)備國(guó)產(chǎn)化和電力穩(wěn)定化已成為追求的重點(diǎn)，也是地鐵行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵原則。本文就以直流1500V雙邊供電牽引變壓站為例，詳細(xì)的闡述了地鐵直流牽引變電所工作保護(hù)原理，以供相關(guān)工作人員參考借鑒。

【關(guān)鍵詞】地鐵；牽引變電站；保護(hù)；直流

地鐵在目前已成為環(huán)節(jié)城市交通壓力的關(guān)鍵，已成為公共交通事業(yè)中的重要組成部分。在目前的社會(huì)發(fā)展中，地鐵也被稱之為地下鐵道，是一種地下運(yùn)行的城市交通系統(tǒng)和捷運(yùn)系統(tǒng)。一般來(lái)說(shuō)，地鐵在運(yùn)行中離不開變電站的配合與協(xié)助，變電站工作效率的高低直接關(guān)系著地鐵運(yùn)行安全與穩(wěn)定性。這就需要我們?cè)诠ぷ髦袑?duì)地鐵變電所進(jìn)行深入系統(tǒng)的研究與總結(jié)，對(duì)其容易產(chǎn)生的種種缺陷與質(zhì)量問(wèn)題深入探討與研究，從而避免由于變電所運(yùn)行故障而造成的地鐵運(yùn)營(yíng)影響。

1.牽引變電所概述

牽引變電所是電力牽引的專用變電所。一般來(lái)說(shuō)，這種變電所主要是針對(duì)鐵路系統(tǒng)和地鐵系統(tǒng)設(shè)置的，是通過(guò)牽引變電所將區(qū)域內(nèi)的電力系統(tǒng)傳輸過(guò)來(lái)的電力，根據(jù)電力牽引以及變電站的不同電壓要求轉(zhuǎn)變成為適用于電力牽引的電能。然后在根據(jù)相關(guān)需要分別輸送至沿線鐵路的架空線路上，從而架設(shè)一定的接觸網(wǎng)。一般來(lái)說(shuō)，牽引變電所在我們的生活中很少見到，但是它在交通運(yùn)輸行業(yè)中卻較為常見，且是為車輛運(yùn)行提供充足能源的關(guān)鍵。一般來(lái)說(shuō)，在目前的地鐵運(yùn)輸系統(tǒng)中，電氣化鐵路沿線存在著諸多的牽引變電所，其相鄰間距不能夠超過(guò)50km。在長(zhǎng)的電氣化鐵路系統(tǒng)中，為了將高壓輸電線路電能能夠形成一套系統(tǒng)化的管理模式和管理方式，一般都是在200～250km的范圍之內(nèi)設(shè)置相關(guān)的變電所，它在工作中除了需要具備一般變壓器所擁有的電能轉(zhuǎn)換之外，還需要將高壓電網(wǎng)傳輸過(guò)來(lái)的電能通過(guò)相關(guān)的輸電線路轉(zhuǎn)化為普通電能輸送給中間變電所，從而進(jìn)行有效的傳遞。

2.牽引變電所結(jié)構(gòu)組成

牽引變電所是目前地鐵運(yùn)輸領(lǐng)域中最為重要的電力系統(tǒng)之一，其在應(yīng)用中是以單機(jī)容量為10000KV為主的降壓變壓器組成的，這種變壓器結(jié)構(gòu)模式也被我們?cè)诠ぷ髦谐３７Q之為牽引變壓器或者主變壓器。在目前的變壓器系統(tǒng)中直流錢銀變壓器最為常見，也是出降壓變壓站之外最為常見的一種，在現(xiàn)代化社會(huì)發(fā)展中，我們除了針對(duì)交流電變?yōu)橹绷麟姷陌雽?dǎo)體整體變壓器控制之外，還需要針對(duì)其中的開斷現(xiàn)象以及電力電路之中存在的關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)控制工作中的自動(dòng)化、遠(yuǎn)程控制和保護(hù)功能及要求。這種變電器和控制系統(tǒng)也是地鐵變電站工作中的核心工作內(nèi)容，更是一套系統(tǒng)全面的管理控制流程和工作理念。

3.直流牽引變電所保護(hù)原理

在目前我國(guó)的地鐵行業(yè)發(fā)展中，我們常見的地鐵直流保護(hù)設(shè)備均是國(guó)外生產(chǎn)的，而本國(guó)的產(chǎn)品應(yīng)用較少。在目前的社會(huì)發(fā)展中，我們國(guó)家的地鐵輔助產(chǎn)品的應(yīng)用仍然還存在著一定的不足和缺陷，直流保護(hù)設(shè)備的原理并不是十分復(fù)雜的，而是在功能上實(shí)現(xiàn)了全面優(yōu)化和系統(tǒng)控制的一種綜合性結(jié)構(gòu)模式。直流牽引變電所在工作中通常都具備著以下幾個(gè)方面和環(huán)節(jié)。

3.1一次系統(tǒng)

直流牽引變電所在工作的過(guò)程中是一個(gè)典型的電氣為主的變電站模式，這種變電所在工作的過(guò)程中是交流高壓電從整流機(jī)組進(jìn)行降壓、蒸餾直至成為1500v控制系統(tǒng)的一種工作模式，這種工作模式經(jīng)過(guò)相關(guān)的直流開關(guān)控制之后形成個(gè)一種接觸電網(wǎng)模式。就我國(guó)某地鐵站變電所為例，其在工作中工設(shè)置了2坐110kv/33kv的主變電站和8座牽引降壓混合變電站。它在工作的過(guò)程中是在確保車輛運(yùn)行安全和穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，對(duì)地鐵的環(huán)控以及照明信號(hào)等方面存在著一定的問(wèn)題與缺陷。變電站作為地鐵工作的核心，其在工作中對(duì)于電力系統(tǒng)自動(dòng)化以及全面優(yōu)化配置的要求較高，其在應(yīng)用中有著卓越的貢獻(xiàn)與管理模式。

3.2牽引變電所內(nèi)直流保護(hù)的配置

一般來(lái)說(shuō)，牽引變電所在工作的過(guò)程中對(duì)于直流保護(hù)系統(tǒng)的控制要求較高，是通過(guò)在系統(tǒng)發(fā)生故障的第一時(shí)間就能夠快速準(zhǔn)確的切除相關(guān)故障，同時(shí)又能夠在工作中及時(shí)的避免其產(chǎn)生和出現(xiàn)的質(zhì)量問(wèn)題以及電氣參數(shù)模式和相關(guān)的保護(hù)裝置。這種裝置在后備保護(hù)體系的增加以及保障性切除方面具備著良好的工作優(yōu)勢(shì)和作用，并且有效的增加了與主體保護(hù)之間存在的難度。因此來(lái)說(shuō)，在目前的直流保護(hù)裝置設(shè)置中，其數(shù)量不能夠太多，甚至對(duì)于保護(hù)裝置不同類型的控制流程也不予使用。

3.3主要保護(hù)的原理

牽引變電所內(nèi)的直流系統(tǒng)的故障形式主要有：短路故障，過(guò)負(fù)荷故障，過(guò)壓故障等等，最常見的也是危害最大的是短路故障。從本質(zhì)上講，短路故障有兩種類型，一種是正極對(duì)負(fù)極短路，另一種是正極對(duì)大地短路。所內(nèi)配置的多數(shù)保護(hù)都是為了切除前一種故障，框架保護(hù)則是為了切除后一種故障。

對(duì)于前一種故障，多數(shù)是由于架空接觸網(wǎng)對(duì)鋼軌短路所引起的，短路點(diǎn)離牽引變電所的距離決定了短路電流的大小。遠(yuǎn)端短路故障電流的峰值與列車啟動(dòng)時(shí)的電流峰值相近，甚至小于該電流，所以，遠(yuǎn)端短路故障電流與列車啟動(dòng)電流的區(qū)分，是牽引變電所直流保護(hù)的難點(diǎn)。另外，列車受電弓過(guò)接觸網(wǎng)分段時(shí)，也會(huì)有一個(gè)峰值較高的電流出現(xiàn)。

3.3.1 大電流脫扣保護(hù)

主保護(hù)，與交流保護(hù)中的速斷保護(hù)類似，用以快速切除金屬性近端短路故障。這種保護(hù)是直流斷路器內(nèi)設(shè)置的固有保護(hù)，沒有延時(shí)性，它通過(guò)斷路器內(nèi)設(shè)置的脫扣器實(shí)現(xiàn)。當(dāng)通過(guò)斷路器的電流超過(guò)整定值時(shí)，脫扣器馬上動(dòng)作，使斷路器跳閘。

一般來(lái)說(shuō)，該保護(hù)的整定值要通過(guò)計(jì)算和短路試驗(yàn)得出，整定值要比最大負(fù)荷下列車正常啟動(dòng)的電流大，也要比最大短路電流小。

3.3.2 電流上升率保護(hù)

廣泛使用的中遠(yuǎn)端短路主保護(hù)，它在多數(shù)情況下能正確區(qū)分列車正常運(yùn)行電流和中遠(yuǎn)端短路電流，主要用于切除大電流脫扣保護(hù)不能切除的故障電流較小的中、遠(yuǎn)端短路故障，其工作原理如下：

電流上升率保護(hù)觸發(fā)的條件是唯一的，即當(dāng)電流的變化率di/dt>A，A是電流上升率的定值。滿足觸發(fā)條件di/dt>A時(shí)，電流上升率保護(hù)啟動(dòng)（該時(shí)刻記為t）。

3.3.3 定時(shí)限過(guò)流保護(hù)

電流上升率保護(hù)的后備保護(hù)，通常該保護(hù)的電流整定值Idmt較小，一般按饋線最大負(fù)荷考慮 ，以達(dá)到切除遠(yuǎn)端短路故障的目的，其動(dòng)作延時(shí)Tdmt也較長(zhǎng)，以避開列車啟動(dòng)的時(shí)間，廣州地鐵二號(hào)線牽引供電系統(tǒng)中該保護(hù)設(shè)計(jì)的Idmt為3000A，延時(shí)Tdmt為30秒。

當(dāng)電流第一次超過(guò)定值時(shí)，保護(hù)啟動(dòng)，在延時(shí)Tdmt的時(shí)間段內(nèi)電流一直超過(guò)定值，可認(rèn)為是短路電流，觸發(fā)跳閘，如果中間任一時(shí)刻電流沒有超過(guò)定值，保護(hù)自動(dòng)返回，等待下次啟動(dòng)。

3.3.4低電壓保護(hù)

其作用和定時(shí)限過(guò)流保護(hù)一樣，作為電流上升率保護(hù)的后備保護(hù)，一般與其它保護(hù)形式互相配合，不作為單獨(dú)的保護(hù)使斷路器調(diào)跳閘。它的整定值Umin及延時(shí)Tdmt必須列車正常運(yùn)行時(shí)的運(yùn)行情況互相配合，應(yīng)考慮最大負(fù)載下列車的啟動(dòng)電流和啟動(dòng)持續(xù)時(shí)間，還要考慮在一個(gè)供電區(qū)內(nèi)多部列車連續(xù)啟動(dòng)的情況。

當(dāng)發(fā)生短路故障時(shí)，直流輸出電壓迅速下降很多，當(dāng)輸出電壓

4.1合閘

合閘的原則是想盡辦法讓合閘繼電器K02受電，使由它驅(qū)動(dòng)得斷路器合閘線圈得電，從而使斷路器合閘。

4.2分閘

斷路器分閘的原則是使分閘繼電器K01受電，使由它驅(qū)動(dòng)的斷路器分閘線圈得電，從而使斷路器分閘。

5.結(jié)論

目前，地鐵直流牽引變電所內(nèi)配置的直流保護(hù)，基本上能夠快速切除大多數(shù)短路、接地故障，但仍然存在一些世界性的難題。國(guó)內(nèi)保護(hù)設(shè)備制造商完全有能力制造出目前廣泛使用的這些直流保護(hù)。