地鐵非端部牽引所直流速斷保護(hù)設(shè)定方式研究

楊 曄

0 引言

地鐵設(shè)計規(guī)范中對供電系統(tǒng)運行方式提出要求：牽引變電所（下文簡稱“牽引所”）正常運行時，非端部區(qū)段由相鄰的2 座牽引所之間構(gòu)成雙邊供電；其中1 座牽引所故障解列時，非端部區(qū)段由相隔的2 座牽引所越區(qū)“大雙邊供電”。由于設(shè)備故障，會導(dǎo)致非端部區(qū)段僅由1 個牽引所單邊供電。此時運行方式與規(guī)范中的要求不同，地鐵運行可能會受到一定的影響。本文結(jié)合實際案例，綜合分析供電計算和保護(hù)整定，對地鐵非端部牽引所直流速斷保護(hù)設(shè)定方式進(jìn)行研究并給出相關(guān)建議。

1 非端部牽引所單邊供電事故及原因分析

1.1 非端部牽引所單邊供電事故描述

參見圖1，某地鐵早高峰運行時間，N 站—L站上行2B3 區(qū)內(nèi)有2 列列車基本同時啟動時，L 站牽引所直流饋線開關(guān)212 的Imax保護(hù)裝置動作，并聯(lián)跳N 站牽引所直流饋線開關(guān)214，造成N 站—L站上行2B3 區(qū)接觸網(wǎng)失壓，列車短時停運。8 s 后直流饋線柜自動重合閘成功，列車限速30 km/h 運行，正常通過2B3 區(qū)。

相隔不久，2B3 區(qū)內(nèi)又有2 列列車基本同時啟動時，再次出現(xiàn)同樣情況。接觸網(wǎng)運行維護(hù)人員到現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)N 站接觸網(wǎng)上網(wǎng)隔離開關(guān)2141 故障后，遠(yuǎn)方合上N 站接觸網(wǎng)越區(qū)隔離開關(guān)2124，2B3 區(qū)由2B2 區(qū)越區(qū)供電。

圖1 N 站—L 站接觸網(wǎng)供電分段示意圖

通過合閘接觸網(wǎng)越區(qū)隔離開關(guān)，實現(xiàn)大雙邊供電后，列車能正常運行。

1.2 事故直接原因分析

事故后，運營部門檢查現(xiàn)場供電系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)備時發(fā)現(xiàn)，N 站接觸網(wǎng)上網(wǎng)隔離開關(guān)2141 信號檢測輔助開關(guān)HK 存在功能缺陷：刀閘未合閘到位的情況下，仍發(fā)送合閘到位信號至控制信號盤。

由于N 站牽引所上網(wǎng)隔離開關(guān)2141 故障，且N 站牽引所越區(qū)隔離開關(guān)2124 也沒有合閘形成大雙邊供電，導(dǎo)致2B3 區(qū)送電后，形成了正線非端部車站始終處于單邊供電的狀態(tài)，即如圖2中，N站牽引所虛線所框區(qū)域并沒有向“N 站—L 站”供電區(qū)間進(jìn)行電能輸出。

圖2 直流供電系統(tǒng)示意圖

如果越區(qū)隔離開關(guān)2124 合閘，用場路方法進(jìn)行計算分析，2 列列車的同時啟動電流，在大雙邊供電的條件下，不會導(dǎo)致開關(guān)跳閘。因此，接觸網(wǎng)隔離開關(guān)合閘不到位，導(dǎo)致“N 站—L 站”非端部供電區(qū)間處在單邊供電狀態(tài)是上文中保護(hù)裝置動作、開關(guān)跳閘的直接原因。

1.3 事故跳閘直接原因

1.3.1 現(xiàn)場故障電流的實際值

當(dāng)N 站—L 站上行（2B3 區(qū)）實際處于單邊供電狀態(tài)時，該區(qū)間運行的列車全部從L 站牽引所直流饋線開關(guān)212 取流。單列車加速時最大取流可超過3 000 A，同時，由于單邊供電末端網(wǎng)壓較低，列車取流更大，從圖3中也能看出，2 列列車在同一供電區(qū)運行時瞬時取流超過6 000 A，而L 站牽引所直流饋線開關(guān)Imax保護(hù)動作整定值為6 000 A，因此L 站直流開關(guān)212 跳閘。

圖3 L站212 開關(guān)第一次跳閘波形記錄圖

1.3.2 牽引電流的理論計算

從現(xiàn)場跳閘波形記錄可以看出，2 列列車取流數(shù)值大于牽引所直流饋線開關(guān)Imax保護(hù)整定值。在確保系統(tǒng)安全運行的條件下，為了提供更好的運營服務(wù)，避免運營相關(guān)事故處理，需要進(jìn)一步研究牽引電流的數(shù)值及保護(hù)整定的取值。

（1）單列車供電牽引電流的理論計算。本次事故線路采用B 型車，4 動2 拖6 輛編組，最高運行速度為80 km/h，高峰小時最大行車密度為30對/h。列車定員總重335.60 t，車輛輔助用電功率389 kW。

結(jié)合線路實際情況，在列車牽引計算的基礎(chǔ)上，按照運行圖各區(qū)間行車、停站時分進(jìn)行整流機(jī)組負(fù)荷電流計算。經(jīng)計算，與本次事故相關(guān)的幾個供電區(qū)間單列車最大啟動電流如表1。

表1 故障時單列車最大啟動電流數(shù)值表

（2）供電臂上供電牽引電流的理論計算。當(dāng)正線一座牽引所解列時，如果故障牽引變電所越區(qū)隔離開關(guān)合閘、相鄰變電所形成大雙邊供電時，雖然整個大供電區(qū)間的列車數(shù)量增多了，但大雙邊供電區(qū)間內(nèi)的列車不可能都同時處于啟動狀態(tài)，必然有列車處于再生制動狀態(tài)，車輛數(shù)量的增加讓列車釋放的再生能量被吸收的概率增大，再生能量可以得到更高效利用，從而減小整流機(jī)組的電流輸出。

供電系統(tǒng)模擬是按照嚴(yán)格的運行圖行車停站時分進(jìn)行計算的。在實際行車運營時，由于各種因素會使運行圖變動，進(jìn)而對牽引所電流輸出產(chǎn)生較大的影響。

圖4中N 站牽引所在1 號運行圖（發(fā)車間隔 2 min）下，最大的母線電流接近5 000 A，能夠回饋到牽引所母線處的再生電能不到200 A（圖4）；而在30 號運行圖下（發(fā)車間隔仍為2 min，相對1號運行圖，發(fā)車時間錯位30 s），牽引所最大的母線電流接近7 000 A，反饋大牽引所母線處的再生電流約1 000 A（圖5）；二者相比，1 號運行圖下由于列車釋放的再生能量得到了更充足的利用（反饋到母線側(cè)的就少），那么整流機(jī)組的輸出電流就會大大減小。因此，運行圖的調(diào)整對于整流機(jī)組的電流輸出影響較大，并且運行圖變化還存在各種概率因素。

圖4 遠(yuǎn)期高峰小時N 站牽引所1 號 運行圖下的牽引所母線電流圖

圖5 遠(yuǎn)期高峰小時N 站牽引所30 號 運行圖下的牽引所母線電流圖

從上述分析可以看出，由于列車制動產(chǎn)生的再生電流和其他列車啟動吸收電流之間的相互影響，因此當(dāng)列車在不同運行圖下行駛時，就會直接影響整流機(jī)組的電流輸出。如果行車交路發(fā)生較大變化，同時牽引供電系統(tǒng)出現(xiàn)多重故障，就難以從供電仿真計算中得出精確、合理的饋線電流值。

綜上所述，在非端部車站，由于其他故障造成單邊供電，在多列車同時啟動時，導(dǎo)致瞬時取流超過直流饋線開關(guān)Imax整定值，這是導(dǎo)致該次跳閘的間接原因。

2 直流速斷保護(hù)取值分析及建議

在保證系統(tǒng)運行安全的前提下，應(yīng)盡可能地考慮行車交路變化引起和系統(tǒng)運行方式臨時變化的饋線電流波動。通過在整定計算中取一定的過負(fù)荷系數(shù)來消除影響，就可能避免類似的跳閘事故。

根據(jù)《地鐵設(shè)計規(guī)范》（GB 50157-2003）中14.2.5 要求“一座牽引變電所退出運行時，相鄰的兩座牽引變電所應(yīng)能分擔(dān)其供電分區(qū)的牽引負(fù)荷”，即一座牽引所退出運行，相鄰的兩座牽引所越區(qū)“大雙邊”向接觸網(wǎng)供電。供電計算提供的牽引電流考慮了正常供電、單臺整流機(jī)組運行、通過越區(qū)隔離開關(guān)大雙邊供電，通過直流母線大雙邊供電4 種情況下的饋線最大負(fù)荷電流，但未考慮正線非端部牽引所解列，相鄰牽引所單邊供電的情況。

Imax的電流保護(hù)配置需要考慮正線某座牽引所解列、相鄰牽引所單邊或是大雙邊供電條件下整流機(jī)組輸出的最大電流值。本文以下著重討論非端部牽引變電所，保證安全的條件下，從供電系統(tǒng)設(shè)計、直流保護(hù)整定取值、運營檢測手段等方面進(jìn)行局部修正，盡量避免以上列車停運事故的發(fā)生。

2.1 既有線保護(hù)定值的設(shè)置

保護(hù)整定要滿足速動性、靈敏性、可靠性、選擇性的要求。從可靠性來說，就是要從保護(hù)的整定上區(qū)分各種非故障的運行情況和故障運行情況，保證非故障運行情況下不誤動，故障情況下可靠動作。對于速動性、靈敏性和選擇性來說，這三者是相互矛盾相互制約的，在保證可靠性的前提下，為提高速動性，必然要降低電流的整定值（跳閘延時一定的情況下），靈敏性同時提高了，但是犧牲了選擇性，可能出現(xiàn)越級跳閘的情況，反之亦然。因此，需要在這三者之間找到一個平衡點，同時兼顧速動性、靈敏性、選擇性。

直流饋線Imax的整定，是以供電牽引計算模擬出的最大饋線電流結(jié)果為基礎(chǔ)進(jìn)行配置的，同時考慮1.05 的可靠系數(shù)；另外還要躲開保護(hù)區(qū)外的誤跳，即大于正常雙邊供電末端短路t= 20 ms 時的短路電流。在綜合考慮以上2 個因素的基礎(chǔ)上，為便于對定值的錄入和管理，筆者對所有的定值進(jìn)行了歸整。

經(jīng)校驗，不管是在正常運行方式下、單臺整流機(jī)組工作方式下，通過越區(qū)隔離開關(guān)“大雙邊”越區(qū)供電方式下，還是在通過直流母線“大雙邊”越區(qū)供電方式下，牽引所直流1 500 V 饋線的Imax整定值均滿足以上整定原則和要求。之所以出現(xiàn)L站212 饋線Imax跳閘的情況，是由于N 站隔離開關(guān)2141 合閘不到位造成了N 站—L 站實際單邊供電運行的情況，該運行方式與規(guī)范中設(shè)定條件相差較大，不在以目前標(biāo)準(zhǔn)為前提的設(shè)計考慮范圍。

2.2 保護(hù)定值可能的解決措施

雖然目前既有線的設(shè)定滿足規(guī)范要求，但從保證行車的角度出發(fā)，站在運營的立場考慮，在確保系統(tǒng)運行安全的前提下，考慮現(xiàn)場的情況應(yīng)有一定的包容性，因此在具體設(shè)計過程中，整定計算時要考慮非端部牽引所單邊供電的情況，并應(yīng)對提高Imax整定值的可行性和風(fēng)險進(jìn)行分析。

2.3 整定值計算

原則1：整定值應(yīng)高于預(yù)期的饋線峰值電流。

Imax1= 1.05×Ifmax= 1.05×6.32= 6.64 kA

式中，Ifmax為根據(jù)供電計算提供的最大負(fù)荷電流值，6.32 kA。

原則2：整定值保證相鄰區(qū)間近端短路的選擇性，應(yīng)由故障區(qū)間近端的直流斷路器的電流速斷保護(hù)清除故障，同時應(yīng)避免在保護(hù)范圍之外故障情況下斷路器跳閘；即大于正常雙邊供電末端短路t= 20 ms 時的短路電流，考慮1.05 的可靠系數(shù)。

Imax2= 1.05×ISC×(1 - EXP(-20/T))= 1.05× 13.32×[1 - EXP（-20/64.48）]= 3.73 kA

式中，ISC為穩(wěn)態(tài)短路電流，計算值為13.32 kA；T為時間常數(shù), 計算值為64.48 ms。

最終計算值Imax＝MAX（Imax1, Imax2）=6.64 kA

2.4 整定值計算調(diào)整

根據(jù)本文2.3.2 節(jié)中單列車最大啟動電流表，L站下行單列車最大啟動電流為3 724 A，按2 列列車同時啟動的情況考慮，將Imax的最終整定值調(diào)整為7 500 A，經(jīng)詳細(xì)核算得出L 站直流饋線保護(hù)整定值調(diào)至7 500 A 后，正常運行工況下末端短路的靈敏系數(shù)為1.74，能滿足系統(tǒng)運行要求。

2.5 對運營部門的要求

該定值調(diào)整后，如果運營人員不能及時發(fā)現(xiàn)上網(wǎng)隔離開關(guān)故障，列車雖然不會由于跳閘停運，但是容易長期帶故障運行，設(shè)備和電纜等易長期處于高負(fù)荷運行狀態(tài)，對設(shè)備的壽命考驗苛刻。因此，需要維修部門密切關(guān)注設(shè)備的運行狀態(tài)，避免出現(xiàn)變電所長期帶故障運行。

3 結(jié)語

通過上述論述可知，對于非端部牽引變電所，為避免設(shè)備可能故障導(dǎo)致單邊供電時，造成列車啟動跳閘的情況，在確保系統(tǒng)安全運行的條件下，結(jié)合牽引電流計算和保護(hù)整定，可以將非端部車站牽引所直流1 500 V 饋線Imax保護(hù)整定值均上調(diào)至 7 500 A。該建議一般適用于一個供電臂上最多有2列列車啟動的情況。在定值調(diào)整后，需要運營部門密切關(guān)注設(shè)備的運行狀態(tài)。

[1]高云霞.直流牽引供電系統(tǒng)繼電保護(hù)整定計算方法[J].電氣化鐵道，2011，22（4）：40-42.